城鎮(zhèn)污水處理廠強(qiáng)化生物脫氮除磷的工藝優(yōu)化探索與應(yīng)用

袁 飛，馬一行，衛(wèi)鳴志

(1. 上海環(huán)保<集團(tuán)>有限公司，上海 200433；2. 上海奉錦環(huán)境建設(shè)管理有限公司，上海 201422)

自2008年1月1日開(kāi)始，《太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放限值》在江蘇省太湖流域正式實(shí)施[1]，我國(guó)各地污水處理廠建設(shè)陸續(xù)邁進(jìn)“一級(jí)A”時(shí)代，近年更是部分地方標(biāo)準(zhǔn)提出了“(準(zhǔn))IV類水”標(biāo)準(zhǔn)甚至“雙五”標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)住建部最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2019年底，全國(guó)城市和縣城污水處理廠共4 140座，日處理能力為21 450萬(wàn)m3，年處理量為620.86億m3。其中，執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的占53.2%[2]。

近年來(lái)，城鎮(zhèn)污水處理廠處理水量逐年呈上升趨勢(shì)，但進(jìn)水各指標(biāo)濃度整體呈下降趨勢(shì)[3]，其中，BOD5的下降尤為明顯也尤為關(guān)鍵，面對(duì)不斷提高的排放標(biāo)準(zhǔn)，碳源不足的問(wèn)題日益突出。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水BOD/COD的平均值為0.4，進(jìn)水可生化性在中等水平；碳氮比偏低，生物脫氮存在碳源不足的問(wèn)題；BOD/TP維持在28左右，理論上可以滿足生物除磷的需求，但由于生物脫氮利用了進(jìn)水中的大量碳源，可能導(dǎo)致生物除磷所需的碳源缺乏[3]。很多污水處理廠呈現(xiàn)出生物處理段去除效率不足的窘?jīng)r，混凝劑、碳源等藥劑大量、過(guò)量投加的現(xiàn)象較為普遍，化學(xué)品藥劑所帶入水體的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)巨大。

對(duì)于大多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠而言，一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)指標(biāo)中，經(jīng)二級(jí)生化處理后大部分指標(biāo)沒(méi)有太大困難，但總磷(TP)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)可能需要依靠化學(xué)除磷，而總氮(TN)指標(biāo)往往是城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)后穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵指標(biāo)，其中，硝態(tài)氮和溶解性不可氨化有機(jī)氮?jiǎng)t是達(dá)標(biāo)難點(diǎn)。

1 項(xiàng)目背景

該項(xiàng)目為《上海市2015年—2017年環(huán)境保護(hù)和建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃》中的一個(gè)典型中等規(guī)模城鎮(zhèn)污水處理廠，設(shè)計(jì)日處理量為12萬(wàn)t，其中，一期為5萬(wàn)t，二期為7萬(wàn)t，于2017年底完成提標(biāo)工程。排放標(biāo)準(zhǔn)由原《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)提至一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。原工藝為“預(yù)處理+AO”的二級(jí)生物處理，提標(biāo)后采用“預(yù)處理+AAO+高效混凝沉淀+V型濾池”的工藝流程(圖1)，增加了部分生化池和深度處理段，服務(wù)區(qū)域和進(jìn)水水質(zhì)不變，仍以生活污水為主，混合部分工業(yè)污水(約占30%)，與南方大多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠水質(zhì)相近、特點(diǎn)相同(表2)。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Process Flow Chart

提標(biāo)過(guò)程中，該污水處理廠生化池AAO各部分都進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)、加建及改造，高效反應(yīng)沉淀池+V型濾池的深度處理段為新建。依據(jù)設(shè)計(jì)文件，AAO各區(qū)水力停留時(shí)間分別為1.0、4.8、11.0 h，內(nèi)回流比為250%，厭氧區(qū)進(jìn)水處設(shè)置碳源投加點(diǎn)，高效反應(yīng)沉淀池前端設(shè)置加藥區(qū)用于除磷藥劑投加。自提標(biāo)工程通水試運(yùn)行后，進(jìn)水BOD/COD約為0.3，碳氮比時(shí)常低于2.5，如不加碳源，該廠TN指標(biāo)始終略超排放限值且上下波動(dòng)(表1)。為使正式運(yùn)行期間出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，單月碳源投加費(fèi)用最高達(dá)到60余萬(wàn)元(表2)；同時(shí)，深度處理段的除磷藥劑投加費(fèi)用最高也達(dá)到30萬(wàn)元/月。企業(yè)經(jīng)營(yíng)不堪重負(fù)，因此，進(jìn)行工藝優(yōu)化的探索和技術(shù)改造勢(shì)在必行。

表1 2017年未加碳源水質(zhì)數(shù)據(jù) (單位：mg/L)Tab.1 Water Quality Data without Carbon Source Dosing in 2017 (Unit: mg/L)

表2 2018年加碳源后水質(zhì)數(shù)據(jù) (單位：mg/L)Tab.2 Water Quality Data with Carbon Source Dosing in 2018 (Unit: mg/L)

2 工藝優(yōu)化思路

(1)需最大可能地發(fā)揮生物脫氮和生物除磷效能，以減少對(duì)化學(xué)藥劑的依賴，因此，有必要進(jìn)行AAO生反池的改造，關(guān)鍵是為聚磷菌、硝化菌、反硝化菌創(chuàng)造最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。

(2)確定TN為達(dá)標(biāo)難點(diǎn)和首要目標(biāo)，依據(jù)出水TN的構(gòu)成分析(表3)，發(fā)現(xiàn)硝氮超過(guò)90%，因此強(qiáng)化反硝化段是關(guān)鍵。

表3 TN構(gòu)成分析Tab.3 Composition of TN

(3)對(duì)于進(jìn)水有限、外加昂貴的碳源，做到最佳地有效利用。

(4)因?yàn)楹蠓答仈?shù)據(jù)滯后，深度處理段的化學(xué)除磷易造成過(guò)量投加除磷藥劑，可增設(shè)在線儀表，提供前反饋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)合理地調(diào)整藥劑量。

(5)污水廠生化系統(tǒng)一旦被破壞，恢復(fù)過(guò)程十分困難而緩慢，因此，保持生化系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行特別重要。

3 技術(shù)改造措施

3.1 強(qiáng)化反硝化過(guò)程

足夠的停留時(shí)間對(duì)于保證反硝化進(jìn)程的完全非常必要，在改造前，測(cè)得缺氧區(qū)末端硝氮值較高，平均值為6 mg/L左右，說(shuō)明未實(shí)現(xiàn)充分反硝化。同時(shí)，根據(jù)運(yùn)行水量，通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)后續(xù)好氧區(qū)停留時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)8 h，且好氧末端的氨氮值很低，基本在0.5 mg/L以內(nèi)。因此，將有富余的好氧池第一廊道前半段改造成可切換缺氧區(qū)，將缺氧段停留時(shí)間從4.8 h增加到5.7 h。

反硝化菌在缺氧條件下，通過(guò)硝酸鹽作為電子受體完成呼吸作用，釋放出氮?dú)?N2)，因此，營(yíng)造出適宜硝化菌生長(zhǎng)的缺氧環(huán)境尤為重要。為保持缺氧段溶解氧(DO)在0.5 mg/L以下，應(yīng)減少內(nèi)回流帶入缺氧區(qū)的氧。采取將好氧區(qū)最后一廊道后半段改為消氧區(qū)的措施，即停止曝氣并增設(shè)攪拌器(圖2)，并合理控制末端DO從原來(lái)的2～4 mg/L穩(wěn)定在1.5 mg/L以內(nèi)。

圖2 生物池流程示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Biological Pool Process

內(nèi)回流比對(duì)生物脫氮效率影響較大，合理控制內(nèi)回流比非常重要。原回流泵無(wú)變頻裝置且無(wú)計(jì)量?jī)x表，無(wú)法根據(jù)水質(zhì)水量情況實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確地進(jìn)行內(nèi)回流比的調(diào)整，因此，有必要增加內(nèi)回流泵變頻裝置并配置流量計(jì)。

3.2 充分有效利用碳源

生物脫氮除磷都需要足夠的碳源，在進(jìn)水碳源不足的情況下應(yīng)減少預(yù)處理單元對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的消耗和去除，并盡可能將碳源保留到缺氧段，供反硝化菌的生長(zhǎng)需要，因此，可以采取增設(shè)單體超越管和多點(diǎn)進(jìn)水的措施。本項(xiàng)目根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)濃度設(shè)置可選擇性超越初沉池，同時(shí)，在厭氧區(qū)前的進(jìn)水管道旁通一根管道，接入缺氧區(qū)前段實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)進(jìn)水，將有限的進(jìn)水碳源獲得最大的利用效率。

外加碳源價(jià)格昂貴，必須充分有效利用。首先明確需強(qiáng)化的目標(biāo)，針對(duì)反硝化或釋磷的不同反應(yīng)區(qū)，有針對(duì)性地設(shè)置投加點(diǎn)才會(huì)效果明顯。因此，改變?cè)瓎我坏耐都狱c(diǎn)，在厭氧區(qū)、缺氧區(qū)中、后段分別設(shè)立碳源投加點(diǎn)位。

3.3 優(yōu)化藥劑投加

對(duì)于深度處理段的除磷單元而言，污水廠出水口的TP在線儀表數(shù)據(jù)具有滯后性，為保證不出現(xiàn)任何時(shí)刻的超標(biāo)可能，絕大多數(shù)污水廠選擇定量或過(guò)量投加除磷藥劑的穩(wěn)妥方案，必然造成藥劑浪費(fèi)。如果在化學(xué)除磷前(如二沉池出水)增設(shè)在線TP或正磷儀表(圖3)，工藝人員(或PLC控制系統(tǒng))可以根據(jù)該儀表即時(shí)TP數(shù)據(jù)與TP目標(biāo)值的差值，實(shí)時(shí)調(diào)整深度處理段除磷藥劑計(jì)量泵的頻率，實(shí)現(xiàn)投加量的更精準(zhǔn)控制，可確保出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的同時(shí)不過(guò)量投加藥劑。

圖3 TP過(guò)程儀表安裝位置示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Installation Position of TP Instrument

3.4 提高抗沖擊能力

對(duì)于混合部分工業(yè)污水的污水處理廠，進(jìn)水發(fā)生超出設(shè)計(jì)值的異常情況并不少見(jiàn)，為避免超設(shè)計(jì)進(jìn)水對(duì)生化系統(tǒng)造成惡性沖擊，改造部分池體為可切換的事故池，以應(yīng)對(duì)突發(fā)惡劣水質(zhì)情況，有效緩解生化系統(tǒng)受沖擊風(fēng)險(xiǎn)，保持其良好、平穩(wěn)的狀態(tài)十分重要。

針對(duì)污水廠各種突發(fā)情況，特別是存在可能沖擊生化系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因素時(shí)，應(yīng)制訂可行的應(yīng)急預(yù)案隨時(shí)應(yīng)對(duì)。

4 應(yīng)用效果

4.1 生物去除效能及出水水質(zhì)

該項(xiàng)技改是一系列的改造措施，也是在實(shí)踐中邊摸索邊改造、逐步實(shí)施和完善的一個(gè)過(guò)程，自2018年5月起開(kāi)始實(shí)施，歷經(jīng)約一年的時(shí)間。通過(guò)上述工藝優(yōu)化的技術(shù)改造后，在缺氧區(qū)停留時(shí)間延長(zhǎng)、缺氧區(qū)DO及好氧末端DO的有效控制、及時(shí)并合理調(diào)整內(nèi)回流比、進(jìn)水COD過(guò)低時(shí)初沉池超越及有效減少生化系統(tǒng)沖擊的組合作用下，該廠生物脫氮除磷效果明顯提升。在進(jìn)水營(yíng)養(yǎng)物同樣不足的情況下，日常運(yùn)行中基本已不用投加碳源，二級(jí)生物處理段的TN去除率穩(wěn)定在70%～80%，TP去除率能達(dá)到80%～90%，各項(xiàng)出水指標(biāo)均穩(wěn)定達(dá)標(biāo)并遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于排放限值，表4為該廠(一期5萬(wàn) t/d)2020年某周的《水質(zhì)分析周報(bào)》詳細(xì)數(shù)據(jù)。

表4 水質(zhì)分析周報(bào)(一期)Tab.4 Weekly Water Quality Analysis (First-Stage Project)

為更好地了解改造后生物處理段的TN、TP去除效率，統(tǒng)計(jì)了2020年全年各月平均水質(zhì)數(shù)據(jù)(表5)。

表5 2020年月平均TN、TP數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of Monthly Average TN and TP in 2020

4.2 TN去除率

此次技改措施于2018年5月起實(shí)施，6月開(kāi)始逐步顯現(xiàn)效果。如圖4所示，TN去除率從技改前的40%～60%(投加碳源)上升到技改后的70%～80%(基本不投加碳源)。

圖4 技改前后TN去除率對(duì)比Fig.4 Comparison of TN Removal Rate before and after Technical Reconstruction

4.3 藥劑費(fèi)用

由表6可知，碳源及除磷兩項(xiàng)藥劑的費(fèi)用從2018年上半年度的335.01萬(wàn)元大幅降至2020年上半年度的52.43萬(wàn)元，藥劑單耗則從0.317元/m3下降至0.081元/m3。技改前最高單月藥劑費(fèi)超82萬(wàn)元，技改后最高單月僅14萬(wàn)元，最低僅1.9萬(wàn)元，其中，4月的少量碳源投加是因?yàn)檫M(jìn)水超過(guò)設(shè)計(jì)值的突發(fā)事件所致。全廠的月度藥劑消耗從90萬(wàn)元下降到25萬(wàn)元，全年節(jié)約藥劑費(fèi)用約780萬(wàn)元，自2018年5月技改實(shí)施以來(lái)，該廠提質(zhì)增效效果顯著。

表6 技改前后費(fèi)用對(duì)比表 (單位：元) Tab.6 Comparison of Costs before and after Technical Reconstruction (Unit: yuan)

5 結(jié)論

(1)城鎮(zhèn)污水處理廠可通過(guò)技術(shù)改造提高生物脫氮、生物除磷的效率，避免或減少外部碳源和化學(xué)除磷藥劑的投加，提質(zhì)增效效果顯著，且大大減少化學(xué)藥劑投加所帶入水體的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

(2)TN是污水廠提標(biāo)的難點(diǎn)，促進(jìn)反硝化作用是提高生物脫氮的核心，通過(guò)水力停留時(shí)間、DO、回流比等的合理調(diào)控，創(chuàng)建適宜反硝化菌生長(zhǎng)的環(huán)境尤為重要。

(3)在充分發(fā)揮生物除磷的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加過(guò)程儀表，為化學(xué)除磷單元提供前饋數(shù)據(jù)，可有效控制除磷藥劑投加量。