高標(biāo)準(zhǔn)排放下市政污水處理廠反硝化脫氮影響因素及優(yōu)化分析
【蘭州純水設(shè)備http://www.xingxinlong.cn】近年來，我國(guó)城市污水處理廠的污水排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，尤其是對(duì)總氮(TN)指標(biāo)的要求越來越高。有些地方的污水排放標(biāo)準(zhǔn)甚至更嚴(yán)格，從原來的15毫克/升到10毫克/升。本研究結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,論述了實(shí)際污水處理廠異養(yǎng)反硝化脫氮過程中存在的主要問題和對(duì)策,主要分析碳源的影響,回流比、回流溶氧(做)和混合條件影響因素,如市政污水處理廠穩(wěn)定高效的脫氮將提供技術(shù)指導(dǎo)。
污水廠反硝化和反硝化的主要影響因素
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，污水排放日益增加。污水處理廠的數(shù)量和處理能力也逐年增加。2009年至2018年底，蘭州純水設(shè)備污水處理廠由1958個(gè)增加到5362個(gè)，處理規(guī)模由1.03×108 m3/d增加到2.01×108 m3/d。污水處理廠的出水排放標(biāo)準(zhǔn)也日趨嚴(yán)格。城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)TN指數(shù)設(shè)定為10/15 mg/L。一些地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)甚至要求5毫克/升。因此，高效穩(wěn)定的反硝化是大多數(shù)污水處理廠亟待解決的問題。
我國(guó)城市污水處理廠脫氮工藝主要采用生物法。經(jīng)過研究，異養(yǎng)反硝化是最終去除全氮的過程。然而，由于各種因素的影響，脫氮效果不穩(wěn)定是大多數(shù)污水處理廠面臨的主要問題。通過整個(gè)過程的診斷和分析技術(shù)的58個(gè)污水處理廠在中國(guó),它是發(fā)現(xiàn),碳源,內(nèi)部回流比,攪拌和其他因素是反硝化和反硝化作用的主要影響因素(表1),碳源限制反硝化和反硝化過程的主要因素,占85.5%。其次是內(nèi)部回流比，占16.4%。此外，DO、攪拌等因素對(duì)反硝化和反硝化也有一定的影響。1. 的JPG
碳源對(duì)反硝化和反硝化的影響及優(yōu)化
碳源不足引起的脫氮性能下降是污水處理廠的普遍現(xiàn)象
在生物脫氮系統(tǒng)中，純水設(shè)備脫氮的主要電子供體是由小分子有機(jī)物組成的碳源。然而，在實(shí)際的生物脫氮過程中，系統(tǒng)中可生物降解有機(jī)物的含量較低，往往導(dǎo)致電子供體相對(duì)不足，脫氮反應(yīng)不完全。當(dāng)水中的碳源不足以為反硝化和反硝化提供電子給體時(shí)，應(yīng)添加碳源。BOD5/TN通常用來表征去除硝酸鹽氮所需的可用有機(jī)質(zhì)的量。為了保證反硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行，必須提供足夠的碳源。根據(jù)傳統(tǒng)的生物脫氮理論，將1 mg/L的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮，需要相當(dāng)于2.86 mg/L的BOD5?？紤]到生物合成、溶解氧消耗、污泥排放等因素的影響，結(jié)合研究和工程經(jīng)驗(yàn)，一般需要BOD5/TN>4。以太湖流域污水處理廠為例，BOD5/TN比值在3.345 ~ 3.468之間。水處理設(shè)備對(duì)太湖流域城市污水處理廠2007 ~ 2017年進(jìn)水BOD5/TN數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果如圖1所示。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠的進(jìn)水的BOD5/TN維持在3.5~4.3左右，平均值為3.87，針對(duì)生物脫氮需求，蘭州水處理設(shè)備略有不足。不同城市之間，進(jìn)水BOD5/TN值存在一定差異，南京和鎮(zhèn)江城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水BOD5/TN較低，在2~3之間，碳源嚴(yán)重不足，需外加碳源促進(jìn)反硝化脫氮效果，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。
反硝化速率可表征活性污泥僅利用進(jìn)水中碳源實(shí)現(xiàn)反硝化作用的性能，而反硝化潛力可表征在外加充分優(yōu)質(zhì)碳源的條件下活性污泥實(shí)現(xiàn)反硝化作用的最佳效果，兩者對(duì)比，可以分析研究進(jìn)水碳源對(duì)反硝化作用的影響。蘭州純水設(shè)備本研究調(diào)研了58座污水處理廠活性污泥反硝化速率和反硝化潛力，結(jié)果如表2（部分廠數(shù)據(jù)未給出）：
經(jīng)計(jì)算，所調(diào)研的58座污水處理廠活性污泥平均反硝化速率僅為1.4 mgNO3--N/gVSS·h，平均反硝化潛力為7.2 mgNO3--N/gVSS·h，而污水處理廠理論反硝化速率為3-5 mgNO3--N/gVSS·h。即污水處理廠普遍存在碳源不足引起的反硝化性能未充分發(fā)揮的問題。如何選擇碳源種類和投加點(diǎn)，確定最佳的碳源投加量，對(duì)實(shí)現(xiàn)污水處理廠反硝化效果提升具有重要意義。
調(diào)節(jié)碳源優(yōu)化反硝化案例分析
目前城鎮(zhèn)污水處理廠應(yīng)用較多的外加碳源主要包括冰醋酸、果糖和乙酸鈉等工業(yè)級(jí)小分子有機(jī)物，也有部分污水處理廠選用葡萄糖、白砂糖，或周邊啤酒廠、食品加工廠所產(chǎn)生的高BOD5/TN廢水。
理論上易降解有機(jī)物都可以用作反硝化碳源，但實(shí)際運(yùn)用中，不同的碳源作為電子供體，其對(duì)促進(jìn)反硝化反應(yīng)作用也不完全一樣，投加比也存在一定差異。因此研究選取污水處理廠常用外加碳源冰醋酸、果糖和乙酸鈉，純水設(shè)備進(jìn)行碳源比選實(shí)驗(yàn)，尋求最適外加碳源。
在相同時(shí)間內(nèi)，以乙酸鈉作為碳源活性污泥對(duì)NO3--N的去除效果更好，冰醋酸次之，但綜合考慮這兩種碳源的價(jià)格及實(shí)際反硝化效果，投加冰醋酸的運(yùn)行費(fèi)用較低，可選擇冰醋酸做為外加碳源（表3）。
除碳源種類之外，碳源投加位點(diǎn)的選擇，對(duì)外加碳源能否被反硝化反應(yīng)充分利用也具有重要意義。污水處理廠外加碳源主要是用于解決反硝化脫氮問題，因此碳源的投加點(diǎn)主要集中于進(jìn)水、預(yù)缺氧池、厭氧池和缺氧池。本研究以某污水處理廠為研究對(duì)象，探討碳源投加點(diǎn)對(duì)反硝化脫氮的影響。
注：設(shè)置了如下全流程位點(diǎn)：①進(jìn)水 ②廠內(nèi)循環(huán)水（污泥處置除臭噴淋水） ③細(xì)格柵出水 ④曝氣沉砂池出水 ⑤前缺1廊道⑥前缺2廊道 ⑦厭氧1廊道 ⑧厭氧2廊道 ⑨缺氧1廊道 ⑩缺氧2廊道 ?缺氧3廊道 ?缺氧4廊道 ?好氧1廊道前段 ?好氧1廊道后段 ?好氧2廊道后段 ?好氧3廊道 ?好氧4廊道后段 ?外回流液 ?二沉池出水 ?高效沉淀池出水 ?V型濾池出水
該污水處理廠主體工藝為A2/O，設(shè)計(jì)進(jìn)水COD 550 mg/L，但實(shí)際進(jìn)水COD均值僅318.2 mg/L，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷較設(shè)計(jì)值偏低，不利于反硝化脫氮反應(yīng)。為了具體了解該污水處理工藝的反硝化脫氮性能，對(duì)該廠進(jìn)行生化段沿程硝態(tài)氮濃度變化情況分析（圖2）。
該廠在之前的調(diào)試運(yùn)行期間，曾在缺氧池4廊道投加碳源，但硝態(tài)氮的去除效果并不明顯，原因是缺氧池4廊道為內(nèi)回流廊道，DO為0.5 mg/L，內(nèi)回流液攜帶的溶解氧會(huì)消耗優(yōu)質(zhì)碳源，為避免外加碳源的無效消耗，將碳源投加位點(diǎn)改為缺氧池1廊道，DO為0.11 mg/L，并進(jìn)行沿程氮組分分析。
圖3、圖4分別表示碳源投加點(diǎn)位調(diào)整前、后生化段硝態(tài)氮濃度變化值。由圖可知，調(diào)整碳源投加位點(diǎn)后，脫氮效果得到明顯提升。好氧池末端硝態(tài)氮濃度顯著降低至10 mg/L左右，有利于高排放標(biāo)準(zhǔn)下TN的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。
綜上，外加碳源的種類、投加點(diǎn)位對(duì)反硝化脫氮具有較大的影響。
（1）本研究所選擇的三種碳源中，乙酸鈉效果好，價(jià)格也較為適中，可優(yōu)先考慮做為外加碳源使用。但每個(gè)污水處理廠實(shí)際情況不一樣，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇對(duì)應(yīng)的外加碳源，也可考慮接入周邊高BOD5/TN廢水，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的再循環(huán)利用；
（2）投加位點(diǎn)建議以高硝態(tài)氮、低DO、攪拌效果好為選擇原則。
內(nèi)回流比對(duì)脫氮的影響及優(yōu)化
內(nèi)回流量過大或不足均影響反硝化脫氮性能
內(nèi)回流一般指?jìng)鹘y(tǒng)A2/O（圖5）工藝中將好氧段硝化反應(yīng)產(chǎn)生的含硝態(tài)氮混合液輸送至缺氧段的工藝步驟，水處理設(shè)備其目的是為缺氧段的反硝化反應(yīng)提供硝態(tài)氮，強(qiáng)化反硝化脫氮性能。
回流比對(duì)生化系統(tǒng)的處理效果有著重要的影響，如傳統(tǒng)A2/O工藝中脫氮率與內(nèi)回流（r）及外回流（R）的關(guān)系如下：
因此，提高內(nèi)回流比有利于提高脫氮效果。但是，內(nèi)回流量過大易攜帶大量溶解氧進(jìn)入缺氧池，影響缺氧環(huán)境，同時(shí)造成回流泵能耗浪費(fèi)；而內(nèi)回流量不足也會(huì)導(dǎo)致缺氧段硝態(tài)氮含量不足，限制脫氮效率。所以選擇合適的內(nèi)回流比可以有效強(qiáng)化生物反硝化脫氮性能。
調(diào)控內(nèi)回流比優(yōu)化反硝化案例分析
某污水處理廠主體工藝為A2/O，存在出水總氮偏高的情況。為了具體了解反硝化脫氮性能，對(duì)該廠進(jìn)行生化段沿程硝態(tài)氮濃度分析（圖6-圖7）。
圖6表示生化段硝態(tài)氮濃度值，由圖可知，好氧池回流液回流至內(nèi)回流點(diǎn)，使得內(nèi)回流點(diǎn)處存在大量的NO3--N，厭氧池實(shí)際為缺氧環(huán)境，反硝化脫氮效果明顯。好氧池NO3--N濃度大于缺氧池，可適當(dāng)提高內(nèi)回流比來進(jìn)一步提高脫氮效果。遂將其內(nèi)回流比由原始的100%提高到200%，并測(cè)量其沿程硝態(tài)氮變化情況。
圖7表示工藝調(diào)整前后生化池沿程硝態(tài)氮濃度變化趨勢(shì)，由圖可知，6月28日測(cè)出二沉池出水硝態(tài)氮濃度僅為9.2 mg/L，低于6月27日工藝調(diào)整后的11.43 mg/L和6月25日工藝調(diào)整前的13.6 mg/L。而且工藝調(diào)整后二沉池出水硝態(tài)氮濃度也有明顯下降，表明內(nèi)回流的提高有助于硝態(tài)氮的去除，保障出水TN的達(dá)標(biāo)排放。
在實(shí)際運(yùn)行中，好氧池硝態(tài)氮濃度較高，缺氧段硝態(tài)氮濃度卻較低，適當(dāng)提高內(nèi)回流比可以有效提高反硝化脫氮效率。純水設(shè)備因此建議污水處理廠：
（1）安裝內(nèi)回流泵時(shí)留有余量，方便調(diào)節(jié)；
（2）污水處理廠運(yùn)行過程中可將缺氧末端和好氧末端的硝態(tài)氮納入日常檢測(cè)指標(biāo)范圍，定期檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整內(nèi)回流比，蘭州純水設(shè)備強(qiáng)化反硝化脫氮性能；
（3）提標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮AAAOAO工藝，提高反硝化脫氮性能。
內(nèi)回流溶解氧對(duì)脫氮影響及優(yōu)化
內(nèi)回流溶解氧過大影響脫氮效果
內(nèi)回流溶解氧特指?jìng)鹘y(tǒng)A2/O工藝中好氧池到缺氧池的內(nèi)回流液中攜帶的單質(zhì)氧分子。因?yàn)榉聪趸羌嫘跃?，根?jù)游離氧（O2）和硝酸鹽（NO3-）作為電子受體的氧化產(chǎn)能數(shù)據(jù)，以O2作為電子受體的產(chǎn)能約為NO3-的1.2倍，所以當(dāng)池中含有溶解氧時(shí)，微生物會(huì)優(yōu)先選擇游離氧作為碳源有機(jī)物氧化的電子受體。
城鎮(zhèn)污水處理廠缺氧池的溶解氧主要來源于內(nèi)回流混合液挾帶。基于此建立碳源不足情況下，內(nèi)回流混合液挾氧對(duì)缺氧池反硝化脫氮影響的理論預(yù)測(cè)模型，公式如下：
△TN=0.35·k·r·DO內(nèi)回流/100
其中：△TN—內(nèi)回流挾氧導(dǎo)致污水系統(tǒng)TN去除量降低值，mg/L；
0.35—O2對(duì)NO3--N去除影響的當(dāng)量系數(shù)，mgNO3--N/mgO2；
k—影響常量，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)，工程中可取1.2~1.4；
r—內(nèi)回流比，%；
DO內(nèi)回流—內(nèi)回流混合液進(jìn)入缺氧池時(shí)的DO值，mg/L。
降低內(nèi)回流溶解氧優(yōu)化反硝化案例分析
某污水處理廠主體工藝為A2/O+MBR工藝（圖8，MBR指膜生物反應(yīng)器）。設(shè)計(jì)出水優(yōu)于國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
該廠內(nèi)回流由膜池直接回流至缺氧池，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)膜池溶解氧一般大于7 mg/L，因此膜池直接回流至缺氧池會(huì)攜帶大量溶解氧而影響缺氧池進(jìn)行反硝化。
為研究高溶解氧回流對(duì)缺氧反硝化的影響，水處理設(shè)備設(shè)計(jì)降低溶解氧條件下硝態(tài)氮濃度變化測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：
圖9表示不同內(nèi)回流DO條件下缺氧反硝化硝態(tài)氮濃度變化。高溶解氧條件下，即初始溶解氧為7 mg/L時(shí)，在實(shí)驗(yàn)前10 min內(nèi)NO3--N有上升的現(xiàn)象，而后NO3--N開始下降，下降量為1.4 mg/L。降低溶解氧后，即初始溶解氧控制為3 mg/L時(shí)，在實(shí)驗(yàn)初始階段NO3--N基本保持恒定，而后NO3--N開始下降蘭州水處理設(shè)備，下降量為3.2 mg/L。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溶解氧對(duì)反硝化影響較大，降低內(nèi)回流溶解氧可以有效提高NO3--N降解量，可提高1.8 mg/L的NO3--N降解量。
通過內(nèi)回流將好氧池高硝態(tài)氮輸送至缺氧段，可以進(jìn)一步挖掘脫氮潛力。針對(duì)回流液中溶解氧問題，建議污水處理廠：
（1）可以將好氧池設(shè)計(jì)為梯度曝氣結(jié)構(gòu)，降低內(nèi)回流液中溶解氧溶度；
（2）在好氧池內(nèi)通過增設(shè)隔墻，分割獨(dú)立出消氧區(qū)，內(nèi)回流液經(jīng)過消氧區(qū)后輸送至缺氧區(qū)。
攪拌對(duì)脫氮影響及優(yōu)化
攪拌不均勻或強(qiáng)度不夠?qū)е挛勰喑练e和泥水分離
活性污泥法處理污水過程中，如何使活性污泥與水體混合接觸是提高處理效果的關(guān)鍵因素之一。但本研究在實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，部分出水總氮存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)的污水處理廠存在攪拌不均勻或攪拌強(qiáng)度、范圍不夠等情況，以致出現(xiàn)污泥沉積、泥水分離現(xiàn)象。
改善攪拌條件優(yōu)化反硝化案例分析
對(duì)某SBR工藝污水處理廠調(diào)研發(fā)現(xiàn)該廠進(jìn)水階段出現(xiàn)嚴(yán)重泥水分層現(xiàn)象，采樣進(jìn)行模擬攪拌實(shí)驗(yàn)。
圖10為模擬不同攪拌條件下硝態(tài)氮濃度變化情況圖。攪拌不充分的情況下，反硝化性能明顯降低，2 h的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，水處理設(shè)備硝態(tài)氮只降低了9.3 mg/L，而充分?jǐn)嚢枨闆r下，1 h的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，硝態(tài)氮即可降低25.8 mg/L。而充分?jǐn)嚢璧那闆r下，可以使污水和活性污泥充分接觸，從而提高反硝化效果。
建議污水處理廠可通過以下途徑改善攪拌效果：
（1）設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合理的攪拌推流器型號(hào)蘭州水處理設(shè)備，有條件者建議進(jìn)行水力模擬實(shí)驗(yàn)確定；
（2）保障攪拌器正常運(yùn)行。
建議
針對(duì)在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的污水處理廠影響反硝化效果的主要影響因素：碳源、內(nèi)回流比、內(nèi)回流溶解氧和攪拌，在高排放標(biāo)準(zhǔn)下，提出如下建議：
（1）碳源投加可通過選擇合適的碳源種類和碳源投加點(diǎn)位實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。
（2）內(nèi)回流比可通過日常檢測(cè)生化池硝態(tài)氮濃度及時(shí)調(diào)整內(nèi)回流比來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。
（3）內(nèi)回流溶解氧可通過在好氧池末端設(shè)立隔離消氧區(qū)降低回流液的DO值來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。
（4）攪拌可通過選擇合理的攪拌推流器并保證其正常有效運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。
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