低溫氨氮減排技術(shù)的中試試驗(yàn)

周維奇，張 鑫，周新宇，馬 艷

(上海城市水資源開發(fā)利用國家工程中心有限公司，上海 200082)

根據(jù)上海市《關(guān)于本市“十二五”期間城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)要求的通知》(滬環(huán)保總〔2013〕11 號)的規(guī)定，所屬位于本市準(zhǔn)水源保護(hù)區(qū)外、現(xiàn)執(zhí)行二級標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠，到2015 年底以前分批執(zhí)行一級B 標(biāo)準(zhǔn)，位于準(zhǔn)水源保護(hù)區(qū)內(nèi)的城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行一級A 標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上海某污水廠提供的2012 年全年～2013 年11 月的出水水質(zhì)數(shù)據(jù)，污水廠的提標(biāo)改造難點(diǎn)主要集中在冬季低溫條件下12 月～次年3 月，出水平均氨氮高于一級B 標(biāo)準(zhǔn)的最高允許排放濃度(15 mg /L，水溫＜12 ℃時(shí))，平均去除率不足50%［1］。

污水水溫降至15 ℃左右時(shí)，低溫對活性污泥硝化反硝化性能的抑制作用開始逐漸增強(qiáng)，并影響出水水質(zhì)［2，3］。針對冬季低溫條件，研究人員采用了多種辦法克服不利影響，比如增加停留時(shí)間、加大曝氣、提高污泥濃度、控制泥齡15 ～20 d［4-7］等。此外，還有投加填料、投加優(yōu)勢低溫硝化菌種［8］、改良A /A/O 工藝［9］等手段。這些方案對企業(yè)實(shí)際運(yùn)行有一定的指導(dǎo)意見，但不見得都具備可行性或經(jīng)濟(jì)性。本課題研究的目的是找出本地區(qū)冬季硝化效果差的首要因素，并提出適合此廠水質(zhì)和工藝特征的應(yīng)對方案。

1 中試試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

裝置主體為不銹鋼材料制作，處理規(guī)模為100 t/d，由集水井、初沉池、合建式生化反應(yīng)池、二沉池組成。合建式生化反應(yīng)池水力停留時(shí)間(HRT)共12 h，其中厭氧段、缺氧段、好氧段HRT 分別為1.4、2.6、8 h。進(jìn)水、混合液回流、污泥回流均由無堵塞排污泵進(jìn)行控制，流量采用EM5000 型電磁流量計(jì)精確計(jì)量。缺氧區(qū)和好氧區(qū)由攪拌泵使混合液攪拌均勻，好氧池底部設(shè)有橡膠膜微孔曝氣管，并由羅茨風(fēng)機(jī)供氣。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間為2013 年12 月～2014 年4 月，是全年氣溫最低的幾個(gè)月，主要考察水溫、pH、HRT、溶解氧對出水氨氮影響［10］。水溫和pH 通過每日實(shí)際測量，分別選取了3 組HRT 和3 組溶解氧(DO)做獨(dú)立試驗(yàn)，用來考察HRT 和DO 對出水氨氮的影響，每個(gè)工況連續(xù)不間斷運(yùn)行15 d。

在控制污泥濃度為2.0 ～3.0 g /L，混合液回流比為200%，污泥回流比為100%的條件下，調(diào)節(jié)進(jìn)水流量來控制總HRT。三種工況的HRT 設(shè)定值如表1 所示

表1 3 種工況下，HRT 的設(shè)定值Tab.1 Set Value of HRT under 3 Kinds of Operating Conditions

在控制總HRT 為12 h，好氧段HRT 為8 h，污泥濃度為2.0 ～3.0 g /L，混合液回流比為200%，污泥回流比為100%的條件下，調(diào)節(jié)曝氣量大小，控制好氧段的DO。由于曝氣不均勻及生物量的變化，難以控制DO 為一個(gè)恒定值。由表2 可知工況4、5、6 的好氧 段DO 的平均值 為0. 9、2. 7、4.3 mg/L。

表2 3 種工況下，DO 的平均值Tab.2 Average Value of DO under 3 Kinds of Operating Conditions

1.3 測試方法與進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)進(jìn)水取自廠區(qū)沉砂池出水，水質(zhì)情況如圖1 所示。試驗(yàn)現(xiàn)場測試指標(biāo)有pH、DO、水溫。pH 的測定點(diǎn)包括集水井、厭氧段、缺氧段、好氧段4 個(gè)點(diǎn);DO 測定范圍包括曝氣池好氧末端在內(nèi)的4 個(gè)不同測試點(diǎn)、厭氧段和缺氧段，以保證DO 在設(shè)定范圍內(nèi);水溫為曝氣池水溫。每天早中晚各時(shí)間段測試1 次，并記錄。實(shí)驗(yàn)室測試指標(biāo)有COD、BOD、NH3-N、TN、MLSS 和MLVSS，均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法分析測定。

圖1 進(jìn)水水質(zhì)圖Fig.1 Quality of Influent

由圖1 可知進(jìn)水COD 變化幅度為250 ～350 mg/L、BOD 在100 ～150 mg /L 之間波動(dòng)，氨氮、總氮變化幅度較少，平均值分別為24.5 和30.8 mg/L。BOD/COD 平均值為0.45，BOD/TN 平均值為4.05，由此可知該進(jìn)水屬于低碳源水質(zhì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水溫與pH 變化規(guī)律

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，將每天的數(shù)據(jù)取平均值，得到水溫和pH 的變化規(guī)律，如圖2 所示。

圖2 2014 年1 ～3 月份水溫、進(jìn)水pH 變化圖Fig.2 Changes of Temperature and pH of Influent from January to March in 2014

由圖2 可知1 ～3 月份期間，試驗(yàn)基地生化池內(nèi)水溫穩(wěn)定，維持在11. 0 ～15. 5 ℃，每天早中晚變化幅度的差異不超過1 ℃。同一時(shí)期，氣溫變化幅度較大，1 月和2 月的平均最高溫度為10 ℃，平均最低溫度只有3 ℃，水溫比氣溫高約5 ℃。硝化反應(yīng)被認(rèn)為是所有生化反應(yīng)中對溫度最為敏感的一步［11］，氨氧化細(xì)菌的比增長速率(μ)會(huì)隨水溫的降低而下降，不同的研究者得出了不同的公式，其中美國EPA 給出的方程是μ =0.47 × e0.09(T-15)，Barnard［12］給出的方程是μ = 0.33 × 1.27(T-15)。根據(jù)Head 等［13］的研究，當(dāng)水溫突然下降20 ℃時(shí)，硝化反應(yīng)依然可以繼續(xù)，水溫從30、25、20 ℃冷卻到10 ℃，硝化反應(yīng)速率平均下降了82%、71%和58%。當(dāng)水溫突然降低10 ℃時(shí)，硝化反應(yīng)速率會(huì)比逐步下降10 ℃多下降20%。在曝氣池內(nèi)，水溫在最極端的天氣下，不至于會(huì)下降到10 ℃之下，相對穩(wěn)定的水溫對硝化菌的生化作用提供了保障基礎(chǔ)。在此期間，進(jìn)水pH 維持在7.0 ～7.5?；旌弦簆H 從厭氧池到缺氧池，最后到好氧末端，pH 的平均值為7.35→7.15→6.99，有小幅度的下降，但均不會(huì)對硝化作用造成較大的影響。

3.3.4 泛素化 泛素化是一種影響PTEN降解和核-質(zhì)轉(zhuǎn)移的翻譯后調(diào)控機(jī)制。PTEN的C端尾部和C2結(jié)構(gòu)域相互作用形成具有泛素化位點(diǎn)(Lys289)的環(huán)。PTEN可被表達(dá)泛素連接酶NEDD4-1的神經(jīng)前體細(xì)胞泛素化。PTEN的多聚泛素化可使蛋白質(zhì)穩(wěn)定性降低，進(jìn)而通過蛋白酶介導(dǎo)的衰變機(jī)制引起PTEN的降解，從而對PI3K/Akt通路的負(fù)調(diào)控減弱，細(xì)胞周期加速，細(xì)胞生長繁殖增快，促進(jìn)腫瘤發(fā)生。而Lys13和Lys289上PTEN的單泛素化則促進(jìn)PTEN的核轉(zhuǎn)移，引起其在核內(nèi)的積累[14]。

2.2 HRT 對出水水質(zhì)的變化規(guī)律

圖3 為HRT 與出水氨氮的關(guān)系，圖4 為HRT與出水總氮的關(guān)系。

由圖3 和圖4 可知隨著HRT 的增加，出水氨氮、總氮濃度均有一定程度的下降。當(dāng)HRT 為10 h時(shí)，出水氨氮、總氮的平均值分別為6. 8 和15.6 mg/L，去除率分別為71.7%和50.9%;當(dāng)HRT為12 h 時(shí)，出水氨氮、總氮的平均值為5. 2 和12.9 mg/ L，去除率分別為79. 5% 和56. 6%;當(dāng)HRT 為14 h 時(shí)，出水氨氮、總氮的平均值為4.1 和12.6 mg/L，去除率分別為83.2%和60.1%。

增加HRT 目的是為了增加硝化反應(yīng)的時(shí)間，在上述工況條件下，增加4 h 的HRT，出水氨氮和總氮值只降低了2.7 和3.0 mg/L，可以推斷出如果繼續(xù)增加HRT，出水氨氮和總氮只會(huì)緩慢下降，減排的效果不是十分明顯。

圖3 HRT 與出水氨氮的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between HRT and NH4-N + of Effluent

圖4 HRT 與出水總氮的關(guān)系圖。Fig.4 Relationship between HRT and TN of Effluent

2.3 DO 對出水水質(zhì)的變化規(guī)律

圖5 為DO 與出水氨氮的關(guān)系，圖6 為DO 與出水總氮的關(guān)系。

圖5 DO 與出水氨氮的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between DO and NH4-N + of Effluent

圖6 DO 與出水總氮的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between DO and TN of Effluent

由圖5 和圖6 可知隨著DO 的提高，出水氨氮、總氮均有較明顯降低。當(dāng)DO 為0.9 mg/L 時(shí)，出水氨氮、總氮的平均值分別為16.5 和23.3 mg /L，去除率分別為34.8%和28.2%;當(dāng)DO 為2.7 mg /L時(shí)，出水氨氮、總氮的平均值為5.2 和12.9 mg /L，去除率分別為79.5%和56.6%;當(dāng)DO 為4.3 mg/L時(shí)，出水氨氮、總氮的平均值為0.8 和8.2 mg /L，去除率分別為96.6% 和72.3%;當(dāng)水溫為11 ～15.5 ℃時(shí)，通過提高DO，氨氮去除率可以較明顯提高，氨氮指標(biāo)可以達(dá)到一級A 的排放標(biāo)準(zhǔn)。氨氧化細(xì)菌與亞硝酸氧化細(xì)菌都屬于自養(yǎng)微生物，由于氨氧化細(xì)菌與亞硝酸氧化細(xì)菌都是利用單一生長基質(zhì)生長的微生物，兩種微生物的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)接近于Monod 關(guān)系的基本條件，由于兩類生化反應(yīng)產(chǎn)生的能量不盡相同，一般而言，硝化反應(yīng)中的速度限制步驟是亞硝酸菌屬將NH3-N 氧化成NO-2 -N 的過程［14，15］。亞硝酸菌的增殖與底物去除的動(dòng)力學(xué)可以用Monod 方程表示，如式(1)所示。

其中μ—亞硝酸菌的比增長速率，d-1;

KN—亞硝酸菌氧化氨氮的飽和常數(shù)，范圍是0.15 ～2.0 mg /L;

SNH3— 氨氮的濃度，mg /L。

羅飛航［16，17］的模擬結(jié)果表明硝化反應(yīng)過程中，溫度的靈敏度最大、DO 次之、堿度靈敏度相對最小。在冬季水溫相對恒定的情形下，DO 也是一個(gè)不可忽視的因子，提高DO 可以加快微生物硝化反應(yīng)速率。另外，運(yùn)行過程中，在較低DO 的情形下，二沉池內(nèi)絮狀懸浮物增多，出水水質(zhì)濁度變差，容易發(fā)生污泥膨脹，有發(fā)生SVI 超過200 的情況。氨氮削減率由0.9 減少到0.3 mg/VSS·h。

3 低溫脫氮的措施分析

常規(guī)生物脫氮處理法對水溫在12 ℃以上的污水往往有較好的硝化效果，面對冬季低溫(12 ±2℃)條件下，城鎮(zhèn)污水廠往往按照經(jīng)驗(yàn)，通過降低污泥負(fù)荷，延長污泥齡，增加HRT、提高DO 等方式來提高硝化反應(yīng)，在這些方法中，選擇出合適的方法并不是一件容易的事情。根據(jù)中試的情況，并結(jié)合污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況，針對各種可能的情形進(jìn)行逐一分析，以便得出更優(yōu)的處理辦法，具體如表3 所示。

表3 中試運(yùn)行參數(shù)與廠實(shí)際運(yùn)營對比表Tab.3 Comparison of Parameters between Pilot Test and Practical Operation

由兩者相比較可知，污水處理廠實(shí)際運(yùn)行參數(shù)部分優(yōu)于中試，廠區(qū)污泥濃度高于中試基地，其他參數(shù)大體一致，唯有DO 一項(xiàng)指標(biāo)，未有準(zhǔn)確參數(shù)，廠區(qū)實(shí)際情況是曝氣池末端DO ＞2 mg /L，部分監(jiān)測段DO ＞2 mg /L，當(dāng)初設(shè)計(jì)是按照污水處理廠出水二級排放標(biāo)準(zhǔn)，氣水比為4.5，可見有可能存在曝氣不均導(dǎo)致實(shí)際曝氣量不夠的問題。廠內(nèi)目前采取提高污泥濃度，冬季低溫下污泥濃度平均為3.5 g /L，HRT 增加至13 小時(shí)，但均未取得良好的效果，氨氮出水去除率不到50%，出水濃度為12 ～15 mg /L。另外，還嘗試投加硝化菌、投加填料等手段，但因成本問題，未能有效實(shí)施。結(jié)合該廠生產(chǎn)運(yùn)行情況或可能的提標(biāo)改造工程，在提高污泥濃度、增加HRT和提高曝氣量等多種措施中，可能的最優(yōu)方案是提高曝氣量。

4 結(jié)論

根據(jù)在廠區(qū)日處理量100 t/d 的中試基地運(yùn)行情況，提出影響低溫條件下脫氮工藝的因子和優(yōu)化控制措施。

(1)2014 年1 ～3 月，中試基地內(nèi)水溫變化范圍是11.0 ～15.5 ℃，且水溫早晚溫差變化較小，在曝氣充足的情況下，未見氨氮出水超標(biāo)現(xiàn)象，均小于8 mg/L。進(jìn)水pH 維持在7.0 ～7.5，不太低的溫度為生物脫氮提供了良好的基礎(chǔ)環(huán)境。

(2)HRT 從10 增加到14 h，出水氨氮和總氮平均下降了2.7 和3.0 mg/L，減排效果并不明顯。

(3)當(dāng)水溫為11.0 ～15.5 ℃時(shí)，通過提高DO，氨氮去除率可以提高，氨氮指標(biāo)可以達(dá)到一級A 的排放標(biāo)準(zhǔn)，如果當(dāng)DO 低于1 mg /L 時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響出水氨氮。

為實(shí)現(xiàn)上?！笆濉背擎?zhèn)污水處理廠脫氮減排的目標(biāo)，出水氨氮指標(biāo)達(dá)到GB 18918—2002 的一級B 標(biāo)準(zhǔn)，污泥負(fù)荷宜采用0.10 ～0.14 kg BOD5/kg MLSS·d，生物池的泥齡可采用15 ～20 d，HRT 為12 h，污泥濃度為2.0 ～3.0 g /L，曝氣池DO 控制在2 mg /L 以上，內(nèi)回流為200%，外回流為100%，關(guān)鍵是從設(shè)計(jì)上或?qū)淼奶針?biāo)改造中，提高氣水比，另外在實(shí)際運(yùn)行過程中，加強(qiáng)對曝氣池DO 的整體監(jiān)測。

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