東北地區(qū)超低溫條件下生化系統(tǒng)脫氮除磷穩(wěn)定性研究

李培根，于永蓮，鄭小姣

（1.山東美琰環(huán)?？萍加邢薰?，山東 濟(jì)寧 272000；2.山東魯抗舍里樂(lè)藥業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

隨著國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策和地方美麗鄉(xiāng)村建設(shè)舉措的推進(jìn)，農(nóng)村人口密集區(qū)域污水處理設(shè)施逐步完善，環(huán)境效益得以逐步提升，但是在東北地區(qū)的很多小城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)的運(yùn)行，仍然面臨冬季寒冷的氣候條件對(duì)污水中生物凈化產(chǎn)生不利影響的問(wèn)題[1]，導(dǎo)致冬季運(yùn)行出水效果不穩(wěn)定[2]。針對(duì)冬季社區(qū)生活污水生化系統(tǒng)運(yùn)行都要求系統(tǒng)進(jìn)水溫度控制在10 ℃以上[3]，但是針對(duì)進(jìn)水溫度低于10℃的生化運(yùn)行情況及控制要點(diǎn)鮮有報(bào)道。本研究結(jié)合東北地區(qū)某實(shí)際工程進(jìn)水長(zhǎng)期溫度保持在10℃以下的應(yīng)用情況，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化改造，改造后超低溫環(huán)境條件下出水指標(biāo)保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性，為其他類(lèi)似工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、運(yùn)行和改造提供參考。

1 材料與方法

1.1 原污水處理系統(tǒng)

社區(qū)生活污水經(jīng)過(guò)污水管網(wǎng)收集，經(jīng)過(guò)兩級(jí)格柵的過(guò)濾，實(shí)現(xiàn)污水中固體顆粒物的固液分離，從集水池利用提升泵提升進(jìn)入調(diào)節(jié)池，在調(diào)節(jié)池內(nèi)部完成水質(zhì)、水量的調(diào)節(jié)，再次利用提升泵提升進(jìn)入缺氧池（A池）和好氧池（O池）進(jìn)行生化處理，經(jīng)過(guò)二沉池和三沉池的泥水分離，然后通過(guò)溢流進(jìn)入中間水池，在中間水池通過(guò)水泵再次加壓經(jīng)過(guò)高效過(guò)濾器去除廢水中的顆粒物，最終從清水池通過(guò)溢流的方式外排出污水處理廠(chǎng)。

集水池的尺寸為5.0 m×6.0 m×6.8 m，調(diào)節(jié)池尺寸為13.0 m×9.0 m×5.8 m（水力停留時(shí)間HRT=24 h），缺氧池尺寸為6.0 m×7.3 m×5.8 m（硝化液回流比100%～120%，污泥回流比100%），好氧池尺寸為7.3 m×13.0 m×5.8 m，二沉池為6.0 m×6.5 m×5.8 m，三沉池尺寸為6.0 m×6.5 m×5.8m，中間水池尺寸為6.0 m×2.5 m×5.8 m，清水池尺寸為6.0 m×2.5 m×5.8 m，污泥池尺寸為6.0 m×3.0 m×5.8 m。集水池有效深度6.0 m，其他有效深度均為5.0 m。處理構(gòu)筑物采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，埋地深度5.5 m，頂部全部封閉，但設(shè)有1.5 m×1.5 m的檢修孔和2.0 m×2.0 m的觀(guān)察孔。處理構(gòu)筑物外墻厚度為0.3 m，內(nèi)墻厚度為0.25 m。由于水溫提升需要消耗大量的能源，從而造成污水處理成本的大幅攀升或者需要新增較大的一次性投資，因此基于現(xiàn)實(shí)情況，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有任何調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)水溫度或保證系統(tǒng)運(yùn)行溫度的其他措施。

1.2 處理污水水質(zhì)與檢測(cè)方法

項(xiàng)目所處理污水為內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部某社區(qū)生活污水，進(jìn)水COD為100～300 mg·L-1、NH4+-N為10～50 mg·L-1、TN為10～50 mg·L-1、TP為1～4 mg·L-1、pH為6.5～7.5。

水樣經(jīng)過(guò)濾紙過(guò)濾后，根據(jù)APHA標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定COD、NH4+-N、TN、TP[4]，pH值采用實(shí)驗(yàn)室雷磁PHS-3E型臺(tái)式酸度分析儀測(cè)定，DO采用現(xiàn)場(chǎng)安裝的哈希溶解氧儀測(cè)定，溫度采用電子數(shù)顯溫度計(jì)測(cè)定，MLSS采用重量法測(cè)定。

1.3 原污水處理系統(tǒng)運(yùn)行情況

系統(tǒng)改造前運(yùn)行情況以2021年2月份的運(yùn)行情況為例，如圖1所示。A/O生化系統(tǒng)在外界環(huán)境溫度-10～-30℃、系統(tǒng)進(jìn)水溫度4.5～7.5℃、好氧池DO 4～6 mg·L-1，硝化液回流比100%～120%、污泥回流比100%的條件下，出水COD穩(wěn)定在50 mg·L-1以下，出水NH4+-N穩(wěn)定在20～30 mg·L-1，出水TN基本穩(wěn)定在20～30 mg·L-1，出水TP質(zhì)量濃度在0.5～1.0 mg·L-1之間。

圖1 系統(tǒng)改造前系統(tǒng)出水情況

圖1表明，低溫環(huán)境下傳統(tǒng)A/O生化系統(tǒng)對(duì)生活污水NH4+-N、TN和TP的去除難以持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)[2]，對(duì)TN的去除效率受NH4+-N的去除效率限制[5]，因此TN的進(jìn)一步去除需要首先強(qiáng)化生化系統(tǒng)硝化能力，提高NH4+-N的去除效率[6]。按照設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002），即COD≤50 mg·L-1、NH4+-N≤5 mg·L-1、TN≤15 mg·L-1、TP≤0.5 mg·L-1，改造前只有COD滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，NH4+-N、TN、TP均不能持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

1.4 運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)優(yōu)化改造內(nèi)容

分析現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)和基于現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)配置，在盡可能降低改造工作量的前提下，采取的改造措施包括：①將污泥回流點(diǎn)從缺氧池（A池）直接改到調(diào)節(jié)池，污泥回流比設(shè)定為100%（污水處理水量與污泥回流量比1∶1）；②將調(diào)節(jié)池作為預(yù)曝池使用，并且在調(diào)節(jié)池內(nèi)投加有機(jī)碳源（采用碳源相當(dāng)于800 g·L-1COD）；③在三沉池進(jìn)水位置投加聚合氯化鋁作為除磷劑，增加空氣攪拌措施，并在三沉池的出水位置投加一定量的聚丙烯酰胺（PAM），強(qiáng)化除磷劑產(chǎn)生化學(xué)污泥的沉降效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 改造對(duì)系統(tǒng)出水COD和NH4+-N的影響

2021年3月1日至2021年3月12日對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改造，進(jìn)水量與改造前大體相同（2021年2月份平均處理水量為510 m3·d-1，2021年3月至4月平均水量為520 m3·d-1），外界環(huán)境溫度-30～-10℃，進(jìn)水溫度4.5～7.5℃，從3月12日開(kāi)始在預(yù)曝池（調(diào)節(jié)池）投加有機(jī)碳源（投加量基本控制在60 kg/600 m3進(jìn)水），并保證高溶解氧4～6 mg·L-1運(yùn)行。系統(tǒng)改造后出水情況如圖2所示。經(jīng)測(cè)定污泥濃度MLSS由原來(lái)的2 500 mg·L-1左右逐步升高至3 500 mg·L-1以上，在硝化液回流比為100%～120%、污泥回流比為100%的條件下，出水COD質(zhì)量濃度仍然穩(wěn)定在50 mg·L-1以下，表明投加的碳源很容易被微生物分解代謝，通過(guò)同化作用使得系統(tǒng)內(nèi)污泥質(zhì)量濃度MLSS明顯提高[5]。

圖2 系統(tǒng)改造后系統(tǒng)出水情況

系統(tǒng)內(nèi)的活性污泥經(jīng)過(guò)14天左右的增長(zhǎng)，出水NH4+-N由原來(lái)的25 mg·L-1逐步下降至5 mg·L-1以下，表明在投加有機(jī)碳源和高溶解氧后可改善微生物之間的群落共生關(guān)系，使系統(tǒng)內(nèi)硝化細(xì)菌數(shù)量隨系統(tǒng)內(nèi)總污泥質(zhì)量濃度的提高而逐漸增加[7]。

2.2 改造對(duì)系統(tǒng)出水TN的影響

由圖2可知，經(jīng)過(guò)30天左右的污泥增長(zhǎng)，系統(tǒng)出水TN逐步下降至15 mg·L-1以下，表明在預(yù)曝池（原調(diào)節(jié)池）內(nèi)投加有機(jī)碳源，可提升進(jìn)水中的碳氮比[8]，為缺氧池（A池）內(nèi)的反硝化細(xì)菌提供了更多的碳源和能量[9]，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行可完成反硝化菌的富集，從而明顯提高了TN去除效率。

2.3 改造對(duì)系統(tǒng)出水TP的影響

由圖2可知，在外界環(huán)境溫度-30～-10℃、進(jìn)水溫度在4.5～7.5℃的條件下，通過(guò)上述改造措施，出水TP基本在0.5 mg·L-1左右波動(dòng)，于4月10日在二沉池出水口增加末端化學(xué)除磷，出水TP很快降低并穩(wěn)定至0.5 mg·L-1以下，表明在超低溫環(huán)境下，為保證系統(tǒng)內(nèi)的污泥質(zhì)量濃度，系統(tǒng)經(jīng)常少排泥或不排泥，僅靠生物除磷作用是不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)[10]，但是可以通過(guò)二沉池出水化學(xué)除磷[11]，來(lái)保證外排污水中TP的質(zhì)量濃度穩(wěn)定控制在0.5 mg·L-1以下。

3 結(jié)論

1）對(duì)污水處理生化系統(tǒng)進(jìn)行每600 m3污水投加60 kg碳源、好氧池溶解氧DO控制在4～6 mg·L-1的優(yōu)化改造后，可保證該生化系統(tǒng)在外界環(huán)境溫度為-10～-30℃、系統(tǒng)進(jìn)水溫度為4.5～7.5℃的條件下活性污泥質(zhì)量濃度持續(xù)增長(zhǎng)。

2）優(yōu)化后的污水處理生化系統(tǒng)在低溫條件下經(jīng)過(guò)14天左右的連續(xù)運(yùn)行，出水氨氮質(zhì)量濃度逐漸降低至5 mg·L-1以下，氨氮去除效率從改造前的60%左右上升至95%以上；經(jīng)過(guò)30天左右的連續(xù)運(yùn)行，出水TN質(zhì)量濃度逐漸降低至15 mg·L-1以下，TN去除效率從改造前的40%左右上升至75%以上，極大地提高了氨氮和總氮的去除效率。

3）超低溫條件下，污泥增長(zhǎng)速率緩慢，在不排泥或排泥量明顯減少的前提下，該污水處理生化系統(tǒng)可以通過(guò)二沉池出水化學(xué)除磷的手段，實(shí)現(xiàn)外排污水中TP質(zhì)量濃度持續(xù)低于0.5 mg·L-1的要求。