低碳氮比污水廠全流程脫氮優(yōu)化調(diào)控及效果

王 榮

（滕州市水庫管理服務中心，山東 滕州277599）

目前，我國大部分城市污水廠進水水質(zhì)存在低碳氮的問題，不僅造成出水水質(zhì)不穩(wěn)定，而且給污水廠運行成本帶來巨大壓力。為了保證出水穩(wěn)定達標，很多污水廠在缺氧段投加大量碳源以保障反硝化反應的順利進行，但這會出現(xiàn)碳源投加量大于實際反硝化所需碳源量[1]，造成碳源浪費，過量有機物在好氧段通過曝氣去除增加能耗，污泥產(chǎn)率增大等問題；有時還需新增反硝化深床濾池等脫氮工藝[2]，會帶來新增投資、占地問題，而反硝化深床濾池往往在處理工藝的末端，有可能導致出水COD、BOD5波動[3]。為緩解低碳氮比污水廠上述壓力，圍繞生物脫氮的主要影響因素對污水廠進行全流程強化脫氮調(diào)控，降低污水廠運行成本具有重要意義。

1 項目概況

某污水處理廠2014年建成通水，設計規(guī)模為6萬m3/d。該污水廠進水碳氮比處于較低水平，無法滿足脫氮要求。為保證出水總氮達標，運行過程中，投加大量碳源，2019年碳源投加量約300 mg/L（20%乙酸鈉）。在投加大量碳源情況下，出水總氮均值12 mg/L，在冬季水溫低或進水總氮較高時，仍存在超標風險。

2 現(xiàn)狀運行全流程管控實踐

在現(xiàn)狀工藝運行的基礎上，結合沿程數(shù)據(jù)監(jiān)測進行全流程分析，以工藝段為基礎進行優(yōu)化管控。

2.1 曝氣沉砂池運行優(yōu)化

1）曝氣沉砂池出水攜帶高溶解氧調(diào)控。沿程NO3--N、溶解氧監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1，從表1知，經(jīng)過預缺氧池NO3--N并未有去除現(xiàn)象。預缺氧池和厭氧池均具備碳源、NO3--N條件，但基本無反硝化效果，NO3--N大量進入?yún)捬醭?，導致工藝整體的生物除磷脫氮功能紊亂。同時從表1數(shù)據(jù)可知主要是由于曝氣沉砂池出水攜帶高溶解氧進入系統(tǒng)所致，而溶解氧高主要是由于曝氣沉砂池跌水、曝氣過量以及進水攜帶造成的。根據(jù)實際運無機化問題，將目前曝氣沉砂池刮砂機運行方式由運行10 min待機20 min調(diào)整為運行10 min待機10 min，雨天調(diào)整為常開模式以增大除砂能力，防止大量泥砂進入后續(xù)生化系統(tǒng)，并調(diào)整好氧池曝氣量以防過曝，2021年SVI平均值為73 mg/L較2019年提升16%。

表1 調(diào)控前后沿程溶解氧和NO3--N數(shù)據(jù)mg/L

2.2 缺氧池運行優(yōu)化

1）缺氧池前端溶解氧優(yōu)化。缺氧池前端溶解氧高不僅影響脫氮效果，且會無效消耗碳源。溶解氧偏高主要是由于兩方面引起，一是內(nèi)回流液混合液攜帶溶解氧，對此在好氧池末端設置消氧區(qū)改善；二是由于內(nèi)回流混合液出口距缺氧池最高液面40 cm，跌水進入缺氧池形成空氣復氧，通過延伸內(nèi)回流出口管伸入缺氧池液面30 cm，淹沒式運行，并在內(nèi)回流管加裝閥門以防倒流。通過上述措施，缺氧池前端溶解氧濃度降至0.5 mg/L以下。

2）缺氧池停留時間優(yōu)化。缺氧末端COD的監(jiān)測數(shù)據(jù)在15~45 mg/L，好氧池末端在15 mg/L左右，可知，缺氧池存在反硝化停留時間不足，造成碳源進入好氧池通過曝氣去除情況，如能夠延長反硝化時間，出水NO3--N濃度或者碳源投加可進一步降低，將緩解冬季水溫低或進水總氮濃度高造成出水總氮偏高。該廠日常小試監(jiān)測生化系統(tǒng)的反硝化速率在0.019 2~0.021 1（kg NO3--行情況，對跌水、曝氣強度進行了優(yōu)化，通過對曝氣沉砂池出水至預缺氧池和厭氧池閥門進行逐步微調(diào)，使曝氣沉砂跌水高度由1 m左右降至0.3 m左右；在保證曝氣沉砂池正常運行的同時降低曝氣量。調(diào)控后曝氣沉砂池出水攜帶溶解氧明顯降低，且預缺氧池和厭氧池具備了一定脫氮功能，厭氧池中的NO3--N有所降低，對厭氧釋磷的競爭也將會減弱。

2）曝氣沉砂池運行方式調(diào)整。2019年運行SVI值為63 mg/L，低于生活污水為主的污水廠正常水平，可知系統(tǒng)污泥無機化嚴重。針對污泥N）/（kg MLSS·d），根據(jù)目前運行條件，進水水量以6萬m3/d計，缺氧池污泥濃度取6 000 mg/L，總氮按設計值45 mg/L，出水總氮13 mg/L，出水氨氮以0.5 mg/L計，不考慮剩余污泥所帶氮元素及預缺氧去除NO3--N，反硝化速率取0.019 2（kg NO3--N）/（kg MLSS·d），核算缺氧反硝化所需停留時間為6.5 h，而設計停留時間為3.8 h，在冬季水溫低或者進水總氮高時，需投加大量碳源彌補停留時間上的不足，但仍存在水質(zhì)風險。

2.3 好氧池優(yōu)化為AOA模式運行

好氧池主要功能為氧化去除COD、好氧吸磷、將氨氮轉化為硝酸鹽氮。好氧池停留時間為厭氧池停留時間的2~3倍即可滿足好氧吸磷功能的實現(xiàn)[4]，也即停留時間需有3~4.5 h。該廠日常小試監(jiān)測的生化系統(tǒng)硝化速率在0.018 1~0.035 8（kg NH3-N）/（kg MLSS·d），根據(jù)目前運行條件按最不利情況核算硝化所需停留時間為7.6 h。

為補償缺氧池在現(xiàn)有運行條件下停留時間不足和改善內(nèi)回流攜帶溶解氧等不利條件，將原好氧池進行功能重新分配。滿足硝化功能實現(xiàn)需要7.6 h前提下，將好氧池前端2 h作為缺氧區(qū)使用，增加缺氧停留時間，提高脫氮效率[5]，將末端0.2 h作為消氧區(qū)，即AOA模式。AOA模式前后兩個A段運行的實現(xiàn)，主要靠調(diào)節(jié)風機和曝氣管各閥門，將溶解氧控制在0.5 mg/L以下通過微曝氣起到攪拌作用保證污泥不沉積。另在保證對溶解氧變化比較敏感的氨氮指標穩(wěn)定情況下，同時對好氧段溶解氧逐步由3 mg/L以上調(diào)整為1.5 mg/L，以防在雨季進水負荷相對較低的情況下出現(xiàn)過曝現(xiàn)象。

2.4 碳源投加精細化管控

污水廠進水水質(zhì)、水量時刻在變化，根據(jù)進水水質(zhì)精準投加碳源比較困難。一般根據(jù)出水總氮的反饋調(diào)節(jié)投加量，而碳源投加點距出水口停留時間有18 h，存在明顯滯后效應。為保障碳源的精準投加，加裝過程儀表，缺氧末端加裝在線硝氮儀并將數(shù)據(jù)實時反饋至中控界面，及時反饋缺氧脫氮情況，從而將滯后調(diào)節(jié)時間縮短至3.8 h，并探索出該廠根據(jù)缺氧池末端硝氮的反饋與碳源投加的對應數(shù)據(jù)，如表2所示。從而將碳源投加調(diào)控變被動調(diào)整為主動預判調(diào)控，節(jié)約碳源投加量。

表2 缺氧池末端硝氮數(shù)據(jù)與對應的碳源投加量mg/L

3 碳源投加量

碳源投加量如圖1所示。

圖1 碳源投加量

2019年進水TN全年平均值為35.4 mg/L，出水TN全年平均值為12.2 mg/L，去除率為65.5%。調(diào)整運行后2020年進水TN全年平均值為32.8 mg/L，出水TN全年平均值為10.0 mg/L，去除率為69.5%。從11月和12月數(shù)據(jù)可明顯看出，在冬季低溫，2020年進水COD濃度下降，TN升高，乙酸鈉投加降低情況下，出水總氮反而出現(xiàn)下降，主要是因為缺氧停留時間延長、溶解氧調(diào)控、反硝化細菌比例提高等使脫氮效果得到了強化，有效保障了出水總氮的穩(wěn)定達標。2020年乙酸鈉整體投加量較2019年下降51.8%。

4 技術經(jīng)濟分析

通過上述全流程組合措施的調(diào)控運行，2020年在保證水質(zhì)穩(wěn)定達標的前提下，藥耗能耗也均較2019年下降明顯。2020年碳源投加量為146 mg/L較2019年303 mg/L下降51.8%；污泥產(chǎn)量降幅35.2%；2020年電單耗每噸水0.319 kWh同比2019年每噸水電單耗0.365 kWh下降12.6%。

5 結論

1）針對低碳氮比污水廠通圍繞影響生物脫氮的主要因素對曝氣沉砂池、內(nèi)回流、好氧池處的高溶解氧問題進行了優(yōu)化，將進水碳源和外加碳源充分利用在反硝化脫氮，從而節(jié)省碳源并可節(jié)約能耗。

2）通過對現(xiàn)有運行數(shù)據(jù)核算，將好氧池合理調(diào)整為AOA模式運行，延長反硝化時間，極大的保障了冬季低溫或者進水總氮高時出水總氮的穩(wěn)定達標，并可節(jié)省碳源。

3）在不新增工藝、投資、占地等情況下，對低碳氮比污水廠進行全流程診斷優(yōu)化調(diào)控，不僅可以保障污水廠的穩(wěn)定達標，還可以促進節(jié)能降耗，污水廠整體運行效能出現(xiàn)了協(xié)同提升，具有一定的借鑒意義。