外回流比對雙層二沉池水質(zhì)穩(wěn)定及節(jié)能降耗的影響研究

摘要：外回流比在城鎮(zhèn)污水處理廠運行工藝控制中會直接影響厭氧環(huán)境、污泥循環(huán)、二沉池負荷及電耗等，進而影響出水水質(zhì)和生產(chǎn)工況穩(wěn)定性。因此，通過研究不同外回流比與出水水質(zhì)、二沉池工況及能耗的關(guān)系，可以分析其在減污降碳中的效益平衡點。結(jié)果表明，較低的外回流比不利于水質(zhì)穩(wěn)定，容易導(dǎo)致懸浮物（SS）超標(biāo)，但可以強化生物除磷，維持低泥位穩(wěn)定；較高的外回流比可以強化脫氮效果，但會導(dǎo)致好氧段活性污泥濃度（MLSS）降低，增加電耗。

關(guān)鍵詞：外回流；雙層二沉池；脫氮除磷；節(jié)能降耗

引言

“雙碳”目標(biāo)由我國在2020年第七十五屆聯(lián)合國大會上首次提出，并成為社會、經(jīng)濟發(fā)展的環(huán)保熱點與方向。隨后，中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會于2022年發(fā)布的《污水處理廠低碳運行評價技術(shù)規(guī)范》（T/CAEPI 49-2022）[1]將出水指標(biāo)、設(shè)備運行、溫室氣體直排等納入到指標(biāo)體系中。低碳運行、節(jié)能降耗已經(jīng)成為污水處理廠運營的主流方向。另外，地埋式、半地埋式城鎮(zhèn)污水處理廠的陸續(xù)新建，使得雙層平流式沉淀池在可利用占地非常緊張、征地費用非常高、耐沖擊要求高的大中型水廠[2]中得到實際運用。但關(guān)于雙層二沉池的運行經(jīng)驗較少，其節(jié)能降耗、抗負荷能力成為城鎮(zhèn)污水處理廠運營方迫切需要了解的內(nèi)容。外回流比作為雙層二沉池工藝控制核心，對污泥循環(huán)、厭氧環(huán)境、二沉池污泥負荷及電耗等指標(biāo)影響較大。因此，筆者以某設(shè)計處理量40萬t/d半地埋式城鎮(zhèn)中心片污水處理廠為案例，開展外回流比對水質(zhì)變化、工藝狀況及節(jié)能降耗影響的相關(guān)研究。

1水質(zhì)現(xiàn)狀

某設(shè)計處理量40萬t/d半地理式城鎮(zhèn)中心片污水處理廠的工藝設(shè)計為改良A2/O工藝+

雙層二沉池+高效沉淀池+纖維轉(zhuǎn)盤濾池+紫外消毒池，工藝流程詳見圖1。其中，工藝處理流程分為4個系列，每個系列有2座雙層二沉池，單組池尺寸72.5m×45.0m×10.0m，每座池分2組，每組分6格沉淀池，每格池體上層水深4.08m，下層水深3.76m，最大表面負荷1.18 m3/m2.h，并配有6臺798.6m3/h的外回流泵。處理后出水水質(zhì)達到國家標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。該廠于2019年臨時提標(biāo)，出水按照《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 33/2169-2018）中表1標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2檢測方法

本研究中的總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、硝酸鹽氮（NO3-N）、化學(xué)需氧量（CODCr）按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）中的方法進行測定；懸浮物（SS）按照《水質(zhì) 懸浮物的測定 重量法》（GB 11901-89）中的方法進行測定；活性污泥濃度（MLSS）采用重量法進行測定。

3工藝設(shè)置

試驗期間工藝運行情況為瞬時水量控制在13000～19000 m3/h，外回流比根據(jù)水量自動調(diào)節(jié)；溶解氧（DO）控制在厭氧段≤0.2mg/L，缺氧段≤0.4mg/L，好氧末端2.0～2.5mg/L；各組生化段內(nèi)回流前端1臺內(nèi)回流泵常開，頻率40Hz；生化段MLSS控制在4000～4500mg/L，各組剩余污泥排放1500m3/d。

4水質(zhì)及工況分析

4.1 外回流比對脫氮除磷影響分析

外回流污泥對厭缺氧段的影響主要表現(xiàn)為2點，即①生化段末端出水DO較高，但污泥通過自身呼吸消耗氧氣弱化了DO的影響；②該廠外回流污泥的含水率在98.5%～99.5%，可視為外回流主要對水質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)生影響，其中對NO3-N指標(biāo)影響最大。姚曉琰等[3]指出活性污泥在缺乏可直接利用碳源時，缺氧池末端和二沉池中的NO3-N會抑制生物釋磷作用，同時污泥回流提高了缺氧段MLSS，會進而提升比反硝化速率和內(nèi)碳源轉(zhuǎn)化率。LEE S H等[4]研究發(fā)現(xiàn)回流污泥中存在大量NO3-N，進入?yún)捬醐h(huán)境后會使反硝化細菌以更快的速度攝取環(huán)境中的有機物，間接影響聚磷菌對有機物的攝取?？滤薜萚5]研究發(fā)現(xiàn)缺氧環(huán)境下反硝化菌和聚磷菌具有較高反應(yīng)速率，能去除外回流液中的硝態(tài)氮，生物釋磷作用也很明顯。因此，外回流對厭缺氧段脫氮除磷的影響主要在于NO3-N和MLSS變化對菌落環(huán)境及數(shù)量變化的影響。

4.2 外回流比與出水水質(zhì)變化關(guān)系

統(tǒng)計分析該廠2021年4月、5月、12月的雙層二沉池出水?dāng)?shù)據(jù)，分別得到不同外回流比與SS、TN、TP的關(guān)系，詳見表1。其中，脫氮除磷易受外加碳源影響，因此考慮了試驗期間的碳源投加情況，如Ⅰ、Ⅱ系列為乙酸鈉間歇投加，間隔為4h，提高CODCr值約為10mg/L；Ⅲ、Ⅳ系列為乙酸鈉持續(xù)投加，提高CODCr值約為20mg/L。

根據(jù)表1分析可知，①當(dāng)外回流比≤65%時，出水SS容易出現(xiàn)突高情況；外回流比越高，出水SS越低；當(dāng)外回流比＞65%時，SS值變化幅度趨于穩(wěn)定。②外回流比在65%～85%期間，脫氮效果變化不明顯；當(dāng)外回流比≥85%時，脫氮效果有一定好轉(zhuǎn)且效果明顯。③當(dāng)外回流比＞65%時，對出水TP變化影響較弱；當(dāng)外回流比≤65%時，TP處于較低水平，分析原因為低回流比帶來的NO3-N會在短時間內(nèi)被消耗且余量碳源被聚磷菌用于除磷。

此外，通過對出水TN、TP的情況進行分析，發(fā)現(xiàn)外回流比≤65%時適用強化除磷，外回流比≥85%時適用強化脫氮。這與馬興冠等[6]的研究結(jié)果（出水COD濃度和TP濃度變化不明顯，但TN濃度降幅可達到33.22％）相似。

4.3 外回流比對工況的影響

4.3.1 外回流比對MLSS的影響變化

根據(jù)守恒定律，當(dāng)污泥回收率為100%時，回流量決定了回流污泥的MLSS。在實際運行過程中，不同的外回流比會影響污泥在雙層二沉池的停留時間，進而對生化段MLSS產(chǎn)生影響。通過調(diào)整不同的外回流比，獲得實際運行情況下MLSS變化情況，詳見圖2。

根據(jù)圖2分析可知，當(dāng)外回流比在65%～85%時，生化段MLSS變化不大；當(dāng)外回流比≥85%時，MLSS會出現(xiàn)較大幅度下降，相對外回流比65%～80%區(qū)間下降比例為7.0%。

4.3.2 外回流比對二沉池泥位的影響

對該廠2021年12月份的外回流比及Ⅰ系列雙層二沉池1～6#泥位計（品牌為HACH）數(shù)據(jù)進行比較，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

根據(jù)表2分析可知，當(dāng)外回流比在75%以上，二沉池泥位整體波動較為穩(wěn)定，視為污泥沉降區(qū)穩(wěn)定；當(dāng)外回流比在65%～75%，自身泥位低于2.6m的雙層二沉池波動較大，不利于低泥位穩(wěn)定。

4.3.3 外回流比對二沉池配電間電耗的影響

該廠二沉池配電間耗電量包括外回流泵、二沉池刮泥機等設(shè)備的電耗，同時1#二沉池配電間電表統(tǒng)計為Ⅰ、Ⅱ系列生化的二沉池用電合計。因此，采用2021年4月、5月、12月的Ⅰ、Ⅱ系列生化池日均外回流比及日均有用功電耗進行分析比較，詳見圖2。根據(jù)圖2分析可知，當(dāng)回流比從65%逐漸升到90%，Ⅰ、Ⅱ系列生化池日均有用功電量從3000kWh逐步上升到6000kWh，這期間污水處理廠日均處理污水量約為32萬t，單位電耗變化區(qū)間為0.0188～0.0375kWh/m3。

蔣富海等[7]指出，在污水處理量為10萬t/d的污水處理廠中，TN去除率±10%幅度對應(yīng)的碳排放量為±792t·CO2/a，而單位電耗0.05kWh/m3對應(yīng)的碳排放量為±945t·CO2/a。由此推知，污水處理量為32萬t/d的污水處理廠中，TN去除率±12%幅度對應(yīng)的碳排放量與單位電耗0.0156kWh/m3對應(yīng)的碳排放量相當(dāng)。

5對水質(zhì)、工況與節(jié)能降耗的影響分析

在雙層二沉池的運行過程中選擇合適的外回流比不僅可以強化脫氮或除磷效果，還有利于出水SS及二沉池泥位的穩(wěn)定。同時，較低的外回流比可節(jié)約電單耗，降低污水處理廠碳排放等指標(biāo)。因此，在對雙層二沉池外回流比的控制上應(yīng)綜合考慮其對水質(zhì)、工況、節(jié)能降耗的影響。

5.1 外回流比對水質(zhì)的影響

外回流比＜65%時，出水SS容易出現(xiàn)突高情況，在沒有深度處理設(shè)施的情況下存在環(huán)保隱患；外回流比＞85%有利于強化脫氮效果；外回流比＜65%有利于強化除磷效果。

5.2 外回流比對工況的影響

外回流比＞85%會導(dǎo)致生化段MLSS出現(xiàn)大幅度下降，進而減少反硝化菌和硝化菌的總數(shù)，影響硝化反硝化效果；外回流比＜75%會影響泥位低于2.6m的泥層穩(wěn)定性。

5.3 外回流比對節(jié)能降耗的影響

當(dāng)外回流比從90%降至65%，日均有用功電量降低了50%。以污水處理廠32萬t/d處理量時的碳排放為例，其外回流比從90%下降至65%后，電單耗減少的碳排放量與總氮去除率14.42%時的碳排放量相當(dāng)。

結(jié)語

綜上所述，基于對雙層二沉池出水達標(biāo)、穩(wěn)定運行和降低電耗的考慮，應(yīng)控制外回流比在65%～75%的區(qū)間。一方面可確保穩(wěn)定的出水水質(zhì)和工況；另一方面可盡量降低電耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，減少污水處理廠的碳排放量。

參考文獻

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[3]姚曉琰，李凌云，薛曉飛，等.污泥雙回流-AOA中試系統(tǒng)處理低C/N城鎮(zhèn)污水的脫氮除磷性能[J].環(huán)境工程學(xué)報，2023，17（08）：2524-2533.

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[7]蔣富海，王琴，張顯忠，等.城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放核算及減碳案例分析[J].給水排水，2023，59（02）：42-49.

作者簡介

林元昆（1987—），男，漢族，浙江蒼南人，工程師，學(xué)士，研究方向為水污染治理。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-02-20