污水提標項目氨氮去除問題的思考與分析

范紹錦，陳柱堆

(東莞市水務(wù)集團凈水有限公司，廣東東莞 523000)

城市污水處理工程建設(shè)是城市穩(wěn)步發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是城市重要的民生工程，污水處理項目的建設(shè)和完善與城市開發(fā)、經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境治理和保護相輔相成。近年來，南方某地區(qū)為貫徹落實《環(huán)境保護“十三五”要求》文件精神，完成《南粵水更清行動計劃(2013—2020年)》的要求，改善該地區(qū)投資環(huán)境，促進本地社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)水環(huán)境保護目標的需要，該地區(qū)推進各原出水水質(zhì)執(zhí)行一級B標準的污水處理廠進行原有處理工藝因地制宜的提標改造工程。

南方某地區(qū)內(nèi)不同鎮(zhèn)街的污水處理提標改造項目，采取全部接收前端出水標準執(zhí)行一級B標準的項目尾水，并將二次出水排放標準全部提升至一級A標準或地方更嚴值。全部提標改造項目已于2021年投入運營，但在運營過程中發(fā)現(xiàn)部分提標項目存在設(shè)計參數(shù)或工藝段配置欠合理等問題。提標項目進水水質(zhì)即為前端污水處理項目出水水質(zhì)，隨著管網(wǎng)污水收集系統(tǒng)的不斷完善，提標項目前端污水處理項目進水污染物濃度將會不斷提高，而部分提標工程無硝化功能，若前端污水處理項目執(zhí)行一級B標準運行及排放污水，提標工程將接受氨氮污染物濃度偏高的污水，污水在經(jīng)過提標處理后排放存在氨氮超標風險。如何改進運營中現(xiàn)有提標工程的氨氮去除效果及降低運營成本，成為各污水處理項目應(yīng)重點思考及分析的問題之一。

1 提標項目運營概況

1.1 提標項目工藝設(shè)計

近年，南方某地區(qū)為實現(xiàn)進一步提升污水處理項目排放水質(zhì)標準、改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的目標，逐步啟動多個提標改造項目，但基于提標改造項目預(yù)留地大小、總工程初期投資成本及后期運營成本等因素，并結(jié)合最重要的各項目進出水水質(zhì)標準考慮，各提標改造項目的工藝設(shè)計并不相同。其中，主體設(shè)計工藝有3種：(1)“反硝化+濾布濾池+紫外消毒”工藝；(2)“硝化+反硝化+濾布濾池+紫外消毒”工藝；(3)“AO-膜生物反應(yīng)器(MBR)+紫外消毒”工藝。3種污水提標處理工藝具體占比如圖1所示。

圖1 提標改造項目設(shè)計工藝占比Fig.1 Proportion of Design Process of Upgrading and Reconstruction Project

“硝化+反硝化+濾布濾池+紫外消毒”工藝適用于前期預(yù)留地較小的項目，具有耐沖擊負荷優(yōu)勢，并且具有多種凈化功能，除了用于有機物去除外，還能去除一定程度的氨氮?！癆O-MBR+紫外消毒”工藝采用超濾膜分離技術(shù)進行固液分離，適用于進出水水質(zhì)標準較高的提標項目，不僅可保障出水懸浮物指標穩(wěn)定達標，而且大大提高了生物反應(yīng)器中的生物濃度和種群數(shù)量。該工藝可截留硝化菌這類不易形成菌膠團且增殖緩慢的細菌，有利于它的生長和繁殖，使得氨氮去除效果好，進一步提高了生物降解效率。

3種工藝中，“硝化+反硝化+濾布濾池+紫外消毒”和“AO-MBR+紫外消毒”工藝對氨氮的去除都采取相應(yīng)的設(shè)計，而采用“反硝化+濾布濾池+紫外消毒”工藝的項目，因為工程設(shè)計調(diào)研結(jié)果表明項目進水氨氮較低，工藝設(shè)計時主要側(cè)重于總氮、總磷、有機物及懸浮物的深度去除，對氨氮的去除效果有限。

1.2 提標項目運營現(xiàn)狀

1.2.1 前端污水處理項目

以該地區(qū)某提標項目為例，由該提標項目的前端污水處理項目在2017年1月—2019年12月(提標改造前)的實際運行數(shù)據(jù)可知，前端污水處理項目出水氨氮質(zhì)量濃度均在4.00 mg/L以下(表1)，已達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A標準。在該進出水水質(zhì)情況下，提標工程工藝設(shè)計無需考慮硝化段處理單元。

表1 前端污水處理項目出水氨氮濃度(2017年1月—2019年12月)Tab.1 Ammonia Nitrogen Concentration of Effluent of Front End Sewage Treatment Project (during January 2017 to December 2019)

根據(jù)該提標項目提供的2020年6月—2021年11月的進出水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)階段該提標項目的前端污水處理項目出水氨氮質(zhì)量濃度不穩(wěn)定，枯水期個別時段接近8.00 mg/L，具體如圖2所示。主要原因是隨著管網(wǎng)收集系統(tǒng)的不斷完善，進水中污染物濃度不斷提高，前端污水處理項目的進水氨氮將呈升高的趨勢，而前端污水處理項目去除氨氮能力有限，導(dǎo)致提標項目進水氨氮也呈升高的趨勢。

圖2 提標項目2020年6月—2021年11月進水氨氮濃度Fig.2 Ammonia Nitrogen Concentration in Influent during June 2020 to November 2021

提標項目前端原污水處理項目運營時間較久，受原設(shè)計進出水參數(shù)或設(shè)備設(shè)施參數(shù)等各方面影響，通過改造增強硝化能力的技術(shù)難度較大。而且前端原污水處理項目為“BOT”經(jīng)營模式管理，與提標項目分屬兩家不同運管單位。前端原污水處理項目出水水質(zhì)暫時可穩(wěn)定達標且生化系統(tǒng)改造項目投資成本較大，從前端原污水處理項目著手增強系統(tǒng)硝化能力的協(xié)調(diào)難度較大[1]。

1.2.2 提標項目執(zhí)行標準

南方某地區(qū)為強化城鎮(zhèn)生活污染治理，加快城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)與改造，在現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施上因地制宜進行提標改造，2020年底前達到相應(yīng)排放標準或再生利用要求。該地區(qū)運營管理的提標改造項目把各“BOT”模式運營下原污水處理項目的污水排放標準進行全面提高，保證該地區(qū)內(nèi)所有污水處理項目排放污水可達到一級A標準和廣東省地方標準較嚴值。其中，個別項目考慮排放水域或地理敏感性及后期的生態(tài)環(huán)保需求，設(shè)計時采用更高的出水排放標準。

在多個提標項目實際運營中發(fā)現(xiàn)，采用“反硝化+濾布濾池+紫外消毒”工藝，以及部分出水水質(zhì)排放標準執(zhí)行地方更高標準的提標項目中，出水氨氮水質(zhì)達標穩(wěn)定性較差，甚至有超標風險。

2 提標項目氨氮去除方法及思考

2.1 投加藥劑去除氨氮

應(yīng)對原項目處理尾水氨氮濃度偏高的情況，污水提標項目為保證二次出水水質(zhì)穩(wěn)定達標，可采取折點加氯法的工藝管理措施。折點加氯法是利用次氯酸鈉或除氨劑等強氧化液體藥劑，按需加入所處理污水中，將所處理污水中的氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣，以期達到氨氮去除的目的[2]。

2.1.1 投加藥劑去除氨氮的問題

提標項目的強氧化液體藥劑投加點一般考慮在生化工藝出水末端或過濾工藝出水末端，基于提標改造預(yù)留地少和后期運營成本，該地區(qū)提標改造工程的過濾處理工藝基本采用占地少且易與消毒工藝合建的濾布濾池工藝。若考慮在生化工藝出水末端進行強氧化藥劑投加，藥劑會隨污水流經(jīng)濾布濾池，雖然濾布濾池污水不會回流至生化工藝段，但濾布濾池定期反沖洗所產(chǎn)生的廢水未經(jīng)過單獨處理，該部分廢水水質(zhì)較差，如按常規(guī)性處理回流到深度處理工藝段進水端，容易影響深度處理工藝段出水水質(zhì)穩(wěn)定性?；诖艘蛩?，將濾布濾池反沖洗廢水排放至更前端的生化工藝段，但該股含強氧化劑的污水對生化工藝段菌群具有抑制作用，一定程度上會弱化污水的生化處理效果，致使污水處理效果更差。綜上，該地區(qū)提標項目采取折點加氯法時應(yīng)考慮將強氧化劑投加至過濾工藝出水末端和濾布濾池出水末端。

一般而言，折點加氯法的最佳反應(yīng)時間為0.50～2.00 h，但濾布濾池出水段流經(jīng)紫外消毒渠再達到較好的出水明渠的時間一般僅為0.25～0.50 h，在遠短于最佳反應(yīng)時間的情況下，只能通過加大強氧化劑投加量達到較好的氨氮去除效果[3-4]。利用該地區(qū)提標項目配套化驗室進行項目處理污水的折點加氯法小試試驗，強氧化劑采用提標項目較常用的質(zhì)量分數(shù)為10%的次氯酸鈉，小試結(jié)果表明，在與實際工藝段相同反應(yīng)時間下，每降低所處理污水中1 mg/L的氨氮污染物，需投加約100 mg/L的10%次氯酸鈉。按照該地區(qū)2021年年末最新的10%次氯酸鈉市場價(2 100元/t)計算，即每降低1萬m3污水中1 mg/L的氨氮，折點加氯法原材料成本為2 100元。

該地區(qū)污水提標項目所處理污水水溫一般高于12 ℃，即提標前端污水處理項目出水氨氮質(zhì)量濃度執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級B標準，為8 mg/L，而提標處理項目出水氨氮質(zhì)量濃度執(zhí)行GB 18918—2002中一級A標準，為5 mg/L，甚至需要執(zhí)行更嚴值(1.5 mg/L或2.0 mg/L)，高達3.0～6.5 mg/L的氨氮去除要求成為提標項目的運營難題，如果長時間使用折點加氯法保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達標，會給提標項目帶來較大的運營成本壓力。綜上，折點加氯法成本較高，一般僅適用于提標項目處理氨氮濃度稍高于排放標準的污水或者作為提標項目氨氮去除的應(yīng)急手段。

折點加氯法作為投加藥劑法去除氨氮，會使得出水中余氯量增加。雖然中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部于2020年4月的《關(guān)于疫情期間城鎮(zhèn)污水處理廠余氯排放問題的回復(fù)》中明確指出，“《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)未對出水余氯排放作出具體規(guī)定”，但次氯酸鈉作為強氧化劑，如長期作為折點加氯法的投加藥劑使用，容易破壞河涌等生態(tài)環(huán)境的pH平衡，帶來水生態(tài)的負面影響，并且投加藥劑時反應(yīng)所產(chǎn)生的副產(chǎn)物氯胺和氯化有機物會造成水體的二次污染。

2.1.2 投加藥劑去除氨氮的改進

對該地區(qū)幾個提標項目長時間運營研究發(fā)現(xiàn)，提標項目在使用折點加氯法去除氨氮時，對污水氨氮實時濃度監(jiān)測能力較差或監(jiān)測手段受限，通常采取持續(xù)及大劑量投加次氯酸鈉的方法以確保出水氨氮濃度達標，導(dǎo)致提標項目運營成本難以下降。

一般污水處理項目檢測氨氮的方法為化驗室納氏試劑分光光度法或快速檢測包檢測法。檢測耗時較短且操作簡易的快速檢測包檢測法存在檢測數(shù)據(jù)準確度一般及購買成本較高等問題[5]，而檢測數(shù)據(jù)準確度較高的化驗室納氏試劑分光光度法存在耗時較久且部分高精檢測儀器需專業(yè)化驗人員使用等問題[6]。基于以上兩種氨氮檢測方法的局限性，運營中提標項目應(yīng)考慮增加工藝過程儀表，于折點加氯法實施段前端對水質(zhì)氨氮指標進行持續(xù)、實時且精準的儀表檢測及數(shù)據(jù)監(jiān)控，并結(jié)合不同時間段的氨氮數(shù)據(jù)設(shè)定次氯酸鈉的相應(yīng)投加量及投加頻率，精準控制次氯酸鈉使用量，減少藥劑浪費與生態(tài)環(huán)境二次污染，進而降低提標項目運營成本，為類似提標項目在去除氨氮這個問題上提供較好的指導(dǎo)和參考。

2.2 新增硝化工藝段去除氨氮

無硝化工藝段的污水提標項目無法利用生化手段去除氨氮，在應(yīng)對原項目處理尾水氨氮濃度偏高的情況下較為被動，該類提標項目應(yīng)根據(jù)項目實際進水水質(zhì)及處理出水水質(zhì)執(zhí)行標準，并綜合考慮各個流程的特點和優(yōu)勢，選擇新增運行適應(yīng)力強、工藝調(diào)節(jié)靈活、低能耗、低投入、少占地和方便操作管理的成熟處理工藝。提標項目去除污染物考慮為氨氮，可通過新增硝化工藝段達到生化去除目的，常規(guī)活性污泥法占地大、投資高、效率低下，在深度處理過程中已較少采用，一般采用生物膜法工藝對二級出水進行深度處理。生物膜法主要有曝氣生物濾池、生物接觸氧化、生物轉(zhuǎn)盤、生物流化床。其中生物接觸氧化填料需定期更換，增加運營費用；生物轉(zhuǎn)盤的盤片生物膜有易脫落及處理效率低的問題；生物流化床構(gòu)造特殊，僅適用于小規(guī)模污水處理工程；曝氣生物濾池池內(nèi)使用粒狀濾料進行填充，濾料作為載體形成穩(wěn)定的固定床，各類微生物群附著于濾料，濾料表面形成一層生物膜，然后從填料的中下部進行曝氣及供氧，污水與空氣同向或逆向混合后流經(jīng)并通過固定床，依靠附著在載體表面的生物膜對污水中的污染物進行吸附、氧化與分解等，可使污水得到凈化效果，且粒狀濾料層同時具有物理截留作用，而其中硝化曝氣生物濾池就是以硝化去除污水中的氨氮為目的的一種曝氣生物濾池。各類生物膜法相比之下，硝化曝氣生物濾池具有占地小、耐沖擊負荷、水質(zhì)處理效果好、出水水質(zhì)穩(wěn)定等多項優(yōu)勢，更適用于新增硝化工藝段。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，新增硝化曝氣生物濾池硝化工藝段可加在原反硝化工藝前段或后端[7]。

2.2.1 新增前置硝化工藝段分析

提標項目將新增硝化工藝段置于反硝化工藝段之前，污水中氨氮在硝化工藝段中轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，隨后進入反硝化工藝段，硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣最終被去除。和后置硝化工藝相比，前置硝化工藝的反硝化效果偏差，但無論后置反硝化還是前置反硝化，在進水碳氮比偏低的基礎(chǔ)下，項目都需要根據(jù)實際反硝化處理效果適量投加碳源以提高反硝化處理效果。同時，新增前置硝化工藝段的碳源投加點在整體工藝段的后端，投加碳源后反應(yīng)時間較短，項目投加碳源時需要避免由于碳源投加過量或碳源未完全消耗導(dǎo)致的出水水質(zhì)不達標問題。根據(jù)相關(guān)工程運營經(jīng)驗分析，部分硝化曝氣生物濾池對進水中懸浮物顆粒粒徑要求較高，進水中大顆粒懸浮物會影響后續(xù)工藝及設(shè)備正常運行，項目需考慮實際運行需要和曝氣生物濾池參數(shù)，決定是否在曝氣生物濾池前端設(shè)置精細格柵。另外，為了避免硝化工藝段中污水攜帶氧氣影響反硝化工藝段的反硝化效果，需要在反硝化工藝段前設(shè)置脫氧池，削減硝化工藝段中溶解氧，保證污水總氮的去除效果。新增前置硝化工藝段的工藝流程如圖3所示。

圖3 新增前置硝化工藝段的工藝流程Fig.3 Process Flow of Newly Added Pre-Nitrification Process Section

2.2.2 新增后置硝化工藝段分析

提標項目將新增硝化工藝段置于反硝化工藝段之后，氨氮在新增硝化工藝段中轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，使出水水質(zhì)達標。提標項目進水先經(jīng)過反硝化濾池，大顆粒懸浮物在反硝化濾池中被去除，因此，新增后置硝化工藝段無需設(shè)置精細格柵。同時，污水先經(jīng)過反硝化濾池后進入硝化池，硝化池中溶解氧不會對反硝化濾池處理效果造成影響。新增后置硝化工藝段的工藝流程如圖4所示。

圖4 新增后置硝化工藝段的工藝流程Fig.4 Process Flow of Newly Added Post-Nitrification Process Section

2.2.3 綜合對比分析

新增前置硝化工藝段和新增后置硝化工藝段均具有氨氮去除效果好、無二次污染和運維簡單的運營優(yōu)勢，但新增前置硝化工藝段由于所需新增構(gòu)筑物較多，容易增加水頭損失，導(dǎo)致需要增加或更換二次提升泵房的水泵。后置反硝化工藝段為提高反硝化工藝處理效率，需考慮投加商業(yè)碳源，而新增后置硝化工藝段需要新增的構(gòu)筑物較少，投加商業(yè)碳源率低。整體而言，新增后置曝氣生物濾池硝化工藝段比新增前置曝氣生物濾池硝化工藝段前期工程投資小且后期運營成本低[8]，更適用于新增硝化工藝段改造工程。

3 結(jié)論

(1)污水提標項目通過投加藥劑去除氨氮效果顯著且高效，但會導(dǎo)致項目運營成本增高，一般適用于處理氨氮濃度稍高于排放標準的污水或者作為氨氮去除應(yīng)急手段。運營提標項目可通過在線氨氮分析儀表掌握氨氮實時濃度數(shù)據(jù)，及時調(diào)整藥劑的投加時間及投加劑量，減少藥劑使用量，實現(xiàn)氨氮去除的同時降低提標項目運營成本。

(2)無硝化工藝段的污水提標項目通過新增前置曝氣生物濾池硝化工藝段或后置曝氣生物濾池硝化工藝段均能達到氨氮生化去除的效果，有效降低出水中氨氮濃度，但為節(jié)省新增改造投資，且減少后期運營成本壓力，采取新增后置曝氣生物濾池硝化工藝段的方案更合適。

(3)投加藥劑和新增硝化工藝段都能有效提高或改進污水提標項目的氨氮去除效果，達到出水氨氮水質(zhì)穩(wěn)定達標的目的。類似提標項目在遇到氨氮去除效果不佳問題時，可根據(jù)項目實際進出水水質(zhì)、排放執(zhí)行標準和原有設(shè)計工藝段進行氨氮去除方案選擇。

(4)氨氮作為出水水質(zhì)中主要監(jiān)控的指標之一，城鎮(zhèn)污水處理項目日常運營中需要通過靈活調(diào)整生化工藝段溶解氧濃度、排泥量及內(nèi)外回流等參數(shù)來加強工藝硝化效果，另外，還需要合理安排生化工藝段鏡檢化驗工作，形成及時有效的工藝管理依據(jù)，從而保證出水氨氮的排放濃度及穩(wěn)定性。