趙白恩,王維紅,康增彥

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052;2.中建三局安裝工程有限公司,湖北武漢 430079)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展,城鎮(zhèn)水污染問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重,國(guó)家因此將水污染防治提高到戰(zhàn)略高度[1]。治理水污染的一個(gè)重要舉措就是興建污水處理廠,集中處理,達(dá)標(biāo)排放。新疆地區(qū)入冬之后,氣溫驟降,微生物活性降低,生化反應(yīng)遲緩,出水水質(zhì)時(shí)有波動(dòng)。本文以新疆某污水廠為例,在其出現(xiàn)出水總氮(TN)、氨氮超標(biāo)的情況后,通過(guò)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)指標(biāo)的跟蹤監(jiān)測(cè),分析問(wèn)題并提出改進(jìn)優(yōu)化措施,穩(wěn)定運(yùn)行階段出水氨氮和TN均值分別為5.47 mg/L和11.92 mg/L,實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。此次主要是對(duì)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)控。結(jié)果表明,針對(duì)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)控,對(duì)運(yùn)行效能有較為顯著的影響,可為該地區(qū)相關(guān)工程的類似問(wèn)題提供一定的借鑒和指導(dǎo)。

1 工程概況

新疆某污水處理廠來(lái)水主要包括附近工業(yè)園區(qū)的工業(yè)廢水和周邊約7萬(wàn)人口的生活污水。設(shè)計(jì)規(guī)模為30 000 m3/d;最大時(shí)流量為1 775 m3/h,平均時(shí)流量為1 250 m3/h,設(shè)計(jì)時(shí)變化系數(shù)為1.20。

1.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

該污水廠出水執(zhí)行一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Designed Influent and Effluent Water Quality

1.2 工藝流程

廠區(qū)主體工藝采用水解酸化+改進(jìn)序批式活性污泥法(SBR)處理工藝。污水通過(guò)隔油沉砂池,去除表層油污,初步排沙。然后經(jīng)粗格柵、細(xì)格柵過(guò)濾掉不溶性雜質(zhì),旋流沉砂池進(jìn)一步排沙。出水進(jìn)入水解酸化池和改進(jìn)SBR反應(yīng)池進(jìn)行生物處理。剩余污泥排入集泥池,一部分(40%)進(jìn)入污泥脫水間,一部分(60%)作為回流污泥流入水解酸化池。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process Flow

1.3 改進(jìn)SBR反應(yīng)池

改進(jìn)SBR池為A、B、C 3個(gè)水力相連通的等容積矩形池,交替進(jìn)出水,每個(gè)周期為好氧曝氣1.5 h,沉淀0.5 h,出水2.0 h,每一階段由自控設(shè)備實(shí)現(xiàn)4 h自動(dòng)切換,2個(gè)階段共8 h。沉淀池切換成進(jìn)水好氧池時(shí),池中高濃度剩余污泥與高濃度進(jìn)水相遇,在時(shí)間上形成推流式反應(yīng)器模式,有助于提高效能。曝氣和沉淀合用一池,不需要內(nèi)循環(huán)污泥回流系統(tǒng),可以通過(guò)調(diào)整排泥量和沉降時(shí)間調(diào)節(jié)回流。出水時(shí)段可以使沉淀池內(nèi)的SS繼續(xù)下降,出水CODCr濃度逐漸變小,池內(nèi)由缺氧反應(yīng)走向厭氧反應(yīng),進(jìn)一步反硝化降低出水的氨氮和TN。每個(gè)池均設(shè)供氧曝氣設(shè)備,邊池A、C既可作曝氣池,也可階段性改變進(jìn)水方向,切換作為沉淀、出水池,中間B池只作曝氣池。該工藝可在一個(gè)反應(yīng)器中完成有機(jī)污染物的生物降解和泥水分離的功能。為了加強(qiáng)厭氧反硝化,還增加了靈活運(yùn)行的A池作為階段缺氧池。SBR反應(yīng)池運(yùn)行如圖2所示。

圖2 SBR反應(yīng)池運(yùn)行Fig.2 SBR Reactor Operation

2 問(wèn)題診斷及分析

2.1 近期進(jìn)出水水質(zhì)變化分析

目前,國(guó)內(nèi)污水處理廠大多采用活性污泥及其衍生改良工藝,工藝成熟,成本低且處理效果穩(wěn)定。但作為生物處理法的一種,其受外界環(huán)境因素影響較大。新疆某污水處理廠在進(jìn)入冬季之后出現(xiàn)了出水氨氮和TN超標(biāo)的情況。出水TN、氨氮超標(biāo)對(duì)環(huán)境的影響是巨大的,是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要推手,也是水體常見(jiàn)有毒有害物質(zhì)的形成原因[2],必須得到有效的處理。新疆地區(qū)近年來(lái)發(fā)展迅速,工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,工業(yè)廢水產(chǎn)量與日俱增,污水性質(zhì)與設(shè)計(jì)之初已有較大差異。生化處理系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力是有限的,進(jìn)水CODCr、氨氮及TN濃度過(guò)高也有可能是引起出水TN、氨氮超標(biāo)的原因。故對(duì)近期的進(jìn)出水CODCr、氨氮和TN濃度進(jìn)行分析是必要的。

① CODCr濃度變化分析

該污水處理廠1月31 d的進(jìn)出水CODCr變化及去除率如圖3所示。

圖3 進(jìn)出水CODCr濃度及去除率變化Fig.3 Changes of Influent and Effluent CODCr Concentration and Removal Rate

由圖3可知,日均進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度為376～672 mg/L,日進(jìn)水最大值可達(dá)1 402 mg/L。日均出水CODCr質(zhì)量濃度為28～72 mg/L,均值為46 mg/L,平均去除率為92.3%,達(dá)標(biāo)率為100%。日均出水CODCr波動(dòng)較大,但處于合理范圍內(nèi),出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo),系統(tǒng)對(duì)CODCr的抗沖擊能力較強(qiáng)。

② 氨氮濃度變化分析

該污水處理廠1月31 d的進(jìn)出水氨氮變化及去除率如圖4所示。

圖4 進(jìn)出水氨氮濃度及去除率變化Fig.4 Changes of Ammonia Nitrogen Influent and Effluent Concentration and Removal Rate

由圖4可知,日均進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為45～55 mg/L,日進(jìn)水最大值為69 mg/L。日均出水氨氮在24～30 mg/L,均值為28 mg/L,平均去除率在44 %左右,全月31 d均超標(biāo)。日均進(jìn)水氨氮濃度雖然有較大波動(dòng),但仍在合理范圍內(nèi),出水氨氮濃度趨于平穩(wěn),表明出水氨氮濃度超標(biāo)受低溫(-7～12 ℃)影響較大,是出水氨氮超標(biāo)的主要影響因素。

③ TN濃度變化分析

該污水處理廠1月31 d的進(jìn)出水TN變化及去除率如圖5所示。

圖5 進(jìn)出水TN濃度及去除率變化Fig.5 Changes of Influent and Effluent TN Concentration and Removal Rate

由圖5可知,日均進(jìn)水TN質(zhì)量濃度為70～110 mg/L,日進(jìn)水最大值為188 mg/L,超設(shè)計(jì)值1.55～2.45倍,波動(dòng)劇烈。日均出水TN質(zhì)量濃度在34～46 mg/L,平均去除率在50%左右,全月31 d均超標(biāo)。顯然,進(jìn)水TN濃度過(guò)大,超過(guò)了系統(tǒng)的承受能力,加上低溫影響微生物活性,最終導(dǎo)致出水TN超標(biāo)嚴(yán)重。

綜上,進(jìn)水TN超過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量是造成出水TN超標(biāo)的主要原因,而低溫是導(dǎo)致出水氨氮超標(biāo)的主要原因。調(diào)查發(fā)現(xiàn),近些年來(lái)新疆地區(qū)發(fā)展迅速,工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,工業(yè)廢水排放量也水漲船高。該污水處理廠設(shè)計(jì)投運(yùn)初期至今,進(jìn)水中工業(yè)廢水占比由最初的10%增長(zhǎng)至35%,氮負(fù)荷較大,又適逢新疆最冷的月份,這才導(dǎo)致出水TN、氨氮超標(biāo)。生物脫氮主要依靠硝化和反硝化菌。硝化菌多為中溫菌,適宜溫度在30 ℃附近,低溫會(huì)降低其活性,延長(zhǎng)其世代時(shí)間[3]。研究[4-5]顯示,當(dāng)溫度低于4 ℃時(shí)活性污泥中幾乎不存在硝化菌。氨氮的降解主要依靠硝化菌,硝化菌活性被抑制,出水氨氮水平自然就會(huì)較高。

2.2 調(diào)節(jié)酸化池和好氧池脫氮指標(biāo)跟蹤監(jiān)測(cè)

1月24日對(duì)水解酸化池及好氧曝氣池中相關(guān)氮指標(biāo)進(jìn)行跟蹤檢測(cè),結(jié)果如表2所示。

表2 氮指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Determination Results of Nitrogen

數(shù)據(jù)顯示,水解酸化池有機(jī)氮向氨氮的轉(zhuǎn)化率為84.82%,氨化反應(yīng)進(jìn)行不徹底,出水氨氮水平較進(jìn)水有所降低。水解酸化池脫氮主要依靠有機(jī)氮的氨化和氨氮的厭氧氨氧化反應(yīng)去除[6]。因此,水解酸化池中定然發(fā)生了厭氧氨氧化反應(yīng),但厭氧氨氧化反應(yīng)需要亞硝酸鹽的參與,水解酸化池本身并不具備產(chǎn)生亞硝酸鹽條件。推測(cè)是好氧池回流污泥中攜帶的硝酸鹽在水解酸化池底部進(jìn)行了不徹底的反硝化反應(yīng),產(chǎn)生的亞硝酸鹽與氨氮進(jìn)行了厭氧氨氧化反應(yīng)。水解酸化池雖進(jìn)行了厭氧氨氧化反應(yīng),但其氨氮轉(zhuǎn)化去除率并不高,應(yīng)與當(dāng)時(shí)較低的溫度有很大關(guān)系[7]。進(jìn)入曝氣池的氨氮質(zhì)量濃度為36.80 mg/L,出水氨氮質(zhì)量濃度為27.00 mg/L,去除率僅為26.63%。顯然,受溫度影響,曝氣池中硝化菌活性下降,硝化反應(yīng)受阻,大量氨氮積累。水解酸化池出水中有機(jī)氮有4.60 mg/L,曝氣池過(guò)后降至4.18 mg/L,總出水口依然有4.18 mg/L,可見(jiàn)仍需強(qiáng)化水解酸化池脫氮能力。

3 優(yōu)化分析及調(diào)控

3.1 水解酸化池運(yùn)行優(yōu)化

3.1.1 水解酸化池脫氮效能的影響因素

水解酸化池出水氨氮主要來(lái)自有機(jī)氮氨化和進(jìn)水氨氮。氨氮的去除一般以同化作用、硝化反硝化作用實(shí)現(xiàn),同化作用去除一般較少,僅在10%左右,且受溶解氧(DO)、水力停留時(shí)間等因素限制[8]。水解酸化池中氨氮的降解大部分要靠厭氧氨氧化反應(yīng)。該反應(yīng)在一定溫度下,主要受污泥濃度、水力停留時(shí)間、污泥齡和DO的影響[9]。優(yōu)化調(diào)控措施也主要圍繞這幾個(gè)方面進(jìn)行。

3.1.2 水解酸化池污泥濃度及沉降性能

現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)發(fā)現(xiàn),水解酸化池內(nèi)污泥層的厚度達(dá)到3 m以上,且沒(méi)有明顯的泥水分層,池上層污泥部分從排水管出口進(jìn)入了曝氣池。測(cè)得曝氣池出水上清液SS質(zhì)量濃度為6.6 g/L,基本屬于泥水混合液?？梢?jiàn)水解酸化池中、下層污泥濃度較高。實(shí)測(cè)中、下層污泥平均質(zhì)量濃度為21 g/L,污泥整體沉降性能差,泥水不能分離。

3.1.3 水解酸化池水力停留時(shí)間和DO

根據(jù)日均時(shí)流量和水解酸化池有效容積,計(jì)算出的水力停留時(shí)間為2.7～2.9 h,低于設(shè)計(jì)值(4.6 h)。難降解有機(jī)物在池中的水力停留時(shí)間不足,厭氧氨氧化和水解酸化反應(yīng)進(jìn)行不充分,水解酸化池功能沒(méi)有完全發(fā)揮。較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間,一方面可促進(jìn)有機(jī)物開(kāi)環(huán)斷鏈促使酸化反應(yīng)進(jìn)行更加徹底[10],另一方面,也可為受到低溫抑制的厭氧氨氧化菌提供更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間,從而進(jìn)一步降低出水有機(jī)氮和氨氮。另外,測(cè)得水解酸化池DO質(zhì)量濃度為0.9 mg/L,含量較高。水解酸化反應(yīng)和厭氧氨氧化反應(yīng)都需要較為嚴(yán)格的厭氧環(huán)境,需降低其DO含量。

3.1.4 水解酸化池優(yōu)化調(diào)控

綜上,水解酸化池優(yōu)化調(diào)控措施有:(1)降低污泥層厚度,將水解酸化池泥層厚度保持在2.5 m左右,澄清后上清液維持在1.2～2.0 m為宜,可有效改善水解池泥水分離的問(wèn)題;(2)初期先加大污泥排放量,排出老化污泥,同時(shí)增加剩余污泥的回流量,保持池內(nèi)污泥質(zhì)量濃度在15～20 g/L,再將每日排泥量降至150 t,增加泥齡并維持在6 d左右,改善污泥質(zhì)量,保證沉降性能;(3)依靠關(guān)閉進(jìn)水閥適度控制進(jìn)水量,提高前池水位,增加水解酸化池的水力停留時(shí)間至4.5 h。同時(shí),將DO質(zhì)量濃度由0.9 mg/L降至0.5 mg/L以下,保證厭氧環(huán)境。理論上水解酸化池氨氮平均去除率可達(dá)45%以上,將減少曝氣池的脫氮負(fù)荷,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 曝氣池運(yùn)行優(yōu)化

3.2.1 曝氣池污泥性能評(píng)價(jià)

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)曝氣池中污泥:污泥沉降比(SV30)為77%,MLSS為6 350 mg/L時(shí),污泥體積指數(shù)(SVI)為121 mL/g,BOD5為1 690 mg/L,CODCr為6 602 mg/L。顯然,曝氣池污泥的濃度過(guò)高,缺乏活性,沉降性一般,且有產(chǎn)生污泥膨脹的可能。觀察發(fā)現(xiàn),污泥形態(tài)松散且有部分上浮,表明曝氣池中微生物代謝紊亂,確有膨脹發(fā)生。對(duì)曝氣池進(jìn)水進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)實(shí)際進(jìn)水的SS濃度過(guò)高,且曝氣池中污泥MLSS組成中很大部分是進(jìn)水帶入的不可降解雜質(zhì),可生化性較低,導(dǎo)致雖然混合污泥中含有的有機(jī)質(zhì)較多,但微生物活性和菌群數(shù)量卻并不高。此外,進(jìn)入池中的大量有機(jī)質(zhì)被吸附在菌膠團(tuán)表面形成包裹層,阻礙了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送,使得微生物活性降低,有機(jī)質(zhì)的降解也不徹底[11]。因此,除了提高曝氣池污泥活性,強(qiáng)化沉淀效果,還需減少曝氣池進(jìn)水SS濃度。

3.2.2 曝氣池污泥回流和內(nèi)回流比

系統(tǒng)每日外排的剩余污泥(含水率為98.5%)總量約為246 t/d,其中約60%回流進(jìn)入水解酸化池,增加水解酸化池的污泥活性和濃度。但其中夾帶的DO一定程度上會(huì)影響水解酸化池的厭氧反應(yīng)。曝氣池與沉淀池的切換過(guò)程中,留在沉淀池的剩余污泥相當(dāng)于二沉池的污泥回流至曝氣池,內(nèi)回流比為64%,留在沉淀池污泥量約為437 t/d。進(jìn)水初期,即使進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大,但由于污泥回流量較大,曝氣池污泥濃度高,曝氣池的好氧硝化反應(yīng)也能順利進(jìn)行,但需控制污泥內(nèi)回流比。若內(nèi)回流比太小,活性污泥在沉淀階段的停留時(shí)間較長(zhǎng),容易導(dǎo)致污泥上浮;若內(nèi)回流比太大,會(huì)增加曝氣池A段反硝化反應(yīng)的負(fù)擔(dān)。

3.2.3 曝氣池污泥參數(shù)優(yōu)化調(diào)控

綜上,曝氣池優(yōu)化調(diào)控措施有:(1)需先加大曝氣池污泥排放量,盡快將老化污泥置換掉,改善污泥整體質(zhì)量;(2)調(diào)整MLSS維持在4 000～5 500 mg/L,MLVSS/MLSS在0.78以上,SV30和SVI分別小于42%、96%,抑制污泥膨脹,提高沉降效果;(3)將內(nèi)回流比控制在50%～60%,防止污泥上浮。

4 優(yōu)化調(diào)控結(jié)果及討論

按上述運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化和調(diào)控策略,經(jīng)15 d的調(diào)試運(yùn)行后,水解酸化池泥水分離問(wèn)題明顯改善,曝氣池出水氨氮和TN濃度顯著下降,菌群增殖速度明顯加快,污泥活性和沉降性能都有提高。穩(wěn)定運(yùn)行階段后一個(gè)月內(nèi)出水氨氮和TN濃度變化情況如圖6所示。

圖6 出水氨氮和TN濃度變化Fig.6 Changes of Effluent Concentrations of Ammonia Nitrogen and TN

如圖6所示,出水氨氮和TN質(zhì)量濃度分別為5.14～7.41 mg/L和9.12～16.91 mg/L,平均值分別為5.47 mg/L和11.92 mg/L。出水氨氮濃度波動(dòng)較大,整體數(shù)值偏高,低溫對(duì)硝化反應(yīng)的影響還在,但經(jīng)調(diào)控優(yōu)化后氨氮降解持續(xù)向好,無(wú)超標(biāo)現(xiàn)象出現(xiàn)。出水整體TN波動(dòng)較小,但仍處于一個(gè)較高的水平。較低的溫度降低了反硝化菌的活性,影響相對(duì)于硝化反應(yīng)較小[12],但仍對(duì)反硝化反應(yīng)有所限制,導(dǎo)致其出水濃度水平相對(duì)較高。

從總體上看,按優(yōu)化參數(shù)和調(diào)控策略進(jìn)行調(diào)試后,出水氨氮和TN濃度均有大幅降低,超標(biāo)現(xiàn)象明顯改善,達(dá)到了設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,雖然通過(guò)優(yōu)化調(diào)控措施使污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),但出水氨氮和TN波動(dòng)都較大,水平較高。顯然,現(xiàn)有的處理工藝面對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀有些力不從心,尤其是面對(duì)低溫的影響。優(yōu)化調(diào)控舉措核心都是延長(zhǎng)微生物在反應(yīng)池的停留時(shí)間,以削弱低溫對(duì)其的影響。但這勢(shì)必會(huì)降低處理負(fù)荷,間接增加運(yùn)行成本,加上愈加嚴(yán)格的環(huán)保要求,升級(jí)改造工程勢(shì)在必行。

5 結(jié)論

(1)在線數(shù)據(jù)和相關(guān)氮指標(biāo)的跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,工業(yè)廢水占比提高,進(jìn)水TN超標(biāo),加之較低的溫度導(dǎo)致微生物活性降低,生物脫氮功能受到抑制,是出水氨氮和TN超標(biāo)的主要原因。此外,水解酸化池氨化反應(yīng)不徹底,氨氮轉(zhuǎn)化去除率低也是出水TN、氨氮超標(biāo)的重要原因。

(2)優(yōu)化調(diào)整后,水解酸化池:水力停留時(shí)間為

4.5 h,污泥質(zhì)量濃度為15～20 g/L,污泥排放量為150 t/d,污泥齡為6 d,DO質(zhì)量濃度為0.5 mg/L。曝氣池:內(nèi)回流比為50%～60%,MLSS維持在4 000～5 500 mg/L,MLVSS/MLSS大于0.78,SV30和SVI分別小于42%、96%。優(yōu)化調(diào)整后的出水氨氮和TN均值分別為5.47 mg/L和11.92 mg/L,達(dá)到了設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)?？蔀樵摰貐^(qū)相關(guān)工程的類似問(wèn)題提供一定的借鑒和指導(dǎo)。