鮑任兵,徐 健,張?jiān)浦?夏 娜,蔡世顏,杜 敬,萬年紅

(1.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北武漢 430010;2.武漢市城市排水發(fā)展有限公司,湖北武漢 430070)

在我國中部和南部地區(qū),由于存在污水收集率不高、排水管道入滲、雨污混流等問題,污水處理廠普遍存在進(jìn)水碳氮比(C/N)較低的情況[1-2],導(dǎo)致TN去除率不高,很難達(dá)到日益嚴(yán)苛的出水TN要求(TN質(zhì)量濃度≤10 mg/L或8 mg/L)。以一級A為出水標(biāo)準(zhǔn)(TN質(zhì)量濃度≤15 mg/L)的污水處理廠在提標(biāo)改造時(shí),通常采用外加碳源或新建深度脫氮單元來實(shí)現(xiàn)更低的出水TN;而在用地較為緊張的時(shí)候,外加碳源似乎成為了最為簡單的首選方案,但這不可避免地增加了污水處理廠的運(yùn)行成本,也對日常調(diào)控帶來了更大的挑戰(zhàn)[3]。如何響應(yīng)“碳中和”和“碳達(dá)峰”的目標(biāo)要求,進(jìn)一步探索更為綠色、節(jié)能的污水處理工藝及優(yōu)化調(diào)控策略,成為了當(dāng)今行業(yè)技術(shù)發(fā)展的新命題。

鑒于兩種工藝在低C/N下的處理優(yōu)勢,本研究通過將多級AO工藝作為SND的反應(yīng)主體,并引入微氧曝氣、多點(diǎn)進(jìn)水[10]等定量優(yōu)化控制措施,旨在將多段AO單元的中部實(shí)現(xiàn)SND反應(yīng)控制,并利用后段好氧區(qū)保證出水氨氮和TN濃度達(dá)標(biāo),以探究實(shí)現(xiàn)多級AO-SND的關(guān)鍵觸發(fā)條件及調(diào)控策略,為今后污水處理廠工程設(shè)計(jì)及生產(chǎn)運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 工藝流程

如圖1所示,本試驗(yàn)以三級AO為基礎(chǔ),設(shè)有多點(diǎn)進(jìn)水系統(tǒng),進(jìn)水可分別進(jìn)入生化池的厭氧區(qū)、缺氧1區(qū)、缺氧2區(qū)和缺氧3區(qū),進(jìn)水分配比可根據(jù)需要進(jìn)行靈活調(diào)整。二沉池的回流污泥先進(jìn)入污泥再生池,經(jīng)過微曝氣再生后進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)。

圖1 多級AO工藝流程Fig.1 Process Flow of Multi-Stage AO

1.2 試驗(yàn)方法

(1)設(shè)計(jì)參數(shù)

本試驗(yàn)處理規(guī)模為0.15 m3/h,主要由生化池和二沉池組成。如圖2所示,本試驗(yàn)裝置生化池尺寸(長×寬×高)為2.0 m×1.3 m×1.3 m,有效容積為2.6 m3,試驗(yàn)裝置總水力停留時(shí)間(HRT)為19.1 h。生化池共分為7個(gè)區(qū)域,污水依次通過厭氧區(qū)、缺氧1區(qū)、好氧1區(qū)、缺氧2區(qū)、好氧2區(qū)、缺氧3區(qū)、好氧3區(qū)。本試驗(yàn)裝置各段AO區(qū)容積比采用2∶3,HRT依次為1.2、1.2、3.5、2.9、4.4、2.4、3.5 h。二沉池采用中進(jìn)周出式圓形沉淀池,直徑為0.8 m。

圖2 生化池試驗(yàn)裝置Fig.2 Test Device of Biochemical Tank

(2)污泥接種

本試驗(yàn)裝置活性污泥取自廠區(qū)生化池內(nèi),經(jīng)一周時(shí)間穩(wěn)定后試驗(yàn)裝置內(nèi)污泥濃度達(dá)到穩(wěn)定,沉降性能良好,混合液懸浮固體質(zhì)量濃度(MLSS)為3 000 mg/L左右。

(3)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為多級AO工藝啟動階段和優(yōu)化運(yùn)行階段(SND啟動、進(jìn)水分配試驗(yàn))。

1.3 試驗(yàn)原水

試驗(yàn)原水取自某污水處理廠沉砂池出水,水質(zhì)數(shù)據(jù)如表1所示。本試驗(yàn)污水C/N(BOD5/TN)在1.4～1.8,而根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014—2021),C/N(BOD5/TKN)宜大于4,可見進(jìn)水中的有機(jī)碳源嚴(yán)重不足,需要重點(diǎn)關(guān)注缺氧區(qū)反硝化的實(shí)現(xiàn)條件,盡量減小好氧區(qū)的無效碳源損耗。

表1 試驗(yàn)原水水質(zhì)Tab.1 Raw Water Quality in Test

1.4 檢測指標(biāo)及分析方法

(1)檢測指標(biāo)

(1)

(3)SND貢獻(xiàn)率分析

(2)

其中:η——SND貢獻(xiàn)率;

ΔCN——進(jìn)出水TN質(zhì)量濃度差,mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 多級AO工藝啟動

中試裝置經(jīng)兩周啟動,出水CODCr、BOD5、SS、TN、氨氮能穩(wěn)定達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。其中,出水CODCr和氨氮均能達(dá)到地表Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),去除率分別穩(wěn)定達(dá)到80%和90%以上;出水TN質(zhì)量濃度位于13 mg/L左右,去除率為50%左右;而出水TP質(zhì)量濃度在啟動末期位于0.5 mg/L左右,還不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。本試驗(yàn)階段進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度為53～75 mg/L,BOD5/TN為2.59～2.76,進(jìn)水碳源不足,導(dǎo)致TN去除率不高。

2.2 運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)

(1)SND啟動

圖3 各反應(yīng)區(qū)DO濃度變化Fig.3 Dissolved Oxygen Change in Each Reaction Area

圖4 各反應(yīng)段污泥濃度變化Fig.4 Variation of Sludge Concentration in Each Reaction Section

(2)進(jìn)水分配試驗(yàn)

進(jìn)水分配比是多級AO工藝的重要運(yùn)行參數(shù),其調(diào)整將對生化反應(yīng)產(chǎn)生較大影響,并直接影響出水水質(zhì)。本試驗(yàn)多級AO工藝共設(shè)置有4個(gè)進(jìn)水點(diǎn):厭氧區(qū)、缺氧1區(qū)、缺氧2區(qū)和缺氧3區(qū)。為探究進(jìn)水分配比對多級AO工藝的出水水質(zhì)影響,本試驗(yàn)將進(jìn)水分配比設(shè)為40%∶20%∶20%∶20%(工況1)(與初始階段一致)、30%∶20%∶30%∶20%(工況2)、30%∶10%∶30%∶30%(工況3)。

本試驗(yàn)期間水溫由啟動階段的19 ℃左右逐漸降低至15 ℃以下,MLSS在5 000 mg/L左右。如圖5所示,各項(xiàng)污染物指標(biāo)均保持了較好的去除效果,其中,出水CODCr和氨氮顯著能穩(wěn)定達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn);TN去除率由50.42%提高至57.17%,TP去除率由84.10%提高至91.22%,均能達(dá)到優(yōu)于一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 各進(jìn)水分配下主要污染物去除性能Fig.5 Removal Performance of Main Pollutants under Each Influent Distribution

圖6 各運(yùn)行工況出水氮成分變化Fig.6 Variation of Nitrogen Composition in Effluent under Various Operation Conditions

2.3 SND過程分析與優(yōu)化調(diào)控

圖7 工況2和工況3下各反應(yīng)區(qū)氮組分濃度變化Fig.7 Variation of Nitrogen Component Concentration in Each Reaction Area in Working Condition 2 and 3

然而,工況3下出水TN去除率較低,整體反硝化程度不足。進(jìn)一步對工況3情況下的各反應(yīng)區(qū)CODCr、氨氮和DO進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)好氧2區(qū)內(nèi)CODCr和氨氮質(zhì)量濃度分別為27 mg/L和0.3 mg/L左右,而出水卻較差,好氧2區(qū)和好氧3區(qū)內(nèi)DO質(zhì)量濃度分別為2.2 mg/L和2.5 mg/L,說明好氧2區(qū)內(nèi)有機(jī)物氧化和硝化反應(yīng)較完全,而好氧3區(qū)由于進(jìn)水比例增大,氧化反應(yīng)不夠充分。通過調(diào)整閥門進(jìn)一步優(yōu)化曝氣量控制,將好氧2區(qū)內(nèi)DO質(zhì)量濃度控制在1.0～1.5 mg/L,將好氧3區(qū)內(nèi)DO質(zhì)量濃度控制在2.8～3.0 mg/L,出水TN去除率提高至60%左右。

在保證出水CODCr和氨氮高去除率的基礎(chǔ)上,工況3下氣水比為3.5∶1,相較于啟動階段(4∶1)所需的曝氣量減小了12.5%左右。如表2所示,工況2和3運(yùn)行條件實(shí)現(xiàn)了在更低的BOD5/TN進(jìn)水條件下較高的TN去除率。ΔBOD5/ΔTN反映在去除相同TN情況下的有機(jī)碳源需求量,通過計(jì)算工況3相較于啟動階段,可節(jié)省碳源量為20%左右,也即在相同的進(jìn)水水質(zhì)條件下,采用工況3運(yùn)行可提升約27%的TN去除率。

表2 各工況下進(jìn)水碳源及TN去除性能對比Tab.2 Comparison of Influent Carbon Source and TN Removal Performance in Each Working Condition

3 結(jié)論

(1)為強(qiáng)化多級AO工藝的脫氮性能,在水溫位于14 ℃以上時(shí),可采用微氧環(huán)境運(yùn)行,使好氧1區(qū)和好氧2區(qū)DO質(zhì)量濃度位于1.5 mg/L左右,好氧3區(qū)DO質(zhì)量濃度位于2.0 mg/L左右,并盡量降低厭氧和缺氧區(qū)DO;增大MLSS,使好氧3區(qū)MLSS增大到4 000 mg/L以上;增設(shè)污泥再生區(qū),控制低溶氧曝氣(DO質(zhì)量濃度=0.2～0.5 mg/L),增強(qiáng)污泥活性。

(2)在進(jìn)水BOD5/TN為2.59～2.76下,多級AO工藝通過多點(diǎn)進(jìn)水方式可有效提高TN和TP去除性能。在水溫為14 ℃、進(jìn)水TN質(zhì)量濃度為25 mg/L左右下,進(jìn)水分配比設(shè)為30%∶20%∶30%∶20%時(shí),TN去除率最高;對于TP的去除情況,隨著第一段AAO的進(jìn)水分配比的減小,去除率略有下降,但總體上去除率較為穩(wěn)定,控制第一段AAO進(jìn)水分配比為50%～60%的條件下,出水TP質(zhì)量濃度能穩(wěn)定達(dá)到0.3 mg/L左右。

(3)當(dāng)水溫低于15 ℃時(shí),可通過提高pH值達(dá)到7.5以上,MLSS為4 000～5 000 mg/L,實(shí)現(xiàn)多級AO工藝的SND快速啟動;當(dāng)水溫低于12 ℃時(shí),在低溫條件下微氧條件運(yùn)行有氨氮超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn),不適宜采用SND方式運(yùn)行。

(4)進(jìn)水分配比為30%∶10%∶30%∶30%,好氧2區(qū)內(nèi)DO質(zhì)量濃度控制在1.0～1.5 mg/L,將好氧3區(qū)內(nèi)DO質(zhì)量濃度控制在2.8～3.0 mg/L,實(shí)現(xiàn)了較高的SND反應(yīng)發(fā)生,占全部脫氮量的23%左右,降低了12.5%的曝氣量和20%的碳源需求,能有效降低運(yùn)行成本,實(shí)現(xiàn)水質(zhì)進(jìn)一步提升。