杜 娜, 顧曉丹, 王學(xué)華
(1.江蘇中升太環(huán)境技術(shù)有限公司,江蘇 蘇州 215011; 2.蘇州科技大學(xué),江蘇 蘇州 215011)
隨著大量污水處理廠的建成投運(yùn),我國(guó)污水處理事業(yè)的重心必然會(huì)從以建設(shè)為主轉(zhuǎn)向建設(shè)與運(yùn)行并重,運(yùn)行管理將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[1]。 污水廠運(yùn)行管理中存在的問(wèn)題將直接或間接影響污水處理廠的出水和能耗。 因此,針對(duì)我國(guó)已建污水處理廠普遍存在的運(yùn)行管理水平低、穩(wěn)定性差、能源消耗量大等現(xiàn)狀,根據(jù)污水廠運(yùn)行狀況,診斷污水廠存在的問(wèn)題,從而實(shí)現(xiàn)污水廠滿(mǎn)負(fù)荷、低耗能、高效地運(yùn)行。
本文對(duì)蘇州某污水處理廠二期工程的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析、診斷、評(píng)價(jià),并針對(duì)存在的問(wèn)題提出相應(yīng)的對(duì)策。
蘇州某污水處理廠二期工程 (擴(kuò)建改造)于2005年11月投產(chǎn)運(yùn)行,處理能力1.2 萬(wàn)t/d,主要接納居民生活污水,采用了前置厭氧池的Carrousel 氧化溝工藝, 二沉池出水經(jīng)紫外消毒后直接排入京杭大運(yùn)河。 污水廠二期工藝流程見(jiàn)圖1。
圖1 污水處理工藝流程
污水處理廠二沉池設(shè)計(jì)出水執(zhí)行GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。 進(jìn)、出水水質(zhì)設(shè)計(jì)值見(jiàn)表1。
表1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)mg·L-1
1.3.1 沉砂池
沉砂池采用平流沉砂池,設(shè)2 座,單座沉砂池長(zhǎng)5.1 m,寬1.5 m,有效水深1.1 m,并排布置。 最大水力表面負(fù)荷81 m3/(m2·h),水力停留時(shí)間49 s,水平流速0.11 m/s。
1.3.2 厭氧池
設(shè)一座厭氧池,長(zhǎng)19.3 m,寬8.5 m,有效水深4.6 m, 水力停留時(shí)間1.5 h。 厭氧池池底裝有2 臺(tái)QD2500-5.5 液下推進(jìn)器,推進(jìn)器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),使污泥處于懸浮狀態(tài)。
1.3.3 Carrousel 氧化溝
采用一組Carrousel 氧化溝, 氧化溝分4 個(gè)廊道,每個(gè)廊道長(zhǎng)53.2 m,寬4.5 m,有效水深4.5 m。第一個(gè)廊道為缺氧段, 其余3 個(gè)廊道在7 臺(tái)曝氣轉(zhuǎn)碟全部開(kāi)啟的情況下為好氧段。其中,每臺(tái)曝氣轉(zhuǎn)碟的充氧效率為3.35 kg/(kW·h),功率為22 kW。 氧化溝缺氧段的水力停留時(shí)間1.9 h, 好氧段為5.8 h。缺氧段水下攪拌器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),使污泥處于懸浮狀。好氧區(qū)溶解氧通過(guò)轉(zhuǎn)碟開(kāi)啟臺(tái)數(shù)、 轉(zhuǎn)盤(pán)安裝片數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)。日常運(yùn)行控制過(guò)程中,夏季,氧化溝污泥質(zhì)量濃度控制在2 600 ~2 800 mg/L;冬季控制在3 500~4 000 mg/L。
1.3.4 二沉池
采用一座平流式二沉池,長(zhǎng)55.55 m,寬14.8m,有效水深4.1 m,最大表面負(fù)荷0.90 m3/(m2·h),最大堰負(fù)荷1.5 L/(m·s),設(shè)計(jì)污泥回流比67%。二沉池采用桁架式吸泥機(jī),運(yùn)行控制過(guò)程中,吸泥機(jī)、沉淀池與氧化溝協(xié)調(diào)連續(xù)運(yùn)行,排泥與污泥泵房協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。
(1)COD 的去除效果
2019年污水廠進(jìn)、 出水COD 濃度及去除率見(jiàn)圖2。由圖2 可知,全年進(jìn)水COD 質(zhì)量濃度在260 ~483 mg/L。 進(jìn)水COD 濃度最高值出現(xiàn)在5月、6月,平均質(zhì)量濃度達(dá)460 mg/L,且在該階段內(nèi)進(jìn)水COD質(zhì)量濃度的波動(dòng)幅度較大,標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)160 mg/L;其余時(shí)間段進(jìn)水COD 濃度較為平穩(wěn)。 全年出水COD質(zhì)量濃度穩(wěn)定,維持在31 ~45 mg/L,能夠滿(mǎn)足一級(jí)A 的出水標(biāo)準(zhǔn)。 COD年平均去除率達(dá)到88%。
圖2 污水廠進(jìn)、出水COD 濃度及去除率
(2)BOD5的去除效果
2019年污水廠進(jìn)、 出水BOD5濃度及去除率見(jiàn)圖3。 由圖3 可知,進(jìn)水BOD5濃度具有明顯的四季變化規(guī)律,冬季進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度普遍較高,最高達(dá)162 mg/L,夏季較低,最低質(zhì)量濃度達(dá)96 mg/L。出水BOD5較為穩(wěn)定, 維持在3.7 ~6.9 mg/L。 BOD5去除率達(dá)95%以上。
圖3 污水廠進(jìn)、出水BOD5 濃度及去除率
(3)氨氮的去除效果
2019 污水廠進(jìn)、出水氨氮濃度及去除率見(jiàn)圖4。由圖4 可知,進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度相對(duì)較穩(wěn)定,在21 ~34 mg/L 之間, 且四季變化明顯, 冬季氨氮濃度較高, 夏季氨氮濃度較低。 出水氨氮質(zhì)量濃度為2.9 ~5.3 mg/L。 氨氮的平均去除率為82%。
圖4 污水廠進(jìn)、出水氨氮濃度及去除率
(4)TN 的去除效果
2019年污水廠進(jìn)、 出水TN 濃度及去除率見(jiàn)圖5。 由圖5 可知,進(jìn)水TN 質(zhì)量濃度較為平穩(wěn),維持在28 ~43 mg/L 之間,冬季濃度相對(duì)較高,夏季濃度相對(duì)較低。 出水TN 質(zhì)量濃度在8.0 ~12.4 mg/L 之間,TN 的去除率相對(duì)較低,平均去除率僅為70%。 4月~6月,在進(jìn)水TN 濃度相對(duì)較低情況下,TN 去除率僅維持在65%~70%之間。
圖5 污水廠進(jìn)、出水TN 濃度及去除率
(5)TP 的去除效果
2019年污水廠進(jìn)、 出水TP 濃度及去除率見(jiàn)圖6。 由圖6 可知,全年進(jìn)水TP 質(zhì)量濃度維持在2.8 ~6.9 mg/L 之間;出水TP 穩(wěn)定,質(zhì)量濃度維持在0.2 ~0.44 mg/L;TP 去除率較高,平均達(dá)94%。
圖6 污水廠進(jìn)、出水TP 濃度及去除率
(6)SS 的去除效果
2019年污水廠進(jìn)、 出水SS 濃度及去除率見(jiàn)圖7。 由圖7 可知, 全年進(jìn)水SS 質(zhì)量濃度在86 ~273 mg/L 之間,波動(dòng)較大。 冬季進(jìn)水SS 濃度較低,且較為穩(wěn)定,其余季節(jié)進(jìn)水SS 濃度波動(dòng)較大。出水SS 質(zhì)量濃度穩(wěn)定在6.2 ~9.6 mg/L 之間,SS 的去除率普遍在92%以上。
圖7 污水廠進(jìn)、出水SS 濃度及去除率
碳、氮、磷的物料平衡分析是評(píng)價(jià)污水處理廠運(yùn)行狀況的有效方法[2],物料流向能反映整個(gè)污水處理廠的運(yùn)行效率、處理效率[3]。
(1)碳的物料平衡及流向
在穩(wěn)態(tài)條件下,進(jìn)入活性污泥系統(tǒng)的COD 主要由以下3 種形式離開(kāi)系統(tǒng)[4-5]:①出水;②以剩余污泥排放;③被氧化。
其中,出水COD 的質(zhì)量根據(jù)出水濃度和流量計(jì)算;剩余污泥COD 排放量根據(jù)污泥揮發(fā)性懸浮固體Xv 和污泥排放量Qw,乘以單位污泥的COD 氧當(dāng)量fcv計(jì)算得出,從理論上來(lái)說(shuō),不同的生物處理系統(tǒng),fcv會(huì)有差異, 但大量研究表明:fcv=1.48 mg/mg 時(shí),能較好地代表系統(tǒng)中的微生物特性[6]; 被氧化的COD 過(guò)程較為復(fù)雜,該氧化溝工藝的運(yùn)行模式相當(dāng)于A2/O 工藝,分別計(jì)算出厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)所消耗的COD 量后即可計(jì)算出被氧化的COD 量,污水處理廠的碳排放主要是由好氧細(xì)菌的降解活動(dòng)造成的[7]。 參照顧曉丹[8]的研究,出水COD 排放量為381.6 kg/d, 剩余污泥COD 排放量為2 007 kg/d,被氧化的COD 量為745.5 kg/d。
進(jìn)水COD 質(zhì)量根據(jù)進(jìn)水濃度和流量計(jì)算,根據(jù)2019年污水廠數(shù)據(jù)的平均值,進(jìn)水COD 量為3 209 kg/d。 因此,COD 的物料平衡百分比為97%。
碳的流向分配見(jiàn)圖9。 由圖9 可知,63%的碳被微生物利用,最終以剩余污泥形式離開(kāi)系統(tǒng);23%的碳被氧化成CO2;12%的碳隨出水離開(kāi)系統(tǒng);COD 的損失量很小,僅占2%。
圖8 碳的流向分配
(2)氮的物料平衡及流向
進(jìn)入活性污泥系統(tǒng)的各形態(tài)氮主要由以下3 種形式離開(kāi)系統(tǒng)[4-5]:①出水TN;②以剩余污泥排放;③通過(guò)反硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。
出水TN 的質(zhì)量根據(jù)出水濃度和流量計(jì)算;剩余污泥排放的TN 根據(jù)污泥揮發(fā)性懸浮固體Xv 和污泥排放量Qw, 乘以污泥中含氮的比例fN計(jì)算得出,根據(jù)南非水研究協(xié)會(huì)(WRC)的建議[9],在一定的污泥齡范圍內(nèi)fN取0.10 mg/mg 是較合理的;反硝化作用主要發(fā)生在厭氧區(qū)和缺氧區(qū),參照顧曉丹[8]的研究,出水TN 排放量為69.28 kg/d,剩余污泥TN 排放量為135.6 kg/d,通過(guò)反硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的氮量為42.6 kg/d。
進(jìn)水TN 質(zhì)量根據(jù)進(jìn)水濃度和流量計(jì)算, 根據(jù)2019年污水廠數(shù)據(jù)的平均值, 進(jìn)水TN 的量為346.15 kg/d。 因此,氮的物料平衡百分比為72%。
氮的流向分配圖見(jiàn)圖9。 由圖9 可知,39%的氮被微生物利用,進(jìn)入剩余污泥;20%的氮隨出水離開(kāi)系統(tǒng);僅12%的氮通過(guò)反硝化作用以氣體(N2)形式離開(kāi)系統(tǒng),氮在系統(tǒng)中的損失量高達(dá)29%。
圖9 氮的流向分配
(3)磷的物料平衡及流向
磷僅通過(guò)剩余污泥和出水從系統(tǒng)中去除[4-5]。
出水TP 的質(zhì)量根據(jù)出水濃度和流量計(jì)算;剩余污泥排放的TP 根據(jù)剩余污泥濃度和污泥排放量Qw,乘以污泥中含磷的比例fp計(jì)算得出,在城市污水生物除磷系統(tǒng)中, 剩余污泥中TP 含量fp 約占污泥總重的3%[9]。 參照顧曉丹[8]的研究,出水TP 排放量為3.7 kg/d,以剩余污泥TP 排放量為54.3 kg/d。進(jìn)水TP 根據(jù)進(jìn)水濃度和流量計(jì)算,根據(jù)2019年污水廠數(shù)據(jù)的平均值,進(jìn)水TP 量為61.98 kg/d。 因此,磷的物料平衡百分比為94%。
磷的流向分配見(jiàn)圖10。 由圖10 可知,磷的去除主要依靠剩余污泥排放, 通過(guò)剩余污泥排放的磷的質(zhì)量占總質(zhì)量的88%。
圖10 磷的流向分配
根據(jù)上述分析,蘇州某污水廠C,N,P 排放量主要通過(guò)微生物利用以剩余污泥方式去除。 目前污水處理廠COD 和TP 去除效率高、效果理想,脫氮效果不佳。
該污水處理廠采用“厭氧+氧化溝”工藝進(jìn)行硝化和反硝化作用, 從而降低出水氨氮和TN 含量。結(jié)合氮的物料流向分析可知, 通過(guò)反硝化作用去除的氮僅占12%,因此,TN 去除率低的主要原因在于反硝化不充分。分析污水廠運(yùn)行數(shù)據(jù),2019年進(jìn)水中ρ(COD)/ρ(TN)= 10.5,而研 究表 明[10],當(dāng)進(jìn)水ρ(COD)/ρ(TN)≥9,硝基氮基本上全被還原成亞硝基氮,即能滿(mǎn)足反硝化所需的碳源,因此,該污水廠進(jìn)水中的碳源足夠用于反硝化脫氮。因此,反硝化不理想的的原因主要是曝氣量過(guò)剩。
氧化溝設(shè)計(jì)為缺氧段和好氧段, 通過(guò)設(shè)置曝氣轉(zhuǎn)碟的開(kāi)啟,控制氧化溝的缺氧段和好氧段。在污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,為了控制出水氨氮濃度,7 臺(tái)曝氣轉(zhuǎn)碟基本處于常年開(kāi)啟的狀態(tài)運(yùn)行, 為了抑制二沉池發(fā)生反硝化反應(yīng), 氧化溝出水口處的DO 質(zhì)量濃度控制在1.8 ~2.5 mg/L, 這就造成了從氧化溝末端回流到氧化溝前端缺氧段的混合液中DO 濃度過(guò)高, 從而影響了氧化溝缺氧段的反硝化作用。 有研究表明[11],氧化溝好氧段DO 質(zhì)量濃度控制在0.8 ~1.1 mg/L 時(shí), 就能滿(mǎn)足硝化脫氮要求,過(guò)高的DO 會(huì)破壞缺氧段環(huán)境。從2019年的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析可知,氨氮的去除率達(dá)80%以上,說(shuō)明硝化效果良好,而TN 的去除率較低是由于曝氣量過(guò)剩,缺氧段反硝化效果差導(dǎo)致的。
目前,污水處理廠日常運(yùn)行過(guò)程中,工作人員大都以經(jīng)驗(yàn)參數(shù)調(diào)整運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷、環(huán)境條件等發(fā)生突然變化時(shí),常常會(huì)由于調(diào)整不及時(shí),造成出水超標(biāo)的現(xiàn)象。 且在經(jīng)驗(yàn)控制過(guò)程中,污泥濃度、污泥齡等參數(shù)不對(duì)應(yīng),導(dǎo)致了夏季污泥齡控制過(guò)短,而冬季污泥齡控制過(guò)長(zhǎng),系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力減小。這也是目前國(guó)內(nèi)污水處理廠普遍存在的問(wèn)題。
蘇州某污水廠進(jìn)水中很大一部分來(lái)自餐飲業(yè)廢水,因此廢水中油脂含量較高,致使在曝氣轉(zhuǎn)碟相等的供氧能力下,氧化溝的實(shí)際DO 值偏低,造成了能源的浪費(fèi),該廠2019年平均電耗為0.33 kW·h/m3,明顯高于我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠平均電耗0.26 kW·h/m3[1]。
通過(guò)對(duì)污水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)分析, 可以清楚診斷出污水廠問(wèn)題所在:硝化較充分、反硝化作用不完全,因此建議減少曝氣量, 保證氧化溝好氧段DO 質(zhì)量濃度在1.5 ~2.0 mg/L 即可。 同時(shí)根據(jù)進(jìn)水水量、水質(zhì)變化特點(diǎn),建議制定不同的運(yùn)行控制模式,在保證穩(wěn)定出水基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。 同時(shí),針對(duì)污水廠存在的運(yùn)行控制方面的問(wèn)題, 建議污水廠工作人員完善運(yùn)行記錄、與水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)的工作,為合理科學(xué)地指導(dǎo)污水廠的運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。
(1)鑒于對(duì)污水處理廠脫氮問(wèn)題的分析,建議適當(dāng)降低曝氣量, 保證氧化溝好氧段DO 質(zhì)量濃度在1.5 ~2.0 mg/L,這樣既能滿(mǎn)足好氧段硝化需求,又能保證氧化溝內(nèi)的缺氧環(huán)境,以充分進(jìn)行反硝化反應(yīng),從而在保證硝化和反硝化作用的基礎(chǔ)上降低污水廠能耗。
(2)針對(duì)污水廠進(jìn)水水質(zhì)、水量四季變化明顯、晝夜變化明顯(白天進(jìn)水量大、進(jìn)水濃度高,晚上進(jìn)水量小,濃度低)的特征,建議在不同的季節(jié),采取不同的運(yùn)行控制方式,以保證穩(wěn)定出水、節(jié)約能源。
(3)建議污水廠改變傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)控制模式,采用泥齡控制代替原來(lái)的污泥濃度控制,從而提高系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力。 建議污水廠每天記錄運(yùn)行參數(shù),做好水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè),可以利用數(shù)學(xué)模型模擬優(yōu)化污水廠運(yùn)行,從而合理、科學(xué)地對(duì)污水廠進(jìn)行控制[12-14]。
(4)考慮在平流沉砂池設(shè)置撇油裝置,減少油脂對(duì)系統(tǒng)的影響,從而節(jié)省能源。