城鎮(zhèn)污水處理廠強(qiáng)化低溫硝化案例探討

黃 斌

（長(zhǎng)沙市聯(lián)泰水質(zhì)凈化有限公司湖南長(zhǎng)沙410219）

城鎮(zhèn)污水處理廠強(qiáng)化低溫硝化案例探討

黃 斌

（長(zhǎng)沙市聯(lián)泰水質(zhì)凈化有限公司湖南長(zhǎng)沙410219）

硝化反應(yīng)速率受溫度影響較大，低溫使得硝化反應(yīng)速率下降，針對(duì)某污水處理廠A2/O工藝在冬季水溫處于10℃左右的情況下出現(xiàn)的硝化效果不好的問(wèn)題，通過(guò)分析研究及優(yōu)化調(diào)整，通過(guò)將MLVSS提高至2g/L，生物池好氧段DO提高至3mg/L～4mg/L的措施，在現(xiàn)有條件下可將氨氮去除率提高至80%以上。

城鎮(zhèn)；污水處理廠；低溫硝化；強(qiáng)化

活性污泥法處理污水至今已有100年歷史，幾十年來(lái)活性污泥法處理技術(shù)有很快的發(fā)展，已成為城鎮(zhèn)污水采用最為廣泛的處理方法[1]。隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日趨得到重視，污水處理廠相應(yīng)的需增加脫氮除磷功能。由于活性污泥法是自然凈化的強(qiáng)化，對(duì)于水量大濃度相對(duì)較低的城鎮(zhèn)生活污水來(lái)講，相較于其他物理化學(xué)方法有著天然的成本優(yōu)勢(shì)，因此目前為止，活性污泥法仍然是城鎮(zhèn)污水處理中運(yùn)用最廣泛最合適的技術(shù)。

但活性污泥法也存在相應(yīng)的問(wèn)題，本文著重探討的是活性污泥法處理中氨氮的低溫硝化存在的問(wèn)題，由于硝化菌的消化速率受溫度影響較大，而污水水溫是季節(jié)性變化的，冬季水溫普遍較低，在南方地區(qū)一般會(huì)低于10℃，使得冬季運(yùn)行中出現(xiàn)氨氮去除率較低的的現(xiàn)象，筆者針對(duì)所在的污水處理廠運(yùn)行情況，分析原因并進(jìn)行工藝調(diào)整，強(qiáng)化了污水處理系統(tǒng)的低溫硝化效果，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，同時(shí)分享出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求提高后，現(xiàn)有工藝技術(shù)改造的設(shè)計(jì)思路。

1 污水廠概況

某污水處理廠一期設(shè)計(jì)規(guī)模30×104m3/d，出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，生化工藝采用改良型A2/O工藝，主要特點(diǎn)為在厭氧池前段設(shè)置選擇池，二沉池回流污泥先進(jìn)入選擇池進(jìn)行反硝化，避免硝酸鹽對(duì)厭氧釋磷的影響，此外，好氧和缺氧段池型設(shè)計(jì)為卡魯塞爾氧化溝池型，以微孔曝氣器的分布區(qū)域來(lái)區(qū)分好氧段和缺氧段，該設(shè)計(jì)的最大好處在于內(nèi)回流比較大，具有完全混合型生物反應(yīng)器的抗沖擊效果好的特點(diǎn)。

2 實(shí)際運(yùn)行中低溫對(duì)硝化反應(yīng)的影響

由于污水處理廠地處南方地區(qū)，納污區(qū)排水體制大部分為合流制，導(dǎo)致進(jìn)水水質(zhì)隨季節(jié)波動(dòng)較大，雨季濃度低，旱季濃度高，且由于城市建設(shè)的影響，合流制造成了進(jìn)水SS中無(wú)機(jī)成分比例較高。

依據(jù)污水廠多年數(shù)據(jù)，夏季水溫可保持在25℃～30℃之間，且由于進(jìn)水濃度相對(duì)較低，污泥負(fù)荷低，硝化反應(yīng)效率較高，出水氨氮基本維持在1mg/L以下。但每年進(jìn)入11月之后，水溫逐步下降，最低水溫出現(xiàn)在次年1～2月，基本維持在9℃～11℃之間，最低水溫曾降至7.8℃，此時(shí)反映出來(lái)的情況就是硝化反應(yīng)效率持續(xù)下降，出水氨氮持續(xù)上漲。

研究表明，溫度對(duì)硝化反應(yīng)的影響很大（見(jiàn)圖1），生物硝化反應(yīng)可以在4℃~45℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，最佳溫度大約為30℃，硝化菌對(duì)溫度變化非常敏感，對(duì)于同時(shí)去除有機(jī)物和進(jìn)行硝化反應(yīng)的系統(tǒng)，溫度低于15℃即發(fā)現(xiàn)硝化速率急劇下降。溫度不但影響硝化菌的比增長(zhǎng)速率，而且影響硝化菌的活性[2]。表1所示為不同溫度下亞硝酸菌的最大比增長(zhǎng)速率μN(yùn)值。

表1 不同溫度下亞硝酸菌的最大比增長(zhǎng)速率

圖1 溫度對(duì)硝化反應(yīng)速率的影響

從污水廠歷年數(shù)據(jù)來(lái)看，前期冬季水溫下降到15℃以下并持續(xù)下降時(shí)，在不進(jìn)行任何工藝調(diào)整的情況下，出水氨氮明顯上漲，在水溫下降至10℃左右時(shí)，出水氨氮日均值（24h混合樣）由夏季的低于1mg/L逐漸上升至5 mg/L～6mg/L，最高上漲至7.6mg/L，平均去除率由夏季的94%下降至70%左右，最低降至60%左右。

3 現(xiàn)有條件下強(qiáng)化硝化的措施和效果

在充分研究硝化理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合污水廠的實(shí)際工藝情況，該廠做了一系列的分析和優(yōu)化措施。

3.1 提高好氧段DO濃度

硝化反應(yīng)必須在好氧條件下進(jìn)行，一般建議反應(yīng)中DO濃度應(yīng)控制在2mg/L，日常運(yùn)行中依據(jù)工藝情況進(jìn)行DO調(diào)整，既要滿足污染物得到有效降解，出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，又要做到盡可能的節(jié)省能源，該廠日常運(yùn)行中DO一般控制在1.5 mg/L～2.0mg/L之間，夏季最低時(shí)維持在1 mg/L～1.5mg/L之間即可滿足生產(chǎn)需要。研究表明，在同時(shí)去除有機(jī)物和進(jìn)行硝化反應(yīng)的系統(tǒng)中，硝化菌在活性污泥中的比例約為8%左右，且大部分處于生物絮體內(nèi)部[3]，在這種情況下，DO濃度的增加將提高DO對(duì)生物絮體的穿透力，使得內(nèi)部的硝化菌能夠獲得足夠的溶解氧，從而提高硝化反應(yīng)速率。圖2為溶解氧對(duì)硝化反應(yīng)速率的影響[4]。

圖2 為溶解氧對(duì)硝化反應(yīng)速率的影響

但提高DO濃度也有不利的一面，主要是會(huì)影響缺氧區(qū)的反硝化環(huán)境，使得TN的去除率降低，同時(shí)也將造成無(wú)謂的能源浪費(fèi)，生產(chǎn)成本的增加。因此，DO濃度應(yīng)控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，既能有效降低出水氨氮濃度，又能不影響反硝化的進(jìn)行，同時(shí)最大程度降低能耗。

3.2 提高污泥濃度

該廠設(shè)計(jì)污泥濃度為3.8g/L，設(shè)計(jì)BOD負(fù)荷為0.11kgBOD5/ kgMLSS·d，氨氮負(fù)荷為0.025kgNH3-N/kgMLSS·d。提高污泥濃度以應(yīng)對(duì)低溫硝化反應(yīng)主要有以下幾點(diǎn)考慮。（1）研究表明隨著溫度下降至一定程度，硝化速率開(kāi)始持續(xù)下降，可以理解為單位硝化菌可降解的氨氮量的下降，由于在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)中硝化菌在活性污泥中占比也相對(duì)恒定，此時(shí)提高污泥濃度意味著提高整個(gè)系統(tǒng)的硝化菌數(shù)量，硝化細(xì)菌量的增多無(wú)疑能使得系統(tǒng)的總氨氮去除量得以增加，以彌補(bǔ)硝化速率下降帶來(lái)的影響。（2）硝化菌是自養(yǎng)菌，其比增長(zhǎng)速率比異養(yǎng)菌的比增長(zhǎng)速率低得多，且上述提及低溫不僅使得硝化速率降低，同時(shí)也使得硝化菌的比增長(zhǎng)速率成倍的下降，因此在提高污泥濃度，排泥保持不變的情況下，相當(dāng)于增加了系統(tǒng)的泥齡，確保系統(tǒng)中有足夠的硝化菌。（3）研究表明當(dāng)F/M值高，污泥絮體外層的耗氧速率將會(huì)增加，從而使得絮體內(nèi)部形成缺氧區(qū)，那么需要更高的DO才能提高溶解氧對(duì)生物絮體的穿透力，這無(wú)疑會(huì)增加很大一部分能耗，而污泥濃度的提高同時(shí)也降低了系統(tǒng)F/M值，在低F/M值的條件下，由于生物絮體外部耗氧量需求的下降，使得整個(gè)生物絮體能夠保持好氧狀態(tài)[4]，即處于絮體內(nèi)部的硝化菌在同等DO濃度下能夠獲得更多的溶解氧，從而提高整體的硝化反應(yīng)速率。

需要注意的是，污泥濃度的提高需要考慮在一個(gè)合理的范圍，由于生物除磷原理是依靠聚磷菌超量吸收磷的作用，將磷富集于聚磷菌體內(nèi)，隨著系統(tǒng)剩余污泥的排走而排出系統(tǒng)的，而污泥齡過(guò)長(zhǎng)會(huì)使得超量吸收的磷未能及時(shí)從系統(tǒng)內(nèi)排走，此外有研究認(rèn)為污泥齡過(guò)長(zhǎng)會(huì)發(fā)生污泥的“自溶”，即污泥死亡解體，使得聚磷菌吸收的磷又重新回到液相中[5]，從而影響系統(tǒng)的除磷。另外，還需考慮污泥濃度過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)是否有足夠的攪拌功率確保生物池不發(fā)生沉泥現(xiàn)象。

3.3 工藝優(yōu)化效果

在結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，該廠以出水水質(zhì)指標(biāo)為導(dǎo)向，進(jìn)行了污泥濃度和溶解氧的調(diào)整，平均污泥濃度控制在6g/L左右，相對(duì)污水廠普遍水平來(lái)說(shuō)較高，這主要是由于上述提及的該廠進(jìn)水SS無(wú)機(jī)物含量較高，加上污泥齡較長(zhǎng)，使得生物池的污泥MLVSS/ MLSS值較低，平均只有30%～40%，從微生物負(fù)荷的角度來(lái)講，實(shí)際上MLSS并不是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂茀?shù)，活性污泥中只有有機(jī)成分部分，即MLVSS，才是真正發(fā)揮生物化學(xué)反應(yīng)的有用部分，因此該廠通過(guò)研究試驗(yàn)，最終控制的目標(biāo)是MLVSS需達(dá)到2g/L左右，在此基礎(chǔ)上，合理控制DO濃度，將好氧段平均DO濃度提高至3 mg/L～4mg/L之間，短時(shí)間提高至5mg/L左右，即可確保出水氨氮濃度得到有效降低，穩(wěn)定達(dá)到2mg/L~4mg/L左右，去除率提高到80%以上，這樣出水氨氮指標(biāo)即遠(yuǎn)離超標(biāo)危險(xiǎn)區(qū)，也最大程度地節(jié)約了能耗。

4 提標(biāo)改造的工藝技改對(duì)策

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度越來(lái)越高，現(xiàn)有的污水處理廠已逐步進(jìn)入水質(zhì)提標(biāo)階段。筆者所在污水處理廠主要出水水質(zhì)指標(biāo)已確定提高至地表準(zhǔn)IV類水（TN≤10）水質(zhì)，其中氨氮的指標(biāo)從原來(lái)的8mg/L提高至1.5mg/L，從該廠歷年運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，此標(biāo)準(zhǔn)一年中只有雨季的時(shí)候能夠穩(wěn)定達(dá)到，冬季很難達(dá)標(biāo)，且隨著城市管網(wǎng)的完善，可以預(yù)計(jì)進(jìn)水濃度將逐步上漲，以目前的工藝系統(tǒng)是完全無(wú)法滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求的，工藝的升級(jí)改造勢(shì)在必行。MBBR（移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器）工藝是向現(xiàn)有生物池投加比重接近于水的填料，作為微生物附著生長(zhǎng)的載體，利用填料表面附著生長(zhǎng)的生物膜和原有生物池中的懸浮活性污泥協(xié)同處理污水[6]，是一種活性污泥法和生物膜法相結(jié)合的工藝，附著的生物膜生物量非常大，可使系統(tǒng)總污泥濃度大幅度提升，同時(shí)系統(tǒng)中懸浮污泥泥齡和生物膜污泥的泥齡實(shí)現(xiàn)了完全分開(kāi)控制，可解決傳統(tǒng)脫氮除磷工藝在污泥齡上存在不可調(diào)和的矛盾，因此該工藝能夠很好的解決原有系統(tǒng)池容不足、負(fù)荷能力不足的問(wèn)題。MBBR工藝在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也有眾多成功案例，較為成熟，例如青島團(tuán)島污水處理廠，該廠采用MBBR工藝改造后的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，氨氮的平均去除率可高達(dá)97.19%[7]，是一種穩(wěn)定可靠的工藝型式。

通過(guò)對(duì)各種升級(jí)改造工藝的研究了解，筆者所在污水廠的提標(biāo)改造最終確定采用MBBR工藝，改造時(shí)好氧段部分廊道投加固定填料，填料投加比60%，單格投加填料容積2600m3，填料孔隙率大于95%，有效比表面積大于200m2/m3。計(jì)算生化池提標(biāo)改造后總有效當(dāng)量池容和當(dāng)量停留時(shí)間較原系統(tǒng)提高了15%。目前項(xiàng)目正在進(jìn)行中，具體實(shí)際運(yùn)行情況有待后續(xù)繼續(xù)研究。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于城鎮(zhèn)污水處理廠，硝化過(guò)程受水溫影響很大，水溫低于15℃時(shí)硝化速率開(kāi)始出現(xiàn)下降，水溫越低，硝化速率下降得越明顯。適當(dāng)?shù)靥岣呶勰酀舛纫约叭芙庋跄苡行У靥岣呦趸磻?yīng)速率，是活性污泥法應(yīng)對(duì)低溫的強(qiáng)化硝化措施當(dāng)中最直接、快速、經(jīng)濟(jì)的方法，可確保低溫環(huán)境下出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。MBBR則是升級(jí)改造時(shí)可選擇的較為成熟及節(jié)省的一種工藝方式。

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黃斌（1982——），男，漢，廣東汕頭，工程碩士，環(huán)境保護(hù)工程師，研究方向：環(huán)保水處理。