污水進(jìn)水低碳氮比的總氮應(yīng)急處理技改實(shí)踐

劉培志，汪 輝

(武漢新天達(dá)美環(huán)境科技股份有限公司，湖北武漢 430000)

水中的總氮(TN)含量是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)之一。城市污水處理廠超標(biāo)問題頻發(fā)，特別是TN超標(biāo)問題較為突出。該問題如不及時(shí)解決，會導(dǎo)致匯水區(qū)域水體富營養(yǎng)化，引發(fā)赤潮、水華等現(xiàn)象，造成生態(tài)環(huán)境破壞[1-3]。為保障水環(huán)境安全，2017年，生態(tài)環(huán)境部《關(guān)于加快重點(diǎn)行業(yè)重點(diǎn)地區(qū)的重點(diǎn)排污單位自動監(jiān)控工作的通知》(環(huán)辦環(huán)監(jiān)函〔2017〕61號)要求氮磷排放重點(diǎn)行業(yè)的重點(diǎn)排污單位應(yīng)安裝TN排放自動監(jiān)測設(shè)備并與環(huán)保部門聯(lián)網(wǎng)，對污水廠TN進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。TN排放指標(biāo)的監(jiān)管要求上了新臺階，這也對污水廠的TN去除提出更嚴(yán)格的要求。污水廠相繼提出了針對去除TN的相關(guān)技改措施。

某縣生活污水廠于2010年建成投運(yùn)，設(shè)計(jì)規(guī)模為1.5萬m3/d，承擔(dān)著該縣主城區(qū)的污水處理任務(wù)，采用厭氧-好氧工藝(AO工藝)，污水經(jīng)過處理后達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18919—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)入后續(xù)深度處理設(shè)施。該廠AO工藝在低水量和低碳氮比(C/N)的情況下，TN難以滿足實(shí)時(shí)達(dá)標(biāo)[4]。因單獨(dú)AO工藝不能滿足TN去除要求[5-6]，本項(xiàng)目在資金缺乏和設(shè)備設(shè)施簡陋的條件下，通過增加生化系統(tǒng)內(nèi)硝化液回流、控制反硝化溶解氧和投加碳源的方式，增加TN去除量，及時(shí)解除了該廠出水TN超標(biāo)的危機(jī)。

以該污水廠TN技改試驗(yàn)為例，介紹了試驗(yàn)過程和實(shí)際運(yùn)行效果，以期為同類項(xiàng)目TN應(yīng)急處理提供參考。

1 項(xiàng)目背景和運(yùn)行問題分析

1.1 項(xiàng)目背景

(1)污水廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

該廠設(shè)計(jì)規(guī)模為1.5萬m3/d，處理工藝按照生活污水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。

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

(2)工藝流程圖

該廠工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Engineering Flow Sheet

(3)試驗(yàn)期前進(jìn)水水質(zhì)

隨著縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，該污水廠收水范圍內(nèi)于2014年引進(jìn)一座發(fā)酵酒精廠。該酒精廠生產(chǎn)廢水經(jīng)自有廢水處理設(shè)施處理至納管標(biāo)準(zhǔn)后，排入市政管網(wǎng)，進(jìn)入該污水廠處理。酒精廢水原本只有1 500 m3/d，因該廠效益較好，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，生產(chǎn)廢水水量增加至6 000 m3/d，導(dǎo)致該縣污水廠進(jìn)水中酒精廢水占比達(dá)40%。酒精廠廢水處理設(shè)施排口僅對水量和CODCr進(jìn)行監(jiān)控，氨氮、TN等其他指標(biāo)并未監(jiān)控。經(jīng)檢測，酒精廠廢水在CODCr符合納管標(biāo)準(zhǔn)的情況下，極易導(dǎo)致該生活污水處理廠進(jìn)水氨氮和TN等指標(biāo)超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。該生活污水廠無法處理該部分廢水，導(dǎo)致泵站停用一座，水量急劇降低。

受外部因素影響，該污水處理廠自2019年以來水量急劇下降，長期處于5 000 m3/d左右，最低時(shí)僅3 200 m3/d。截至試驗(yàn)前，該廠進(jìn)水的CODCr嚴(yán)重偏低，多數(shù)時(shí)間處于50 mg/L以內(nèi)，進(jìn)水BOD5不足20 mg/L，進(jìn)水TN質(zhì)量濃度在20～30 mg/L，嚴(yán)重的情況下甚至要超過30 mg/L，超出進(jìn)水設(shè)計(jì)值。進(jìn)水量不足，進(jìn)水C/N嚴(yán)重失調(diào)，導(dǎo)致出水TN有超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

(4)試驗(yàn)期間難點(diǎn)

目前眾多技改試驗(yàn)均在相對獨(dú)立系統(tǒng)中進(jìn)行，檢測手段充足，數(shù)據(jù)能夠獲取和檢測。但是該污水廠投運(yùn)時(shí)間達(dá)10年，存在大量的內(nèi)外部缺陷，導(dǎo)致試驗(yàn)推進(jìn)困難。一是生化過程在線檢測儀表均報(bào)廢，且未更新，改造過程除水質(zhì)指標(biāo)可檢測外，水量、風(fēng)量情況均靠人工判斷；二是污水廠員工整體技術(shù)水平較低，本項(xiàng)目需全程跟蹤運(yùn)行調(diào)整情況；三是外部企業(yè)排水時(shí)間不固定，試驗(yàn)期間受雨水影響，來水TN相對偏低；四是污水廠來水量較少，生化系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間過長導(dǎo)致進(jìn)出水檢測的相對滯后性；五是4組池體并聯(lián)、共用一套配水系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)，池體間存在串水現(xiàn)象，導(dǎo)致無法對各影響因素做定量分析，只能進(jìn)行定性判斷。

1.2 問題分析

(1)污水中氮的去除機(jī)理

污水TN主要由氨氮、有機(jī)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮以及氮氧化合物[7]組成。其中，氨氮主要來源于水中的無機(jī)物或者有機(jī)氮的分解。生活污水中氮的去除由氨化、硝化、反硝化反應(yīng)[8-9]組成，以生化去除為主。氮的硝化反應(yīng)和亞硝化反應(yīng)是由自養(yǎng)菌在好氧環(huán)境下進(jìn)行，不需要額外提供能量，但是反硝化菌是異養(yǎng)菌，需要在碳源充足的情況下進(jìn)行。

(2)該廠TN問題原因分析

該廠TN去除困難的原因有以下幾點(diǎn)。

① 處理工藝先天不足。該污水處理廠主要采用厭氧-好氧工藝，以除磷為主，未考慮TN的去除問題，未設(shè)置缺氧段，無反硝化場所。厭氧區(qū)生物池采用生物濾池模式，好氧區(qū)生化池內(nèi)采用生物接觸濾池工藝，并未設(shè)置消化液回流和污泥回流工藝，好氧產(chǎn)生的硝態(tài)氮無法有效去除，在出水氨氮達(dá)標(biāo)的情況下，TN削減量較少。

② 汽提回流技改不當(dāng)。該廠為強(qiáng)化脫氮功能于2018年實(shí)施第一次技改。第一次技改內(nèi)容為采用汽提回流方式，將好氧區(qū)末端混合液回流至最后第二級厭氧區(qū)，期望將第二級厭氧區(qū)技改為缺氧區(qū)。第一次技改并未改善系統(tǒng)脫氮功能，原因一方面是缺氧區(qū)有效容積較小，池內(nèi)填料占用部分空間，導(dǎo)致缺氧水力停留時(shí)間不足1 h[10]，停留時(shí)間遠(yuǎn)低于技術(shù)規(guī)范的缺氧水力停留時(shí)間(2～4 h)；另一方面是汽提回流量不足，無法達(dá)到技術(shù)規(guī)范的硝化液回流比(100%～400%)?；亓饕褐袔в写罅咳芙庋酰亓髁繜o法提升和控制。

③ 進(jìn)水C/N過低。反硝化反應(yīng)需要碳源參與反應(yīng)，進(jìn)水中的碳源不足以滿足反硝化脫氮反應(yīng)所需的碳源。在厭氧區(qū)，聚磷菌與反硝化菌在搶奪碳源中處于優(yōu)勢地位，更加容易導(dǎo)致無充足碳源用于去除TN。

④ 現(xiàn)場好氧區(qū)在線溶解氧儀故障，其他區(qū)域未設(shè)置無溶解氧或氧化還原電位等檢測設(shè)備，風(fēng)機(jī)開啟后無法通過各區(qū)溶解氧情況進(jìn)行供氣量調(diào)整，無法控制工藝參數(shù)。

⑤ 部分生活污水混有有機(jī)氮，但是一般的工藝無法將有機(jī)氮進(jìn)行氨化，此部分TN無法去除。

分析TN去除的機(jī)理和該廠TN問題產(chǎn)生的實(shí)際情況，可明確該廠在工藝先天不足的情況下，通過改造增加缺氧段的思路是正確的，導(dǎo)致該次技改失敗的原因是汽提回流無法有效控制。同時(shí)，結(jié)合該廠進(jìn)水C/N過低情況，本項(xiàng)目針對該廠回流不足、缺氧區(qū)停留時(shí)間不夠和碳源不足的情況開展改造研究。

2 TN應(yīng)急處理方案

2.1 硝化液回流系統(tǒng)改造

現(xiàn)有污水處理廠硝化液普遍采用泵或汽提方式實(shí)現(xiàn)回流，也有氧化溝采用內(nèi)回流門方式進(jìn)行硝化液回流。因該廠非氧化溝工藝，不具備內(nèi)回流門改造條件。在前期也嘗試汽提回流改造，因回流液含氧量過高和回流量不足問題，不再考慮。本次硝化液回流系統(tǒng)改造采用增加水泵提升的方式實(shí)現(xiàn)。

該廠生化池分4條線，2條線為獨(dú)立一組。原設(shè)計(jì)每條線為獨(dú)立單元，因工程質(zhì)量和投運(yùn)時(shí)間久遠(yuǎn)，組內(nèi)2條線間有串水現(xiàn)象。原2018年汽提回流改造在1#線和2#線，本次對另外一組(3#、4#線)進(jìn)行回流改造(圖2)。

圖2 回流系統(tǒng)改造示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Reflux System Reconstruction

(1) 在3#、4#線好氧區(qū)尾部各加設(shè)一臺回流量為150 m3/h的潛污泵(品牌藍(lán)深，口徑為150 mm，揚(yáng)程為4 m，功率為4 kW)，設(shè)計(jì)回流比為100%，滿足技術(shù)規(guī)范關(guān)于回流比為100%～400%的要求，敷設(shè)管徑為150 mm的硬聚氯乙烯(UPVC)硝化液回流管至厭氧前端，將厭氧區(qū)改造為缺氧區(qū)(TP在預(yù)處理段通過加藥去除，不考慮厭氧生化除磷)，延長缺氧停留時(shí)間。2020年8月20日完成該硝化回流系統(tǒng)的安裝。

(2) 進(jìn)水水量少，回流比過高，無法使系統(tǒng)內(nèi)形成缺氧環(huán)境。本項(xiàng)目于8月21日對回流管道進(jìn)行改造，每條線的回流管增加2個(gè)閥門，分別至缺氧區(qū)、好氧區(qū)。通過將多余的回流量轉(zhuǎn)移至好氧區(qū)，控制缺氧區(qū)回流量和溶解氧。

2.2 溶解氧控制

好氧區(qū)溶解氧質(zhì)量濃度長期在4 mg/L以上，溶解氧過高，保持設(shè)定回流量的情況下，會破壞缺氧區(qū)缺氧環(huán)境，抑制反硝化反應(yīng)，降低反硝化效果。

整個(gè)生化系統(tǒng)共用一套供氣系統(tǒng)，各風(fēng)機(jī)變頻器老化，無風(fēng)量檢測裝置，調(diào)節(jié)功能差。8月21日開始調(diào)整風(fēng)機(jī)為間歇運(yùn)行模式，通過降低好氧池溶解氧，以降低整個(gè)系統(tǒng)溶解氧，使得缺氧區(qū)的溶解氧控制在0.5 mg/L以內(nèi)。

經(jīng)對好氧區(qū)、缺氧區(qū)溶解氧經(jīng)行反復(fù)檢測，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間從常開調(diào)整到為開5 h停3 h，可滿足缺氧區(qū)缺氧環(huán)境為2 h左右的要求，即符合技術(shù)規(guī)范關(guān)于停留時(shí)間為2～4 h的規(guī)定，又不影響出水CODCr和氨氮等水質(zhì)指標(biāo)。

2.3 乙酸鈉投加

(1) 乙酸鈉實(shí)際當(dāng)量

本次技改試驗(yàn)采購凈含量為58%乙酸鈉。根據(jù)相關(guān)資料，乙酸鈉作為外部碳源的CODCr當(dāng)量參考值為0.68 kg CODCr/kg。理論計(jì)算，該批次乙酸鈉當(dāng)量為0.391 kg CODCr/kg。經(jīng)試驗(yàn)檢測，乙酸鈉CODCr當(dāng)量為0.407 kg CODCr/kg，與理論值接近，數(shù)據(jù)有效。

(2) 乙酸鈉投加量計(jì)算

按照外部碳源投加量建議，計(jì)算方法如式(1)。

Cm=5N

(1)

其中：Cm——必須投加的外部投加碳源量(以CODCr計(jì))，mg/L；

N——需要外部碳源去除的TN量，mg/L。

本次按去除10 mg/L TN暫估乙酸鈉投加量，因池體串水和碳源利用率影響，實(shí)際TN去除量并未到理論計(jì)算值。

(3)對照組與試驗(yàn)組

對照組：生產(chǎn)線中的1#線和4#線，未進(jìn)行乙酸鈉投加，按照正常生產(chǎn)進(jìn)行。

試驗(yàn)組：2#線于8月20日開始投加乙酸鈉，投加量為125 mg/L，8月24日停止投加；3#線于8月24日開始投加乙酸鈉，投加量為166 mg/L。

3 結(jié)果與討論

技改期間，本項(xiàng)目采用哈希手持式溶解氧儀對各生產(chǎn)線缺氧區(qū)溶解氧進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，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)對各生產(chǎn)線進(jìn)出水TN進(jìn)行了檢測。

(1) 碳源的影響

8月20日，2#線開始投加碳源，2#線出水TN明顯降低，去除量明顯增加。8月24日，2#線停止投加碳源，2#線出水TN開始回升，去除量降低。8月24日，3#線開始投加碳源，3#線出水TN開始降低?？梢钥吹酵都犹荚粗骉N的去除量有不同程度的增長，與碳源的投加量成同向增長關(guān)系，停止投加后，TN去除量明顯下降(圖3)。

圖3 TN與碳源的關(guān)系Fig.3 Relationship between TN and Carbon Source

參照組內(nèi)的TN去除效果內(nèi)對比：1#線未投加碳源，2#線8月20日—24日投加碳源?？梢钥吹教荚赐都忧?，兩組TN的去除量基本相同；2#線投加碳源后，TN去除量明顯高于1#線；2#線停止投加碳源后，TN去除量明顯降低，2 d后恢復(fù)至1#線TN去除效果(圖4)。

圖4 TN與碳源的關(guān)系Fig.4 Relationship between TN and Carbon Source

技改組內(nèi)的TN去除效果內(nèi)對比：4#線未投加碳源，3#線8月24日開始投加碳源。可以看到碳源投加前，2組TN的去除量基本相同；3#線投加碳源后，該線TN去除量明顯高于4#線(圖5)。

圖5 TN與碳源的關(guān)系Fig.5 Relationship between TN and Carbon Source

(2) 溶解氧的影響

4#線未投加外部碳源，只進(jìn)行回流改造和溶解氧控制。

8月21日風(fēng)機(jī)間歇運(yùn)行，開5 h停3 h，以控制好氧區(qū)溶解氧來調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的溶解氧。但是8月24日前，4#線缺氧區(qū)的溶解氧較高，不能形成缺氧環(huán)境，反硝化作用很弱，TN的去除量較低。8月24日后嚴(yán)格控制缺氧溶解氧在0.5 mg/L以內(nèi)，TN的去除率顯著(圖6)。

圖6 TN與溶解氧的關(guān)系Fig.6 Relationship between TN and DO

(3) 風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的影響

風(fēng)機(jī)采用間歇運(yùn)行模式，一方面可有效降低能耗，另一方面可在低溶解氧的情況下，增大硝化液回流比例，有利于TN的去除。

8月21日風(fēng)機(jī)間歇運(yùn)行后，在對好氧區(qū)的溶解氧合理控制下，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間減少，仍可滿足出水CODCr和氨氮達(dá)標(biāo)(圖7)。

圖7 風(fēng)機(jī)調(diào)整對出水CODCr和氨氮的影響Fig.7 Effect of Fan Adjustment on Effluent CODCr and Ammonia Nitrogen

(4) 效果跟蹤

本項(xiàng)目對生產(chǎn)線3#線和4#線進(jìn)行相應(yīng)的硝化液回流改造，制定了風(fēng)機(jī)調(diào)度和碳源投加方案，將改造后的1個(gè)月作為鞏固期，統(tǒng)計(jì)了該期間碳源消耗和進(jìn)出水情況(圖8)。

圖8 鞏固期碳源投加量和進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)Fig.8 Data of Carbon Source Dosage and Influent and Effluent during the Consolidation Period

本項(xiàng)目在硝化液回流改造完成后，在鞏固期內(nèi)按照風(fēng)機(jī)調(diào)度方案控制系統(tǒng)各區(qū)溶解氧。按照碳源投加方案，結(jié)合進(jìn)出水水質(zhì)在線監(jiān)測指標(biāo)指導(dǎo)碳源投加。對鞏固期數(shù)據(jù)進(jìn)行追蹤記錄，通過生化系統(tǒng)內(nèi)硝化液回流改造、控制反硝化溶解氧和投加碳源方式，明顯增加污水廠生化系統(tǒng)TN去除量。同時(shí)，通過風(fēng)機(jī)啟停時(shí)間的控制，鞏固期內(nèi)該廠電費(fèi)較上一年同期降低19.7%。雖然碳源投加導(dǎo)致藥劑費(fèi)增長，但因間歇投加，藥劑費(fèi)用增長較低；鞏固期內(nèi)電費(fèi)和藥劑費(fèi)較上一年同期增長約10%，在該廠可承受資金范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

改造試驗(yàn)期間，外部企業(yè)廢水并未排水，且受雨水影響，雨水進(jìn)入污水處理廠，廠區(qū)進(jìn)水TN較低，出水TN有較明顯的下降。在改造后的一年多時(shí)間里，污水廠在進(jìn)水TN超過設(shè)計(jì)值的情況下，均能保持達(dá)標(biāo)穩(wěn)定運(yùn)行。為了滿足地方監(jiān)管要求，在后續(xù)一級A提標(biāo)改造工程尚未完成期間，原系統(tǒng)可將出水TN指標(biāo)穩(wěn)定在一級A排放標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，為工程建設(shè)爭取了時(shí)間，為地方節(jié)能減排做出了突出貢獻(xiàn)。

(1) 老舊污水廠在工藝存在缺陷、現(xiàn)場條件有限、資金短缺的情況下，通過增加硝化液回流、控制溶解氧和投加碳源的措施，可有效提高生化系統(tǒng)TN去除率，增加TN去除效果。這些措施也可用于其他城鎮(zhèn)生活污水廠突發(fā)TN超標(biāo)時(shí)的應(yīng)急調(diào)整。

(2) 嚴(yán)格控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，不僅有利于系統(tǒng)溶解氧的控制，而且有利于節(jié)省能耗。但是污水處理廠低CODCr濃度進(jìn)水情況下，要發(fā)揮生化系統(tǒng)的脫氮作用，需要投加大量的碳源，將增加大量的藥劑費(fèi)和人力成本。

(3) 因現(xiàn)場條件受限，本次試驗(yàn)時(shí)間較短，且廠區(qū)的進(jìn)水量、水質(zhì)都不太穩(wěn)定，池體內(nèi)部缺陷等問題，數(shù)據(jù)相對太少，需要后續(xù)的跟進(jìn)試驗(yàn)。

(4) 建議污水處理設(shè)施設(shè)計(jì)或運(yùn)行過程中，重視管網(wǎng)建設(shè)運(yùn)營，做好截污和雨污分流，加強(qiáng)工業(yè)廢水監(jiān)管。污水處理廠適當(dāng)增設(shè)過程監(jiān)控儀表，一方面便于工藝參數(shù)精準(zhǔn)調(diào)控，做好節(jié)能降耗；另一方面可及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，并采取應(yīng)對措施。