李航， 董立春， 方建飛， 丁力， 呂利平

1.重慶大學化學化工學院2.重慶市三峽水務有限責任公司3.長江師范學院化學化工學院

隨著“綠水青山就是金山銀山”生態(tài)環(huán)境保護發(fā)展理念的提出，全社會對生態(tài)環(huán)境質量提出了更高的要求，而污水處理作為環(huán)境質量改善的重要舉措，其目的也已從單一的滿足排放現(xiàn)狀較為排放標準升級，其中，氮、磷等營養(yǎng)元素的去除是影響標準升級的一大障礙。為此，全國范圍內掀起了提標改造的熱潮，但大部分污水處理廠經提標改造后，仍存在氮、磷等指標高位運行的問題，其主要原因是生物池進水C/N偏低。20世紀90年代以來，新建的大部分污水處理廠在預處理段幾乎都設置了初沉池，其主要目的是通過重力沉降作用盡可能去除原水中的顆粒污染物，以減輕后續(xù)生物處理單元的運行負荷。但在顆粒污染物沉降去除的同時，附著的大量有機碳源被同步去除，使得厭氧釋磷與反硝化脫氮均缺乏足夠的碳源，從而導致生物脫氮除磷效率不高[1-3]。

當前，針對脫氮除磷所需碳源不足的問題[4-5]，普遍做法是通過外加碳源的方式來實現(xiàn)氮、磷的深度去除[6-9]，但高昂的外加碳源費用在一定程度上抬高了污水處理成本，導致該方法難以規(guī)模化推廣應用。黃慶濤等[10]針對低C/N城市污水開展了外加碳源強化脫氮除磷研究，發(fā)現(xiàn)當乙酸鈉投加量為60 mg/L 時，對磷酸鹽的去除率較未投加乙酸鈉提高了18%，而出水總氮濃度降低了16.9%。顧學林[11]針對因進水C/N不足而導致的總氮不能穩(wěn)定達標的問題，通過采取外加碳源的方式將進水C/N 提升至5.8以上，成功將出水總氮濃度穩(wěn)定在12 mg/L以內，去除率顯著提升至64%以上?？梢钥闯?，采取外加碳源的方式的確可以強化出水氮、磷指標的可控性，但外加碳源所帶來的高昂運行成本卻是實際生產運行中一個無法回避的問題。

初沉池優(yōu)化運行是指將原水部分或全部超越初沉池，充分利用原水中的碳源進行厭氧釋磷與反硝化脫氮，從而達到僅依靠進水碳源實現(xiàn)氮、磷穩(wěn)定去除的目的。但在實際生產運行中，如何對初沉池的運行進行合理優(yōu)化，以實現(xiàn)水質與效益的雙贏，成為困擾工程技術人員的一大難題。

在改良型A2/O工藝基礎上，針對脫氮除磷對碳源依賴性較高的實際情況[12-13]，筆者在具體工程實例中探討了初沉池優(yōu)化運行對脫氮除磷效果的影響，以期為初沉池在污水處理廠運行中的優(yōu)化控制提供案例支撐。

1 材料與方法

1.1 污水處理廠概況

重慶市某污水處理廠設計規(guī)模為3×104m3/d，采用改良型A2/O+濾布濾池工藝，工程占地1.83×104m2，總投資約1.34億元，其具體工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Process flow chart of sewage treatment

1.2 試驗水質

試驗期間進水水質如圖2所示，該工程出水水質執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。

圖2 試驗期間進水水質Fig.2 Raw water quality during the test period

1.3 試驗背景

該工程自建成投運以來，出水總氮常年在12.0～14.0 mg/L，快超過一級A標準濃度限值，存在嚴重的水質風險。為增強指標的可控性，該工程采取了外加碳源的方式來強化生物脫氮除磷，但高昂的碳源投加費用大大提升了運行成本，使得其工藝控制模式難以復制與推廣。

1.4 設計參數與試驗安排

對改良型A2/O工藝中原水進入初沉池與超越初沉池直接進入生物池流量分配比進行研究，其中初沉池與生物池設計參數如表1所示。根據工藝需要，穩(wěn)定外回流比為60%～80%，內回流比為250%～300%，MLVSS/MLSS為0.481～0.515。調整原水進入初沉池與超越初沉池直接進入生物池的流量分配比，分別為：工況Ⅰ,10∶0；工況Ⅱ,8∶2；工況Ⅲ,6∶4；工況Ⅳ,4∶6；工況Ⅴ,2∶8；工況Ⅵ,0∶10。以此探討初沉池優(yōu)化運行對改良型A2/O 工藝脫氮除磷效果的影響。

表1 初沉池與生物池設計參數Table 1 Design parameters of primary sedimentation tank and biological tank

2 結果與討論

2.1 不同工況對總氮去除效果的影響

試驗期間，原水進入初沉池與超越初沉池直接進入生物池的不同流量分配比工況下，改良型A2/O工藝對總氮的去除情況如圖3所示。

從圖3可以看出，6種工況下進水總氮濃度總體較為穩(wěn)定，但出水總氮平均濃度分別為13.3、12.3、9.84、8.25、6.98、6.63 mg/L，下降趨勢明顯。從工況Ⅰ～工況Ⅲ，隨著原水進入初沉池流量分配比逐漸減小，出水總氮濃度由快要超過一級A標準濃度限值逐步降至8.79 mg/L，降幅達33.9%；從工況Ⅳ開始，隨著原水超越初沉池直接進入生物池流量分配比的進一步增大，出水總氮濃度繼續(xù)呈下降趨勢，并最終穩(wěn)定于一級A標準濃度限值的45%以內；而其平均去除率也由工況Ⅰ下的65.6%穩(wěn)步升至工況Ⅵ下的82.9%，提高了17.3個百分點。

圖3 試驗工況對總氮去除率的影響Fig.3 Effect of test conditions on removal rate of total nitrogen

究其原因，主要是隨著原水超越初沉池直接進入生物池流量分配比的增大，進入生物池參與反硝化脫氮的有機碳源逐漸增多，反硝化所需能量及電子供體充足，反應強度逐漸增大，脫氮率呈穩(wěn)步上升趨勢。這一解釋從圖4初沉池優(yōu)化運行對初沉池出水和生物池進水BOD5的影響可以看出。

圖4 試驗工況對初沉池和生物池BOD5的影響Fig.4 Effect of test conditions on BOD5 of primary sedimentation tank and biological tank

試驗工況下，初沉池對原水中BOD5的去除率呈上升趨勢，由工況Ⅰ下的20.6%逐步上升至工況Ⅴ下的26.9%，這主要是初沉池進水流量分配比的變化對水力停留時間的影響所致。隨著初沉池進水流量分配比的減小，原水在初沉池中的停留時間逐漸延長，造成更多有機碳源被沉降去除，但隨著超越初沉池直接進入生物池流量分配比的增大，大量有機碳源避免了被初沉池沉降去除，相比較而言，超越初沉池直接進入生物池給反硝化反應引入的有機碳源更多，更有利于生物脫氮的進行。圖5中初沉池優(yōu)化運行對生物池進水C/N和缺氧區(qū)出水硝態(tài)氮的影響也印證了這一觀點，隨著超越初沉池直接進入生物池流量分配比的增大，生物池進水C/N呈顯著上升趨勢，其平均值由工況Ⅰ下的4.32逐漸升至工況Ⅵ下的6.51，漲幅達50.7%。相反，缺氧區(qū)出水硝態(tài)氮濃度呈明顯下降趨勢，其平均值由工況Ⅰ下的4.28 mg/L逐漸降至工況Ⅵ下的0.23 mg/L，降幅達94.6%。

圖5 試驗工況對生物池進水C/N和缺氧區(qū)出水硝態(tài)氮濃度的影響Fig.5 Effect of test conditions on C/N of biological tank and nitrate nitrogen of anoxic zone

2.2 不同工況對氨氮去除效果的影響

試驗期間，原水進入初沉池與超越初沉池直接進入生物池的不同流量分配比工況下，改良型A2/O工藝對氨氮的去除情況如圖6所示。

圖6 試驗工況對氨氮去除率的影響Fig.6 Effect of test conditions on removal rate of ammonia nitrogen

從圖6可以看出，6種工況下，出水氨氮濃度穩(wěn)定較性強，總體維持在0.5 mg/L以內，說明初沉池運行工況的變化對出水氨氮濃度影響較小。究其原因，主要是氨氮的去除集中在好氧階段，雖然初沉池運行工況的改變會對生物池有機物濃度產生影響，但只要好氧階段硝化反應進展順利，溶解氧濃度水平足夠滿足氨態(tài)氮向亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮的轉化，出水氨氮濃度將不會受到影響。試驗期間，氨氮平均去除率均維持在99%以上。

2.3 不同工況對總磷去除效果的影響

試驗期間，原水進入初沉池與超越初沉池直接進入生物池的不同流量分配比工況下，總磷濃度的沿程變化及生物除磷率如圖7所示。

圖7 總磷濃度的沿程變化及生物除磷率Fig.7 Variations of total phosphorus concentration along the process flow and biological phosphorus removal rate

從圖7可以看出，6種工況下隨著原水超越初沉池直接進入生物池流量分配比的增大，厭氧區(qū)總磷濃度總體呈上升趨勢。在工況Ⅰ和工況Ⅱ下，厭氧區(qū)總磷平均濃度較低，分別為5.30和5.76 mg/L，這主要是由于工況Ⅰ和工況Ⅱ下，大量原水經初沉池重力沉降后再進入生物池，使得原水中大部分有機物在初沉池便被附帶沉降去除，厭氧區(qū)因有機碳源不足而出現(xiàn)釋磷不充分現(xiàn)象，從而導致上述工況下厭氧區(qū)總磷濃度較低；在工況Ⅲ下，厭氧區(qū)總磷濃度呈現(xiàn)急劇上升趨勢，到工況Ⅲ后期，平均濃度達7.32 mg/L，較工況Ⅰ上漲了38.1%；從工況Ⅳ～工況Ⅵ，厭氧區(qū)總磷平均濃度繼續(xù)上漲，但上漲趨勢逐漸放緩。這主要是由于隨著初沉池進水流量分配比的逐漸減小，有更多的有機物直接進入生物池參與生化反應，厭氧釋磷表現(xiàn)出強大的動力，使得厭氧區(qū)總磷濃度上升明顯。

好氧區(qū)總磷濃度水平體現(xiàn)了生物除磷率的高低。6種工況下，好氧區(qū)總磷平均濃度分別為0.85、0.67、0.34、0.20、0.18、0.16 mg/L，呈明顯下降趨勢，其生物除磷率由工況Ⅰ的85.9%升至工況Ⅵ的97.3%，增幅達11.4%。究其原因，隨著原水超越初沉池直接進入生物池流量分配比的增大，進入厭氧區(qū)有機物濃度逐漸升高，而聚磷菌(PAOs)的厭氧釋磷以及聚-β-羥丁酸(poly-β-hydroxybutyrate,PHB)的同化作用隨著厭氧區(qū)有機物濃度的升高得到了強化，這為好氧區(qū)的吸磷反應創(chuàng)造了良好先決條件。

2.4 污泥濃度與電耗分析

污水處理廠屬高電耗企業(yè)。據統(tǒng)計，其電耗成本一般占運行成本的比例達30%～60%，而其中用于好氧區(qū)的供氧電耗成本占總電耗成本的比例更是高達50%～70%[17]。電耗的高低與生物池中污泥濃度和有機物濃度水平直接相關。當污泥濃度與有機物濃度較低時，微生物數量較少，其代謝活性較弱，電耗較低；當污泥濃度與有機物濃度較高時，微生物數量較多，其代謝活性較強，電耗較高。試驗期間系統(tǒng)污泥濃度如圖8所示，電耗情況如圖9所示。

圖8 試驗工況對污泥濃度的影響Fig.8 Effect of test conditions on sludge concentration

圖9 試驗工況對電耗的影響Fig.9 Effect of test conditions on power consumption

從圖8和圖9可以看出，隨著原水超越初沉池直接進入生物池流量分配比的逐漸增大，系統(tǒng)污泥濃度與電耗均呈明顯上升趨勢。為保證整個試驗期間工藝運行穩(wěn)定，隨著工況的變化，需不斷提高系統(tǒng)污泥濃度，以確保MLVSS/MLSS相對平穩(wěn)。6種工況下平均污泥濃度分別為 4 660、4 752、4 903、5 085、5 518、6 053 mg/L，從工況Ⅱ開始，各工況下污泥濃度分別較前一工況上漲了1.97%、3.18%、3.71%、8.52%、9.70%，漲幅逐漸增大；整個試驗期間，MLVSS/MLVV總體維持為0.5左右。從工況Ⅰ～工況Ⅲ，平均電耗分別為0.320、0.327、0.337 kW·h/m3，分別較前一工況上漲了2.19%和3.06%，漲幅較?。坏珡墓rⅣ開始，平均電耗分別為0.367、0.405、0.453 kW·h/m3，分別較前一工況上漲了8.90%、10.4%、11.9%，漲幅較工況Ⅰ～工況Ⅲ明顯增大。說明原水超越初沉池直接進入生物池流量分配比進一步增大后，由于系統(tǒng)污泥濃度和有機物濃度的增加，會顯著提升污水處理廠電耗。

3 結論

(1) 原水進入初沉池與超越初沉池直接進入生物池流量分配比對出水總氮濃度和生物除磷率具有顯著影響，而對出水氨氮濃度影響較小。

(2) 改良型A2/O工藝中存在反硝化除磷現(xiàn)象，且反硝化除磷率與原水超越初沉池直接進入生物池流量分配比呈正相關。

(3) 基于6種工況，較為優(yōu)化的原水進入初沉池與超越初沉池直接進入生物池流量分配比為6∶4。該工況后期出水總氮平均濃度為8.79 mg/L，較原工況降低了33.9%，氨氮濃度低于0.5 mg/L，好氧區(qū)總磷平均濃度為0.34 mg/L，滿足一級A排放標準，電耗為0.337 kW·h/m3，僅比原工況上漲了5.31%，漲幅較小。相比于原工況而言，雖然電耗出現(xiàn)了輕微上漲，但出水水質可控性得到了進一步強化，且顯著優(yōu)于一級A排放標準。