段凱波

(1.福建上源環(huán)保股份有限公司,福建福州 350019;2.福州創(chuàng)源同方水務有限公司, 福建福州 350018)

缺氧-好氧(AO)工藝的出現(xiàn)以脫氮工藝為發(fā)展基礎,經(jīng)近幾十年技術的持續(xù)提升和廣泛應用,已發(fā)展至具有常規(guī)、倒置、強化脫氮和強化除磷等多種可應用模式。AO工藝因采用連續(xù)進出水、具有較強的抗水質(zhì)水量沖擊性以及可進行多模式調(diào)節(jié)等優(yōu)勢而被廣泛應用于現(xiàn)代污水處理過程。隨著國內(nèi)眾多生活污水處理廠提標改造的完成,尾水排放執(zhí)行標準由原來的一級B標準提高至一級A標準,提標后關鍵污染物總氮(TN)的排放質(zhì)量濃度上限由原來的20 mg/L降低至15 mg/L,其穩(wěn)定達標排放成為不少污水處理廠面臨的新難題[1]。

在一級B排放標準下,一般不設置深度處理工藝段,生物反應池可兼具脫氮和除磷功能。提標至一級A排放標準后,生物反應池因空間受限而難以增加池容,多數(shù)污水廠在提標后采用普通強化生物脫氮工藝,這種工藝總體比較簡單,脫氮效果偏差。這種工藝結(jié)構(gòu)上僅有單一的缺氧段和好氧段,一般只對重要的影響因素(曝氣和碳源)進行簡單調(diào)控,碳源投加方式也多采用粗放的前端單點投加,最大的問題是反硝化時間偏低,而硝化時間又存在富余,很難通過運行調(diào)控滿足新標準下TN的穩(wěn)定達標。因此,需要提供更精細的技術手段,如調(diào)節(jié)適宜的DO濃度、優(yōu)化的投加碳源方式、調(diào)節(jié)混合液回流比和選擇合適的MLSS濃度等[2],甚至進行池容技術改造,使其轉(zhuǎn)化為更高效的脫氮方式[3]。

然而脫氮效率與污水中微生物種類[4-5]、碳源、DO、進水TN濃度處理水量、污泥濃度、水力停留時間、pH和溫度等眾多因素有關,不僅各因素之間相互影響,而且各個因素對于處理生物反應池中不同污染物的效率也會產(chǎn)生影響,相互之間的關系錯綜復雜,且反硝化作用本身為緩慢的生化過程[6]。因此,僅通過頻繁的工藝調(diào)節(jié)已經(jīng)無法穩(wěn)定滿足一級A標準下TN的達標排放,同時這也會阻礙污水處理的進一步提標。

本研究通過福建省沿海某城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造,將原有普通強化生物脫氮AO工藝改造為改良型多級AO脫氮工藝,分析了原有工藝的問題,對比了改造前后的運行效果,總結(jié)了改良型多級AO脫氮工藝的技術方案特點和運行經(jīng)驗,可為存在此類問題且用地緊張的污水廠升級改造提供技術參考,以實現(xiàn)關鍵污染物TN滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)[7]中的一級A穩(wěn)定達標排放。

1 研究方法

1.1 工程改造方案

福建省沿海某城鎮(zhèn)污水處理廠處理水量為5萬m3/d,其進水主要為生活污水,含少量餐飲酒店、印染等廢水。2018年—2021年平均進水CODCr質(zhì)量濃度為143 mg/L,平均進水BOD5質(zhì)量濃度為56 mg/L,平均進水TN質(zhì)量濃度為27.7 mg/L,BOD5/TN≈2.02,進水碳源明顯不足。

為提升出水標準至一級A標準,該廠生化池于2018年改造為普通強化生物脫氮AO工藝,流程如圖1所示。該工藝取消了厭氧段而保留缺氧段+好氧段,并配置一定比例的污泥回流和混合液回流,在好氧段進行CODCr的降解以及有機氮和氨氮的硝化,最后在缺氧段進行反硝化作用實現(xiàn)脫氮目標,而將除磷的任務交由后端的深度處理段。六格缺氧段總水力停留時間為4.44 h,三廊道好氧段總水力停留時間為6.70 h。

圖1 常規(guī)強化生物脫氮AO模式Fig.1 Conventional Enhanced Biological Denitrification AO Mode

2019年該廠應用改良型多級AO生物脫氮工藝調(diào)整生化池,并在2020年—2021年投入研究,工藝流程如圖2所示。該工藝為AOAO結(jié)構(gòu)。在原有“六格三廊道”AO結(jié)構(gòu)基礎上,保持“六格”缺氧段不變,定為第一缺氧段(A1)。而將好氧段約45%的池容轉(zhuǎn)化為缺氧段,即好氧段第二廊道和第三廊道前半段改造為缺氧段,定為第二缺氧段(A2)。原好氧段被A2分隔為O1和O2兩個好氧段,A2缺氧段水力停留時間為3.01 h,加上A1的4.44 h,缺氧段總水力停留時間增至7.45 h,好氧段總水力停留時間降至3.69 h。

圖2 改良型多級AO生物脫氮工藝Fig.2 Modified Multi-Stage Biological Denitrification AO Process

1.2 改造后的技術特征

A1缺氧段中每格安裝1臺推流器。此外,在改造的A2缺氧段再增加4臺推流器,分別安裝于第二廊道的頭部、中部和尾部以及第三廊道的中部,確保生物反應池中污水持續(xù)向前流動而無污泥沉積。該缺氧段底部仍鋪設曝氣頭,曝氣改為可調(diào)模式,即在分支曝氣管道上安裝閥門調(diào)節(jié)開度或啟閉,可實現(xiàn)好氧和缺氧的功能切換。

該生化系統(tǒng)依據(jù)需要采用多點投加方式投加液態(tài)碳源乙酸鈉[8],其第1投加點位設于A1缺氧段第二格,第2點位設于A2缺氧段第一臺和第二臺推流器之間,第3點位設于A2缺氧段第3臺推流器附近,投加量以點位1為主。投加點位的設置同時需考慮點位正常運行條件下的DO濃度不宜過高,以避免投加后碳源被化學氧化而快速消耗。

生物反應池末端安裝硝氮監(jiān)測儀,信號連接至中控室,可實時監(jiān)測本系統(tǒng)處理后的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的總濃度。經(jīng)曝氣后氨氮質(zhì)量濃度可低至約0.3 mg/L,因此,硝態(tài)氮濃度基本代表了TN濃度,可根據(jù)數(shù)值高低進行投藥、曝氣、回流、進水等工藝調(diào)節(jié)。

改良型多級AO工藝實質(zhì)上仍為強化生物除氮技術,但相比傳統(tǒng)的普通強化脫氮AO工藝,其技術改進之處主要表現(xiàn)為:①生物反應池總池容保持不變,45%好氧段池容改造為缺氧段,使得缺氧段總水力停留時間大幅增加至7.45 h,提高了約67.8%。同時新增缺氧段曝氣可靈活調(diào)控,推流器可保證泥水混合;②碳源投加點由原來的1處增加至3處,提升碳源使用效率;③實現(xiàn)多個缺氧段的DO質(zhì)量濃度監(jiān)測,并將其控制在0.2～0.5 mg/L,滿足缺氧環(huán)境需要;④在生物反應池末端增設硝氮在線監(jiān)測儀,實時監(jiān)測出水TN濃度變化,為運行參數(shù)地調(diào)節(jié)作參考。

1.3 調(diào)控方法

研究時間為2018年—2021年,幾個重要的時間階段如下:①2018年持續(xù)采用普通強化生物脫氮工藝;② 2019年實施并完成改良型多級AO工藝技術提升;③2020年—2021年對改良型多級AO脫氮工藝開展運行調(diào)控。2018年—2021年的3月—4月連續(xù)兩月檢測每日生化處理段進、出水TN和氨氮濃度,開展兩種工藝下TN去除效果對比。

2019年改造為多級AO工藝后,加強了對運行參數(shù)的調(diào)控。正常運行時,進水總量的80%從第1格進入,其余從第2格進入;A2缺氧段底部曝氣關閉,同時所有推流器開啟,O1和O2好氧段曝氣開啟;內(nèi)回流比調(diào)節(jié)為100%～200%,初始控制在150%,混合液回流全部進入第1格;外回流比為50%～100%,初始控制為50%;運行調(diào)控水溫為14～20 ℃;缺氧段氧化還原電位(ORP)為-200～-50 mV;pH值為6～8;通過加大或減小剩余污泥排量以及調(diào)控外回流比實現(xiàn)MLSS在4 000～5 500 mg/L;通過調(diào)節(jié)鼓風機頻率及氣閥開度調(diào)控曝氣量實現(xiàn)好氧段DO質(zhì)量濃度在2.0～5.0 mg/L;缺氧段DO質(zhì)量濃度控制在0.1 mg/L以上,若低于0.08 mg/L,則加大內(nèi)回流工作頻率以提高混合液回流比,確保DO質(zhì)量濃度不超過0.5 mg/L;在生物反應池末端安裝的DO儀可實現(xiàn)對好氧段DO濃度的實時監(jiān)測,同時根據(jù)需要利用便攜式DO儀跟蹤,控制池上各段位保持合適DO濃度。

依據(jù)硝氮儀監(jiān)測的濃度決定是否投加碳源及其他工藝調(diào)控。實際運行經(jīng)驗表明,當硝態(tài)氮質(zhì)量濃度大于13 mg/L時,液態(tài)乙酸鈉總閥開度調(diào)為50%;當硝態(tài)氮質(zhì)量濃度大于14 mg/L時,說明存在出水TN超標風險,碳源總閥開度調(diào)至80%以上,同時混合液回流比需調(diào)至200%;若硝態(tài)氮質(zhì)量濃度高于15 mg/L,需降低進水量;當硝態(tài)氮質(zhì)量濃度低于12 mg/L時,可停止加藥,維持混合液回流比為150%即可。若要投加碳源,60%藥量從第1點位加入,其余均勻分配至第2、第3點位。

調(diào)控中更注重DO濃度、碳源、水力停留時間、MLSS、混合液回流比等重要的脫氮影響因素,在實際運行中,分析各因素對脫氮的影響,參數(shù)盡可能向著有利于提升脫氮效率的理論值設置。

1.4 檢測項目及方法

水質(zhì)TN的測定采用《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)[9];氨氮的測定采用《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)[10];CODCr的測定采用《水質(zhì) 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》(HJ 828—2017)[11];BOD5的測定采用《水質(zhì) 五日生化需氧量(BOD5)的測定 稀釋與接種法》(HJ 505—2009)[12];DO、MLSS、ORP和硝氮儀采用德國WTW在線監(jiān)測儀實時檢測;生物反應池各段位DO濃度采用美國哈希HQ30d便攜式DO儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 普通強化脫氮AO與改良型多級AO脫氮效果比較

在2019年完成從普通強化脫氮AO工藝到改良型多級AO脫氮工藝的技術改造,選取2018年技改前與2020年—2021年改造后3月—4月的水質(zhì)進行TN去除效果對比。水質(zhì)數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn),2018年普通強化脫氮工藝下TN平均去除率約為48.9%,與朱開貞等[13]報道的(AO)2-SBR工藝下的TN去除率(47.03%)相當。經(jīng)改造后,2020年和2021年多級AO工藝平均出水TN質(zhì)量濃度分別為10.9 mg/L和12.6 mg/L,TN平均去除率分別提升至57.4%和63.0%,最高達77.8%,2021年脫氮率比2018年提高了約28.8%。另外,出水氨氮質(zhì)量濃度為0.3～0.5 mg/L,低于一級A標準的5 mg/L,可實現(xiàn)出水穩(wěn)定達標。

表1 多級AO和普通強化脫氮AO的脫氮效果對比Tab.1 Denitrification Comparison of Multi-Stage AO and Conventional Enhanced Denitrification AO

分析全年平均TN去除率,數(shù)據(jù)如表2所示,2018年TN平均去除率為47.6%,而2020年和2021年分別為58.2%和61.5%,平均出水TN質(zhì)量濃度分別為11.4 mg/L和11.9 mg/L,2021年多級AO工藝穩(wěn)定運行階段平均TN去除率比2018年提高了約29.2%。

總體來說,通過提標改造,脫氮效率大幅提升,達到了預期效果,氨氮與TN均能穩(wěn)定達到一級A標準。這主要得益于池容重新分配后,缺氧段池容大幅增加了67.8%,極大地延長了反硝化作用時間。另外,缺氧段DO濃度均調(diào)控在了合理的范圍內(nèi),以及依據(jù)硝態(tài)氮在線監(jiān)測濃度實時指導碳源投加,均有利于提高反硝化效率。

表2 2018年—2021年平均TN去除率統(tǒng)計Tab.2 Average Removal Rate of TN Statistics from 2018 to 2021

2.2 改良型多級AO脫氮分析

2.2.1 普通強化脫氮AO工藝脫氮效率提升空間分析

一級A提標改造后,最初采用的普通強化生物脫氮AO工藝存在的問題以及可進行脫氮效率提升的空間,可從以下幾個方面分析。

(1) DO濃度需更精準地調(diào)控。生物反應池脫氮效果首先取決于缺氧段DO,理論上0.2～0.5 mg/L為理想的脫氮環(huán)境,偏高和偏低都會影響反硝化效率,且過高會直接化學消耗部分碳源[14]。然而普通強化脫氮AO模式實際運行過程中DO質(zhì)量濃度往往會低至0.05～0.1 mg/L[15],這在一定程度上會降低反硝化反應速率。如圖3所示,2018年8月某次檢測生物反應池各段DO濃度結(jié)果顯示,缺氧段第1～第6格DO質(zhì)量濃度均低于0.2 mg/L,第2、第3和第5格在0.05～0.1 mg/L,第6格甚至低至0.04 mg/L,結(jié)果當月出水TN質(zhì)量濃度高達13 mg/L,2018年其他多個月份也出現(xiàn)出水TN質(zhì)量濃度高于13 mg/L。對比進水TN濃度相當?shù)?020年,因?qū)θ毖醵蜠O濃度基本調(diào)控為理論值,各月平均出水TN質(zhì)量濃度則低至11 mg/L。因此,加強對DO的監(jiān)測并精準控制在合理范圍內(nèi)還能提高脫氮效率[16]。

注:單位為mg/L。圖3 2018年8月生物反應池各段的DO水平檢測結(jié)果Fig.3 Test Results of DO Levels in Different Sections of Biological Reaction Tank in August 2018

(2) 碳源投加方案需進一步優(yōu)化。理論上BOD5/TN>2.86時,可進行反硝化,該值越大,反硝化越徹底[17]。南方城市常存在部分雨水混進污水而導致進水BOD5偏低的問題[18],因此,需要補充碳源。普通強化脫氮AO工藝相對比較簡單,僅有一段缺氧段。因此,一般僅在缺氧段前端單點一次性投加以補充碳源,但可能出現(xiàn)的問題包括:① 高DO濃度的回流混合液化學消耗了部分碳源;② 在缺氧段后段仍會出現(xiàn)碳源不足,從而對反硝化作用產(chǎn)生負面影響[19]。因此,在改造為多級AO工藝時,根據(jù)其工況,可在A1和A2兩個缺氧段分別設置碳源投加點實現(xiàn)多點投加,且均有充足的硝化液補充作為反硝化的物質(zhì)基礎。另外,A1作為主要的反硝化工藝段應分配更多的藥量,以實現(xiàn)更佳的碳源利用效率。

(3) 好氧段水力停留時間(TO)和缺氧段水力停留時間(TA)的調(diào)整。TA越大,越有利于脫氮,提高混合液回流和增大缺氧段池容均會增大TA,但混合液回流過高會影響處理能力。國內(nèi)提標前建設投產(chǎn)的AAO工藝污水廠,一般好氧段比缺氧段水力停留時間長,TA/TO多在40%～70%,如本研究中原有普通強化脫氮AO工藝TA/TO為66.3%。其原因是以往生物反應池削減的污染物以氨氮和CODCr為主,這兩種污染物主要在好氧段處理,且可將其濃度控制得遠低于排放標準,例如氨氮質(zhì)量濃度可低至0.5 mg/L以下[20],CODCr質(zhì)量濃度可低至10～20 mg/L。然而,提標至一級A排放標準后,生物反應池總池容未變,原有的工藝處理后,出水TN質(zhì)量濃度常為13.0～15.0 mg/L,甚至存在超標的風險,TN去除率一般低至50%以下。因此,原工藝設置已經(jīng)無法滿足新標準下TN出水穩(wěn)定達標的要求,繼續(xù)維持原有的TO/TA值,氨氮和CODCr處理后濃度仍遠低于一級A排放標準,而出水TN濃度卻處于較高的水平。因此,完全可將部分好氧段改造為缺氧段,以減小好氧段水力停留時間,并增大缺氧段水力停留時間以保障反硝化作用更充分進行,進一步降低TN濃度。因此,本次技改至多級AO工藝,將部分好氧段池容分配給了缺氧段,TA/TO為201.9%,TN去除率從原工藝的47.6%提高至現(xiàn)工藝的60%以上,平均出水TN質(zhì)量濃度維持在11.7 mg/L,且出水氨氮和CODCr質(zhì)量濃度分別仍控制在0.5 mg/L以下和20 mg/L左右,穩(wěn)定地實現(xiàn)這些關鍵污染物的一級A達標排放。

(4) 在TN處理過程中進行實時動態(tài)監(jiān)測,作為多級AO工藝的配套技術,以指導工藝調(diào)整。污水處理廠一般僅在末端出水處安裝總氮在線監(jiān)測儀,監(jiān)測尾水TN排放濃度,而在生化反應段安裝TN監(jiān)測儀的情況鮮見。因此,當發(fā)現(xiàn)出水TN濃度偏高或面臨超標風險再對生物反應池工藝進行調(diào)整具有滯后性,常無能為力。因此,有必要在多級AO工藝中O2好氧段增設TN在線監(jiān)測儀,在處理過程中實時跟蹤TN濃度,并依據(jù)TN濃度高低指導碳源投加、回流比調(diào)節(jié)、進水量控制等工藝調(diào)整,會更加快速和準確地做出對策響應。例如,當監(jiān)測的TN質(zhì)量濃度高于14 mg/L時,應立即采取提高內(nèi)回流比、調(diào)大碳源開度等措施,必要時還需調(diào)小進水堰門開度,降低生物反應池進水量。因此,在生化反應段就能跟蹤TN處理的達標情況。

2.2.2 改良型多級AO工藝脫氮優(yōu)勢

改良型多級AO工藝有利于提高脫氮效果的主要原因如下。

一是缺氧段水力停留時間得到大幅增加,反硝化進行更充分,TN去除率高,同時也不影響氨氮處理效果。

二是建立在DO濃度基礎上碳源多投加點位的設計,使得碳源的投加更精準,利用更高效,減少了聚磷菌和其他微生物對碳源的攝取以及化學消解。

三是兩缺氧段拉開一定間距,回流的硝化液和O1好氧段產(chǎn)生的硝化液分別為A1缺氧段和A2缺氧段的反硝化作用提供充足的物質(zhì)基礎,且分配均衡,相比普通強化脫氮AO模式下僅依賴內(nèi)回流補充硝化液更合理。

四是依據(jù)硝氮儀反饋的濃度數(shù)值,更易于指導朝著有利于脫氮效果提升的方向進行工藝調(diào)節(jié)。

2.2.3 多級AO工藝的節(jié)能降耗效應

(1) 多級AO工藝實際運動過程中具有較好的節(jié)能效果。從理論和實際運行分析來看,多級AO工藝比普通強化脫氮AO工藝更節(jié)約電耗。一是通過池容重新分配,好氧段池容減少了,對應的好氧段曝氣區(qū)域也減少了,理論上曝氣范圍降低了45%,曝氣更集中和有效[21];二是O1好氧段產(chǎn)生部分硝化液補給A2缺氧段,可在一定程度上減輕A1缺氧段前端混合液回流壓力,由原工藝通常設置的回流比200%調(diào)低至多級AO工藝的150%。污水廠這兩種大功率設備工作負荷的降低可減少一定的電耗。本研究中2018年—2021年各年平均噸水電耗如表3所示,噸水電耗呈現(xiàn)逐步下降趨勢,從2018年的0.239 kW·h/m3降至2021年的0.197 kW·h/m3,總降幅約為17.6%,表明技術改造為多級AO工藝起到了較好的節(jié)能效果。

表3 2018年—2021年各年平均噸水電耗Tab.3 Average Power Consumption per Cubic Meter Wastewater from 2018 to 2021

(2) 多級AO工藝實際運行過程中藥劑消耗分析。污水處理中影響碳源用量的因素眾多,包括:① 進出水TN濃度;② 實際處理水量;③進出水BOD5濃度;④ 每批次碳源有效成分含量;⑤ 不同時期MLSS濃度差異;⑥ 其他微生物對碳源的消耗;⑦ 不同人員加藥操作的精細控制程度。因此,難以全面考慮這些因素構(gòu)建一個藥劑使用的綜合考核指標,從技術層面評價藥劑的節(jié)省效應。本研究提出“噸氮藥耗”指標,即每削減1 t TN需要的碳源有效成分,綜合考慮了進出水TN濃度、實際處理水量、碳源定為液態(tài)乙酸鈉、碳源有效成分含量等主要因素,比較適用于強化脫氮工藝,可粗略評價多級AO工藝藥劑節(jié)省效應。通過計算,2018年—2021年各年平均噸氮藥耗分別為654.28、627.85、633.80 kg和611.39 kg,2021年比2018年降低了約6.6%。表明改造為多級AO工藝,具有一定的降低藥耗效果,但不太明顯,有待進一步提高。

綜上,改良型多級AO工藝脫氮效率明顯優(yōu)于普通強化生物脫氮AO工藝。同時,曝氣和內(nèi)回流的減少也起到了降低電耗作用。另外,在實際應用中發(fā)現(xiàn),多級AO工藝具有更強的抗水量和高TN濃度進水的沖擊性,可較好地實現(xiàn)滿負荷甚至略超負荷運行,也能對較高TN濃度的進水起到更好的脫氮效果。例如,當2021年度偶爾出現(xiàn)進水TN接近或者超過設計質(zhì)量濃度闕值(40 mg/L)時,該工藝也能實現(xiàn)TN有效處理至達標排放要求。

3 結(jié)論

(1) 本研究的多級AO工藝布局為AOAO結(jié)構(gòu),通過池容重新分配,缺氧段水力停留時間從4.44 h提高至7.45 h,比普通強化脫氮AO工藝提高了67.8%,為好氧段水力停留時間的201.9%。該工藝穩(wěn)定運行時平均出水TN質(zhì)量濃度為11.9 mg/L,平均出水氨氮質(zhì)量濃度為0.3～0.5 mg/L,較好地滿足了一級A排放標準。TN最高去除率達77.8%,2021全年平均去除率為61.5%,比普通強化脫氮AO工藝的47.6%(2018年),提高了約29.2%,表明多級AO工藝具有更佳的脫氮效果。

(2) 多級AO工藝新增缺氧段底部采用曝氣可調(diào)和推流攪拌配套技術,確保污水正常流動;依據(jù)池上各段DO濃度布設碳源投加點位,穩(wěn)定運行時藥耗比普通強化脫氮工藝降低了約6.6%,碳源利用相對更高效,且有進一步提升的空間;生物反應池末端安裝的硝氮監(jiān)測儀可指導對該系統(tǒng)朝著理想的脫氮效果進行工藝調(diào)控。

(3) 該多級AO工藝具有較好的節(jié)能效果,噸水電耗呈逐年下降趨勢,2021年穩(wěn)定運行時噸水電耗僅0.197 kW·h,比普通強化脫氮工藝降低了約17.6%。

該工藝進一步研究可朝著提高反硝化碳源利用效率、降低單位電耗等方向進行。