碳源投加量和污泥運(yùn)行參數(shù)對污水脫氮效率的影響研究

李弘義

（天津市華博水務(wù)有限公司，天津 300040）

隨著國家對水生態(tài)安全越來越重視和為滿足人民日益增長的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要，我國自“水十條”頒布以來，不斷提高對水資源安全的管控力度。踐行“綠水青山就是金山銀山”的重要理念，其中重要一環(huán)就是加強(qiáng)對水體污染物排放的控制，污水處理廠出水多項(xiàng)污染物指標(biāo)的要求日趨嚴(yán)格。以天津?yàn)槔?，在天津市《城?zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB12/599-2015）發(fā)布之后，對比國標(biāo)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）的一級A 標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)需氧量COD、懸浮物SS、總氮TN、總磷TP 為新地標(biāo)A 類標(biāo)準(zhǔn)的主要提標(biāo)指標(biāo)[1，2]。根據(jù)王阿華[3]的研究，主要提標(biāo)項(xiàng)中易于通過改造深度三級處理等措施得以有效保障的有化學(xué)需氧量、懸浮物、總磷，但我國對于穩(wěn)定提升總氮去除率的技術(shù)研究仍不系統(tǒng)[4]，難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的出水總氮問題在一些進(jìn)水碳氮比較低或進(jìn)水需接納工業(yè)園區(qū)直排或經(jīng)初級處理的廢水的污水處理廠中尤為突出。

根據(jù)Henze[5-7]等人的研究，若要達(dá)到良好的脫氮效果，就必須保證充足的微生物可利用的含碳基質(zhì)。BOD5/TN 也即碳氮比C/N值是決定生物系統(tǒng)對污水脫氮效率的關(guān)鍵因素[8]，若要實(shí)現(xiàn)污水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，則依據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50014-2006），進(jìn)水碳氮比值宜大于4；碳氮比值小于3 時，進(jìn)水碳源不足。因此，為確保出水總氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，結(jié)合運(yùn)行參數(shù)的碳源投加優(yōu)化仍然是低碳氮比污水反硝化脫氮效率提升的主要方法之一。

筆者結(jié)合天津某城鎮(zhèn)污水處理廠生產(chǎn)運(yùn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)考察了碳源投加量與污水反硝化脫氮效率間的關(guān)系，在觀察結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討脫泥量調(diào)控及污泥齡對總氮去除效果的影響，旨在通過對碳源投加量與污泥運(yùn)行參數(shù)的考察研究，為低碳氮比進(jìn)水的生物脫氮處理提供運(yùn)行與調(diào)控優(yōu)化工藝指導(dǎo)。

1 污水處理廠概況

選天津某城鎮(zhèn)污水處理廠為試驗(yàn)地，該廠處理規(guī)模為4×104m3/d（雙系列），實(shí)際處理量為（3.6～4）×104m3/d，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB12/599－2015）A 類標(biāo)準(zhǔn)。該廠工藝流程，如圖1所示。

圖1 污水處理廠工藝流程

廠內(nèi)進(jìn)水主要包含市政泵站管網(wǎng)排入的污水，四片工業(yè)園區(qū)的工業(yè)污水以及不定時接收工業(yè)園區(qū)污水站初步處理后的污水。氧化溝采用雙系列A/A/O+A/O五段法工藝，五段（即厭氧、一級缺氧、一級好氧、二級缺氧、二級好氧）的溶解氧DO 分別為0.04、0.35、1.50、0.38、2.45 mg/L。本次試驗(yàn)設(shè)定內(nèi)回流比為200%，外回流比為100%。出水水質(zhì)執(zhí)行天津市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB12/599－2015）的A 類標(biāo)準(zhǔn)。廠內(nèi)現(xiàn)有2 套回用水管路，分別自臭氧和消毒接觸池接出。

污水處理廠2018年6月—2019年5月的進(jìn)水水質(zhì)情況如下：生化需氧量BOD5為69.80～151.00 mg/L，平均為121.46 mg/L；化學(xué)需氧量為248.80～527.97 mg/L，平均為 348.15 mg/L；總氮為33.55～62.05 mg/L，平均為 50.20 mg/L；氨氮 NH4+－N 為23.27～43.25 mg/L，平均為 34.70 mg/L；總磷為4.17～9.70 mg/L，平均為 6.71 mg/L；懸浮物為245.87～703.29 mg/L，平均為485.33 mg/L；碳氮比值為1.39～3.49，平均為2.46。由上可以看出，由于該污水處理廠存在工業(yè)污水間歇直排及工業(yè)園區(qū)預(yù)處理水長期排入，進(jìn)水化學(xué)需氧量、生化需氧量、總氮等水質(zhì)指標(biāo)波動較大，屬于低碳源污水。根據(jù)污水處理廠日常運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)表，出水各項(xiàng)指標(biāo)均能穩(wěn)定達(dá)到津標(biāo)A 類標(biāo)準(zhǔn)，但對于總氮指標(biāo)需時常加大葡萄糖投加量以保證其穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 碳源投加量控制

基于污水處理廠日常穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，設(shè)定脫泥量為20 t，碳源為葡萄糖[9，10]。試驗(yàn)期間，不改變廠內(nèi)重點(diǎn)工藝參數(shù)，包括外回流比、各生化單元的污泥濃度、流量、碳源投加量和曝氣量等。碳源投加試驗(yàn)在單系列氧化溝內(nèi)進(jìn)行，另一系列做對照（對照組碳源投加量為140 mg/L污水）。

試驗(yàn)所購葡萄糖的生化需氧量當(dāng)量為0.524 7 gBOD5/gC6H12O6（理論當(dāng)量為0.53 gBOD5/gC6H12O6）。依據(jù)進(jìn)出水水質(zhì)的保守估算，試驗(yàn)藥劑的理論投加量為100 mg/L 污水，單系列氧化溝（平均流量為1.8×104m3/d）的葡萄糖理論用量為1 800 kg/d。分別進(jìn)行0.7、1.0、1.4倍理論值的試驗(yàn)，各投加量的試驗(yàn)周期為6 d。試驗(yàn)選擇氧化溝厭氧池與一級缺氧池連接處下游約0.5 m 處作為葡萄糖投加點(diǎn)，以提高對碳源的利用效率。試驗(yàn)采取24 h不間斷溶藥罐投加方式。

2.2 污泥運(yùn)行參數(shù)調(diào)控

結(jié)合碳源投加量試驗(yàn)結(jié)果，針對碳源投加量為100 mg/L 污水的工況進(jìn)行污泥運(yùn)行參數(shù)的控制試驗(yàn)，污泥運(yùn)行主要參數(shù)為污泥濃度MLSS、污泥齡和脫泥量。

污泥齡計(jì)算公式為：

式中：SRT為泥齡（d）；X為生物池中的活性污泥濃度（kg/m3）；Vt為生物池總體積（m3）；Qs為剩余污泥排出流量（m3/d）；Xr為剩余污泥濃度（kg/m3）；Q為設(shè)計(jì)污水流量（m3/d）；Xe為二沉池出水的懸浮固體濃度（kg/m3）。

實(shí)際生產(chǎn)中，二沉池出水懸浮物濃度較低可忽略不計(jì)。在計(jì)算中，考慮污泥齡計(jì)算為計(jì)算生物池污泥總量與每天剩余污泥排放量之比[11]，簡化算式為：

依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際污泥含水率及運(yùn)行情況，結(jié)合式（2），脫泥量大小與污泥齡數(shù)值大小成反比關(guān)系。本次試驗(yàn)中對脫泥量進(jìn)行控制，控制排泥時間段為每日8∶00—17∶00，脫泥量分別控制為20、30 t/d，水量控制在36 000 t/d，時長為6 d，每日對好氧段污泥濃度及剩余污泥濃度進(jìn)行檢測。

2.3 水質(zhì)指標(biāo)檢測

檢測水樣取自污水處理廠的細(xì)格柵進(jìn)水和二沉池出水，每日采樣時間為 6∶00、12∶00、18∶00，測試指標(biāo)包括總氮、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷等，污泥指標(biāo)每日6∶00、18∶00檢測2 次。水質(zhì)指標(biāo)檢測方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版）。檢測結(jié)果以每日均值計(jì)。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳源投加量的影響

3.1.1 對好氧單元污泥濃度的影響

試驗(yàn)階段生化單元進(jìn)水碳氮比值與好氧段污泥濃度的變化，如圖2 所示。試驗(yàn)期間，進(jìn)水C/N 值為1.35～3.17。在污水處理廠排泥量不變時，好氧段污泥濃度隨著葡萄糖投加時間的增長呈上漲趨勢。試驗(yàn)結(jié)束后，污泥平均濃度增加了585 mg/L。

圖2 碳源投加量對好氧單元污泥濃度的影響

3.1.2 對總氮去除率的影響

不同投加量（Ⅰ∶0.7 倍理論值、Ⅱ∶1.0 倍理論值、Ⅲ∶1.4 倍理論值）對總氮去除率的影響，如圖3所示。結(jié)果表明，隨著葡萄糖投加量的增加，總氮去除率總體呈上升趨勢，污泥活性與沉降性能總體有所改善；但隨著葡萄糖投加周期的延長及投加量的進(jìn)一步增加，總氮去除率出現(xiàn)下降趨勢。此外，試驗(yàn)期間二沉池出水氨氮濃度穩(wěn)定低于1.5 mg/L。

圖3 碳源投加量對總氮去除率的影響

在階段Ⅰ中，進(jìn)水總氮平均濃度為57.44 mg/L時，出水總氮可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，濃度為7.17～9.16 mg/L，去除率平均為84.78%。在階段Ⅱ中，投加碳源對反硝化效能提升呈穩(wěn)定上漲趨勢，進(jìn)水總氮平均濃度為62.43 mg/L 時，出水總氮濃度為7.28～8.94 mg/L，去除率平均為86.50%。根據(jù)姚學(xué)文[4]等人的研究，碳源的投加量大小應(yīng)與總氮去除率高低成正比。但在階段Ⅲ中，生化系統(tǒng)的總氮去除率并未顯著提高，平均為84.94%，進(jìn)水總氮平均濃度為55.33 mg/L時，出水總氮濃度為7.22～9.06 mg/L。

有學(xué)者認(rèn)為，系統(tǒng)污泥濃度的升高會抑制硝化、反硝化過程[12]。由于試驗(yàn)周期內(nèi)流量、脫泥量、內(nèi)外回流比和曝氣量均不變，結(jié)合上文所述試驗(yàn)期間污泥濃度有一定幅度的持續(xù)上漲，且對照組在階段Ⅲ中總氮去除率為89.56%，因此可以認(rèn)為系統(tǒng)內(nèi)持續(xù)增長的污泥濃度可能對系統(tǒng)總氮的去除率產(chǎn)生了影響。

3.1.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

以葡萄糖投加量為1.0倍理論值計(jì)，污水處理廠采購葡萄糖藥劑的投加量為100 mg/L污水。污水處理廠采購葡萄糖的單價為3 369元/t，在保證出水總氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的情況下，投加碳源提高了約0.34元的噸水成本。此外，碳源的投加量尚有上下調(diào)節(jié)的空間，且脫泥量及污泥處置費(fèi)用也可能由于碳源投加的原因在一定程度上增加，污水處理廠運(yùn)營時可結(jié)合進(jìn)水水質(zhì)情況，通過聯(lián)動污泥齡與污泥濃度、脫泥量的調(diào)控，優(yōu)化工藝運(yùn)行參數(shù)及操作流程，進(jìn)行投加精益化管理，在確保出水總氮達(dá)標(biāo)的同時，最大限度地控制運(yùn)營成本。

3.2 脫泥量對總氮去除率及運(yùn)行參數(shù)的影響

脫泥量控制分別為20、30 t 時，污泥濃度、污泥齡及總氮去除效果，如圖4 所示。脫泥量調(diào)控前后碳氮比值分別為1.35～3.97（平均2.04）、1.02～2.70（平均2.10）。脫泥量為20 t 時，對應(yīng)平均污泥齡為15 d，生化單元進(jìn)水總氮濃度為39.78～68.88 mg/L，平均值為55.69 mg/L；二沉池出水總氮濃度為7.28～9.70 mg/L，平均值為8.24 mg/L；總氮去除率為81.70%～86.79%，平均值為84.92%。脫泥量調(diào)控后（脫泥量為30 t），對應(yīng)平均污泥齡為11 d，生化單元進(jìn)水總氮濃度為35.44～52.00 mg/L，平均值為44.67 mg/L；二沉池出水總氮濃度為7.06～8.89 mg/L，平均值為8.07 mg/L；總氮去除率為75.68%～85.46%，平均值為81.37%。脫泥量調(diào)控前后，總氮平均去除率降低了約3.55%，調(diào)控后較調(diào)控前生化單元的脫氮效率有一定程度的下降。試驗(yàn)期間，二沉池出水氨氮濃度穩(wěn)定低于1.5 mg/L。

由圖4 可見，總體上系統(tǒng)污泥濃度僅在小范圍波動，脫泥量不變時系統(tǒng)污泥齡數(shù)值基本穩(wěn)定。系統(tǒng)對總氮的去除率在污泥齡為15 d時高于污泥齡為11 d 時，系統(tǒng)污泥濃度的變化趨勢基本與總氮去除率的變化趨勢相反。

圖4 脫泥量對總氮去除率的影響

4 結(jié)論

對于低碳氮比值進(jìn)水的城鎮(zhèn)污水處理廠，將適量葡萄糖由氧化溝缺氧區(qū)的適宜點(diǎn)位投加作為碳源，可有效提高系統(tǒng)的脫氮效率，實(shí)現(xiàn)滿足津標(biāo)A類標(biāo)準(zhǔn)的出水總氮濃度。此外，通過對比，主要運(yùn)行參數(shù)不變時，污泥齡為15 d時系統(tǒng)的脫氮效率較污泥齡為11 d時高。

碳源投加能在一定程度上提升系統(tǒng)的脫氮效率，但廠內(nèi)運(yùn)行參數(shù)包括流量、碳源用量、脫泥量、內(nèi)外回流比和曝氣量均不變時，系統(tǒng)污泥濃度的變化趨勢基本與系統(tǒng)總氮去除率的變化趨勢相反。因此，污水處理廠可聯(lián)動進(jìn)水水質(zhì)與碳源投加的理論計(jì)算結(jié)果，結(jié)合污泥濃度與脫泥量的調(diào)控，計(jì)算控制污泥齡，采用模糊控制進(jìn)行工藝運(yùn)行操作，在保障出水達(dá)標(biāo)的情況下，最大限度地控制運(yùn)營成本。今后，可在對污染物排放控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展技術(shù)、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，有效保障水資源安全。