Bardenpho工藝生化池沿程去除效果研究★

楊志宏 孫進(jìn)才 陳宏平

(1.山西正陽污水凈化有限公司，山西 晉中 030600； 2.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 晉中 030600)

0 引言

我國城市污水排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高[1,2]，污水廠新建及提標(biāo)改造采用Bardenpho工藝的工程實(shí)例日益增多[3-5]。由于其生化池功能分區(qū)多，運(yùn)行干擾因素多，各分區(qū)對(duì)氮、磷的專項(xiàng)作用效果變化復(fù)雜。晉中市正陽污水廠新建三期工程采用Bardenpho+深度處理工藝，部分出水經(jīng)深度處理后回用于電廠及城市雜用，不回用部分經(jīng)Bardenpho工藝處理后按準(zhǔn)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)直接排放。試運(yùn)行期間出水COD，NH3-N逐步趨于穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，TN，TP存在波動(dòng)。為掌握生化池各功能區(qū)對(duì)氮、磷生物專項(xiàng)作用的真實(shí)效果，精準(zhǔn)定位出現(xiàn)的問題，沿程布點(diǎn)監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)及小試結(jié)果揭示了一個(gè)Bardenpho工藝污水廠在處理城市污水時(shí)各功能區(qū)對(duì)氮、磷生化作用的真實(shí)效果，為現(xiàn)有工程在運(yùn)行中應(yīng)對(duì)脫氮除磷效果不穩(wěn)定的問題、有預(yù)見性的調(diào)整運(yùn)行參數(shù)和節(jié)能降耗提供依據(jù)[6,7]。針對(duì)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的工藝自身缺陷與不足，從設(shè)計(jì)角度對(duì)Bardenpho工藝提出改進(jìn)和優(yōu)化建議。

1 工程概況及監(jiān)測點(diǎn)分布

正陽污水廠新建Bardenpho工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力5萬m3/d，由前處理、生化處理和深度處理三部分組成。其中生化系統(tǒng)的功能分區(qū)依次為選擇區(qū)、厭氧區(qū)、前缺氧區(qū)、前好氧區(qū)、后缺氧區(qū)、后好氧區(qū)、二沉池，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間分別為0.4 h，1.0 h，9.4 h，9.5 h，3.2 h，1.5 h，4.2 h，其中生化池的水力停留時(shí)間合計(jì)為25 h，外碳源在厭氧區(qū)及前、后缺氧區(qū)均可投加。前處理為粗細(xì)格柵、曝氣沉砂池，深度處理為高密度沉淀池、V型濾池。三期工程設(shè)兩個(gè)系列平行運(yùn)行，將其中一個(gè)系列的生化池作為監(jiān)測對(duì)象沿程布點(diǎn)取樣，并根據(jù)需要試驗(yàn)性的調(diào)整運(yùn)行參數(shù)驗(yàn)證改進(jìn)方案的實(shí)施效果，另一個(gè)系列作為對(duì)照系列常規(guī)運(yùn)行。監(jiān)測系列生化池平面及取樣點(diǎn)如圖1所示。

2 厭氧釋磷及缺氧反硝化小試裝置

500 mL燒杯，六聯(lián)磁力攪拌器。

3 分析項(xiàng)目及檢測方法

4 結(jié)果及討論

監(jiān)測在2019年進(jìn)行，每組數(shù)據(jù)重復(fù)取樣間隔最小為24 h。監(jiān)測期間進(jìn)水水質(zhì)及運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 監(jiān)測期間進(jìn)水水質(zhì)

MLSS 4 900 mg/L～8 790 mg/L，MLVSS 1 660 mg/L～3 615 mg/L；SRT 15 d左右。處理水量39 342 m3/d～52 002 m3/d，實(shí)際生化池水力停留時(shí)間23 h～31 h；進(jìn)水70%進(jìn)選擇區(qū)、30%進(jìn)厭氧區(qū)；硝化液回流比250%～300%；污泥回流比100%～150%，回流污泥可多點(diǎn)進(jìn)入生化池，實(shí)際運(yùn)行全部進(jìn)入選擇區(qū)；在生化池出水堰跌水處投加PFS除磷，投加量72 mg/L。常規(guī)運(yùn)行補(bǔ)充碳源為液體乙酸鈉，在前缺氧區(qū)第一廊道進(jìn)口投加，投加量相當(dāng)于補(bǔ)充COD 120 mg/L。

4.1 磷的去除功能

4.1.1 厭氧區(qū)釋磷

7月18日～7月31日對(duì)厭氧區(qū)進(jìn)、出口TP進(jìn)行了11次重復(fù)監(jiān)測，結(jié)果見圖2。進(jìn)、出口TP平均值分別為1.13 mg/L，1.05 mg/L，出口比進(jìn)口最高高出0.64 mg/L，最低時(shí)低0.35 mg/L，沒有釋磷現(xiàn)象。

4.1.2 生化池磷的去除效果

二次監(jiān)測厭氧區(qū)釋磷效果的同時(shí)，也分別對(duì)生化池進(jìn)水及末端TP進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出，第一次監(jiān)測期間，進(jìn)水TP平均值5.32 mg/L，最高7.68 mg/L，最低4.08 mg/L；出水TP平均值0.63 mg/L，最高0.86 mg/L，最低0.40 mg/L，平均去除4.69 mg/L。第二次監(jiān)測期間進(jìn)水TP平均值7.35 mg/L，最高14.18 mg/L，最低4.00 mg/L；出水TP平均值0.37 mg/L,最高0.67 mg/L，最低0.10 mg/L，平均去除6.98 mg/L。

出水TP取樣點(diǎn)在PFS投加點(diǎn)之前，其平均值接近排放標(biāo)準(zhǔn)。但投加PFS后的二沉池出水不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，兩個(gè)系列出水均改由深度處理后排放，并于10月17日停止在生化池出水口處投加PFS。停止投藥的前15 d，兩個(gè)系列生化池出水TP平均值分別為0.33 mg/L，0.42 mg/L。15 d后TP均開始上升，之后5次重復(fù)監(jiān)測的平均值分別為0.95 mg/L，1.06 mg/L，且18 d后的TP急劇升高。

11月25日～12月6日對(duì)未加PFS 15 d以上的生化池TP沿程變化進(jìn)行了6次重復(fù)監(jiān)測，平均值見圖6。TP總體呈緩慢下降趨勢，平均去除0.22 mg/L，沒有明顯的釋磷、吸磷現(xiàn)象。說明投加PFS期間生化池TP的減少并非由生物作用去除的，而是生化池末端取樣點(diǎn)之后投加的PFS隨回流污泥進(jìn)入生化池后與磷發(fā)生化學(xué)作用的結(jié)果。由于PFS余量在污泥中長期積累，生化系統(tǒng)停止加藥一段時(shí)間后其出水TP仍然較低。原有污泥逐漸被不含PFS的新生污泥取代后，化學(xué)除磷效果也相應(yīng)變差。經(jīng)過一個(gè)泥齡期，含PFS的污泥全部被置換出系統(tǒng)，出水TP即迅速升高[14-16]。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，生化池磷的去除主要依靠生化池出水中投加的PFS隨回流污泥返回后，利用化學(xué)作用完成。依靠化學(xué)作用在生化池除磷，出水可以達(dá)標(biāo)，但因水質(zhì)波動(dòng)偶有超標(biāo)現(xiàn)象。

4.2 氮的去除

4.2.1 硝化

由圖7可以看出，NH3-N在前缺氧區(qū)、前好氧區(qū)1廊道～3廊道下降明顯。前缺氧區(qū)下降的原因是回流硝化液的稀釋作用，是一個(gè)驟降的過程，在回流硝化液與厭氧區(qū)出水完全混合后即完成，前好氧區(qū)1廊道～4廊道末下降的原因則是硝化作用的結(jié)果。由于第1廊道內(nèi)COD的濃度較高，異養(yǎng)菌降解COD與硝化菌爭奪氧氣，對(duì)硝化菌有抑制作用[17]，因而硝化速率相對(duì)較慢。進(jìn)入第2廊道的混合液中COD已經(jīng)被降解殆盡，硝化菌開始發(fā)揮作用。2廊道、3廊道內(nèi)的硝化速率為0.001 3 g NH3-N /(gVSS·d)，明顯高于第1廊道的0.000 7 g NH3-N/(gVSS·d)。NH3-N在第3廊道末端已經(jīng)降解至2 mg/L以下，COD也降至30 mg/L，均滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。前好氧區(qū)曝氣系統(tǒng)的供氧速率為1.65 mg O2/(L·min)。NH3-N在后缺氧區(qū)、后好氧區(qū)的下降平均值分別為0.05 mg/L，0.07 mg/L。

由NH3-N的沿程變化可知，生化池供氧速率高，硝化功能強(qiáng)，硝化效果穩(wěn)定。

4.2.2 反硝化

4.3 脫氮除磷運(yùn)行方案及Bardenpho工藝評(píng)價(jià)

4.3.1 生物除磷與化學(xué)除磷的選擇

所監(jiān)測的Bardenpho工藝生化池只有化學(xué)除磷作用，沒有生物除磷作用，并非預(yù)期的生物除磷為主、化學(xué)除磷為輔的運(yùn)行狀態(tài)，碳源不足、絮凝劑對(duì)生物除磷的抑制作用都會(huì)成為導(dǎo)致生物除磷作用消失的決定性因素[14]。如果選擇生物作用除磷，首先要在厭氧區(qū)投加乙酸鈉作為補(bǔ)充碳源實(shí)現(xiàn)厭氧釋磷，按COD 40 mg/L計(jì)，其最少投加量為200 mg/L。所用乙酸鈉的單價(jià)為1 400元/t，成本為0.28元/m3。如果利用化學(xué)作用除磷，所用聚鐵投加量為72 mg/L，單價(jià)為750元/t，成本為0.05元/m3。除經(jīng)濟(jì)因素外，運(yùn)行時(shí)生物除磷、生物脫氮二者所要求的泥齡相互沖突，會(huì)給運(yùn)行管理帶來困難，且前期試驗(yàn)結(jié)果也證明生物除磷達(dá)標(biāo)保證率沒有化學(xué)除磷高[19,20]。今后運(yùn)行，繼續(xù)依靠化學(xué)作用除磷。

4.3.2 生物脫氮功能運(yùn)行調(diào)控

生化池曝氣系統(tǒng)供氧速率高，混合液在前好氧區(qū)的前三個(gè)廊道內(nèi)即充分完成了硝化作用，保證NH3-N達(dá)標(biāo)。今后運(yùn)行擬實(shí)施精確曝氣以減少曝氣量，使硝化作用在前好氧區(qū)第四個(gè)廊道末完成，節(jié)省能源的同時(shí)也減少了回流硝化液和回流污泥中攜帶的DO濃度，減少對(duì)厭氧釋磷的影響及反硝化碳源補(bǔ)充量。

前期試驗(yàn)結(jié)果證明，碳源補(bǔ)充充足時(shí)，反硝化作用可在1.5 h內(nèi)完成[21]。實(shí)際運(yùn)行時(shí)在后缺氧區(qū)補(bǔ)充碳源不及在前缺氧區(qū)補(bǔ)充碳源的反硝化效果好，其原因是前缺氧區(qū)進(jìn)水COD濃度高，而后缺氧區(qū)進(jìn)水COD已經(jīng)低于40 mg/L。前、后缺氧區(qū)同樣補(bǔ)充120 mg/L的乙酸鈉作為碳源，前缺氧區(qū)的碳源滿足反硝化的要求，而后缺氧區(qū)碳源仍然不足。今后運(yùn)行繼續(xù)在前缺氧區(qū)投加碳源，保證反硝化效果。

4.3.3 工藝自身局限性

Bardenpho工藝同一套污泥系統(tǒng)，由好氧異養(yǎng)菌、硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等四大類細(xì)菌共同組成，流經(jīng)不同功能區(qū)時(shí)分別在適宜自身環(huán)境條件的分區(qū)內(nèi)發(fā)揮主導(dǎo)作用后即處于受抑制的狀態(tài)，不利于其生物作用的充分發(fā)揮。加之污水廠為了保證出水NH3-N達(dá)標(biāo)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)優(yōu)先保證污泥系統(tǒng)中自養(yǎng)型硝化菌占比，致使其中的反硝化菌、聚磷菌受到較大程度的抑制。除TN去除效果不穩(wěn)定外，單獨(dú)依靠生物除磷作用無法滿足TP的達(dá)標(biāo)要求。利用化學(xué)作用輔助除磷，則投加的絮凝劑對(duì)生物厭氧釋磷和好氧吸磷均產(chǎn)生抑制，最終導(dǎo)致Bardenpho工藝生物除磷的功能完全喪失。

如果在前好氧區(qū)、后缺氧區(qū)之間增設(shè)沉淀池，使前段的厭氧區(qū)、前缺氧區(qū)、前好氧區(qū)與后段的后缺氧區(qū)、后好氧區(qū)的污泥相互獨(dú)立，形成前、后段兩個(gè)污泥系統(tǒng)，前段以硝化菌為優(yōu)勢菌種，后段以反硝化菌為優(yōu)勢菌種，就可以分別強(qiáng)化前段的硝化作用和后段的反硝化作用，進(jìn)一步提高TN的去除率。

5 結(jié)語

污水廠在實(shí)際運(yùn)行時(shí)很難保持在理論和設(shè)計(jì)方案描述的理想狀態(tài)，如何最大程度的接近和保持在預(yù)期的狀態(tài)，是一個(gè)重要的研究內(nèi)容。要達(dá)到此目的，前提是能夠準(zhǔn)確的掌握各處理單元的功能實(shí)效，特別是生化池各功能區(qū)專項(xiàng)作用的真實(shí)發(fā)揮情況。通過對(duì)一個(gè)新建Bardenpho工藝污水廠試運(yùn)行過程的監(jiān)測和小試研究，得到以下結(jié)論：

1)進(jìn)水缺乏可被聚磷菌有效利用的碳源從而影響厭氧釋磷，致生化池沒有生物除磷的作用，TP依靠投加PFS利用化學(xué)作用去除，并非預(yù)期的生物除磷作用為主、化學(xué)除磷作用為輔。為保證TP穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，出水經(jīng)過深度處理后排放，當(dāng)生化部分出水TP波動(dòng)時(shí)，深度處理可以進(jìn)一步降低TP值，利用多級(jí)屏障的原理提高了達(dá)標(biāo)保證率。

2)生化池曝氣裝置供氧速率高，實(shí)控泥齡長，硝化效果良好。污泥中硝化菌的比例相對(duì)高，反硝化菌、聚磷菌受抑制程度較大，TN去除效果也受到影響，運(yùn)行時(shí)需要補(bǔ)充碳源保證反硝化效果。由于前缺氧區(qū)進(jìn)水COD高，可被反硝化菌利用的碳源多，在前缺氧區(qū)投加碳源實(shí)現(xiàn)反硝化的效果優(yōu)于后缺氧區(qū)投加碳源。

3)Bardenpho工藝用同一套污泥系統(tǒng)在不同的功能區(qū)分別發(fā)揮不同的生物作用，好氧異養(yǎng)菌、硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等在非主導(dǎo)功能區(qū)處于受抑制狀態(tài)，不能充分發(fā)揮各自的作用。如果在前好氧區(qū)、后缺氧區(qū)之間增設(shè)沉淀池，使生化池形成前、后段兩個(gè)污泥系統(tǒng)，就可以分別強(qiáng)化前段的硝化作用和后段的反硝化作用。