李弘義

（天津市華博水務有限公司，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)就是加強對水體污染物排放的控制，污水處理廠出水多項污染物指標的要求日趨嚴格。以天津為例，在天津市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》（DB12/599-2015）發(fā)布之后，對比國標《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級A 標準，化學需氧量COD、懸浮物SS、總氮TN、總磷TP 為新地標A 類標準的主要提標指標[1，2]。根據(jù)王阿華[3]的研究，主要提標項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研究仍不系統(tǒng)[4]，難以穩(wěn)定達標的出水總氮問題在一些進水碳氮比較低或進水需接納工業(yè)園區(qū)直排或經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。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鍵因素[8]，若要實現(xiàn)污水穩(wěn)定達標排放，則依據(jù)《室外排水設計規(guī)范》（GB 50014-2006），進水碳氮比值宜大于4；碳氮比值小于3 時，進水碳源不足。因此，為確保出水總氮穩(wěn)定達標，結合運行參數(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。

筆者結合天津某城鎮(zhèn)污水處理廠生產運行試驗，系統(tǒng)考察了碳源投加量與污水反硝化脫氮效率間的關系，在觀察結果基礎上進一步探討脫泥量調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行參數(shù)的考察研究，為低碳氮比進水的生物脫氮處理提供運行與調控優(yōu)化工藝指導。

1 污水處理廠概況

選天津某城鎮(zhèn)污水處理廠為試驗地，該廠處理規(guī)模為4×104m3/d（雙系列），實際處理量為（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準》（DB12/599－2015）A 類標準。該廠工藝流程，如圖1所示。

圖1 污水處理廠工藝流程

廠內進水主要包含市政泵站管網排入的污水，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。本次試驗設定內回流比為200%，外回流比為100%。出水水質執(zhí)行天津市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》（DB12/599－2015）的A 類標準。廠內現(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月的進水水質情況如下：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)預處理水長期排入，進水化學需氧量、生化需氧量、總氮等水質指標波動較大，屬于低碳源污水。根據(jù)污水處理廠日常運行數(shù)據(jù)報表，出水各項指標均能穩(wěn)定達到津標A 類標準，但對于總氮指標需時常加大葡萄糖投加量以保證其穩(wěn)定達標。

2 試驗方案

2.1 碳源投加量控制

基于污水處理廠日常穩(wěn)定生產運行參數(shù)，設定脫泥量為20 t，碳源為葡萄糖[9，10]。試驗期間，不改變廠內重點工藝參數(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。碳源投加試驗在單系列氧化溝內進行，另一系列做對照（對照組碳源投加量為140 mg/L污水）。

試驗所購葡萄糖的生化需氧量當量為0.524 7 gBOD5/gC6H12O6（理論當量為0.53 gBOD5/gC6H12O6）。依據(jù)進出水水質的保守估算，試驗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。分別進行0.7、1.0、1.4倍理論值的試驗，各投加量的試驗周期為6 d。試驗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，以提高對碳源的利用效率。試驗采取24 h不間斷溶藥罐投加方式。

2.2 污泥運行參數(shù)調控

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

污泥齡計算公式為：

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為設計污水流量（m3/d）；Xe為二沉池出水的懸浮固體濃度（kg/m3）。

實際生產中，二沉池出水懸浮物濃度較低可忽略不計。在計算中，考慮污泥齡計算為計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)場實際污泥含水率及運行情況，結合式（2），脫泥量大小與污泥齡數(shù)值大小成反比關系。本次試驗中對脫泥量進行控制，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行檢測。

2.3 水質指標檢測

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

3 結果與討論

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

試驗階段生化單元進水碳氮比值與好氧段污泥濃度的變化，如圖2 所示。試驗期間，進水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。試驗結束后，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一步增加，總氮去除率出現(xiàn)下降趨勢。此外，試驗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，進水總氮平均濃度為57.44 mg/L時，出水總氮可穩(wěn)定達標，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)姚學文[4]等人的研究，碳源的投加量大小應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。

有學者認為，系統(tǒng)污泥濃度的升高會抑制硝化、反硝化過程[12]。由于試驗周期內流量、脫泥量、內外回流比和曝氣量均不變，結合上文所述試驗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%，因此可以認為系統(tǒng)內持續(xù)增長的污泥濃度可能對系統(tǒng)總氮的去除率產生了影響。

3.1.3 技術經濟指標分析

以葡萄糖投加量為1.0倍理論值計，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)定達標的情況下，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節(jié)的空間，且脫泥量及污泥處置費用也可能由于碳源投加的原因在一定程度上增加，污水處理廠運營時可結合進水水質情況，通過聯(lián)動污泥齡與污泥濃度、脫泥量的調控，優(yōu)化工藝運行參數(shù)及操作流程，進行投加精益化管理，在確保出水總氮達標的同時，最大限度地控制運營成本。

3.2 脫泥量對總氮去除率及運行參數(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，對應平均污泥齡為15 d，生化單元進水總氮濃度為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%。脫泥量調控后（脫泥量為30 t），對應平均污泥齡為11 d，生化單元進水總氮濃度為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%。脫泥量調控前后，總氮平均去除率降低了約3.55%，調控后較調控前生化單元的脫氮效率有一定程度的下降。試驗期間，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 結論

對于低碳氮比值進水的城鎮(zhèn)污水處理廠，將適量葡萄糖由氧化溝缺氧區(qū)的適宜點位投加作為碳源，可有效提高系統(tǒng)的脫氮效率，實現(xiàn)滿足津標A類標準的出水總氮濃度。此外，通過對比，主要運行參數(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，但廠內運行參數(shù)包括流量、碳源用量、脫泥量、內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)動進水水質與碳源投加的理論計算結果，結合污泥濃度與脫泥量的調控，計算控制污泥齡，采用模糊控制進行工藝運行操作，在保障出水達標的情況下，最大限度地控制運營成本。今后，可在對污染物排放控制的基礎上，進一步開展技術、產業(yè)創(chuàng)新，有效保障水資源安全。