高進(jìn)水TN濃度條件下A2O工藝C/N調(diào)控研究

王希明

(中通環(huán)境治理有限公司，北京 100050)

1 概述

A2O工藝生活污水處理廠實(shí)現(xiàn)出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)需要開展工藝調(diào)控，根據(jù)實(shí)際進(jìn)水的水質(zhì)、水量對(duì)生化池各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)開展調(diào)控是保障出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。出水TN指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)是各污水廠都面臨的一個(gè)重要課題，要保障出水TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)通常需要在A2O生化池開展以下調(diào)控內(nèi)容：1)硝化液回流比調(diào)控。根據(jù)進(jìn)水TN濃度和出水TN限值計(jì)算所需TN去除率后再計(jì)算所需的總回流比，扣減內(nèi)回流比后即為所需硝化液回流比。2)硝化液回流量調(diào)控。根據(jù)進(jìn)水實(shí)際流量、理論硝化液回流比計(jì)算所需的硝化液回流量。3)調(diào)控曝氣量和好氧區(qū)溶解氧。保障好氧區(qū)曝氣量能夠至少滿足氨氮完全硝化的需求的同時(shí)盡可能降低曝氣強(qiáng)度，以降低曝氣能耗。4)缺氧區(qū)溶解氧調(diào)控。應(yīng)控制回流硝化液中攜帶的溶解氧，保障缺氧區(qū)DO<0.5 mg/L[1]。5)進(jìn)水C/N調(diào)控，在進(jìn)水C/N數(shù)值低、只利用原水中的碳源無法實(shí)現(xiàn)TN達(dá)標(biāo)排放的情況下，需要投加外碳源，調(diào)控原水C/N。6)其他調(diào)控措施。如維持污泥濃度和總泥齡在合理范圍內(nèi)，維持各池內(nèi)良好的污泥懸浮狀態(tài)和泥水混合狀態(tài)等。

污水處理廠常面臨進(jìn)水TN濃度高導(dǎo)致實(shí)際需去除的TN量大、進(jìn)水有機(jī)物濃度過低、出水TN不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)等情況。此時(shí)如果僅依靠原水中有機(jī)物無法實(shí)現(xiàn)出水TN指標(biāo)達(dá)標(biāo)，就需要開展C/N調(diào)控。在工程調(diào)試實(shí)踐中，進(jìn)水C/N調(diào)控主要依靠控制外碳源的投加量來實(shí)現(xiàn)。C/N調(diào)控既要避免投加外碳源量過大造成藥劑浪費(fèi)、出水COD升高、污泥增殖速率過快等問題，也要避免投加外碳源量過小導(dǎo)致的出水TN無法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

在進(jìn)水水質(zhì)存在波動(dòng)的條件下要保障出水TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，一方面需要充分利用生化池較長的停留時(shí)間具有的緩沖能力，讓生化系統(tǒng)的出水水質(zhì)變化為漸進(jìn)式的遞增或遞減，不產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，為開展C/N調(diào)控贏得調(diào)整外碳源投加量的時(shí)間；另一方面需要選擇合適的水質(zhì)檢測指標(biāo)和檢測方法，盡量能夠快速出具結(jié)果并根據(jù)檢測結(jié)果及時(shí)調(diào)整外碳源投加量。

通常意義上的C/N為BOD5/TN，生物脫氮過程BOD5/TN理論值為2.86，考慮到生化處理過程中厭氧區(qū)也有一定的有機(jī)物去除效率，同時(shí)好氧池內(nèi)也會(huì)消耗部分有機(jī)物，故一般要求BOD5/TN>4[1]462-463或COD/TN>8[2]，方可基本保障生物脫氮效果和出水TN達(dá)標(biāo)。

BOD5顧名思義為五日生化需氧量，其國標(biāo)檢測方法需要檢測時(shí)間長，結(jié)果反饋慢。如果通過檢測原水BOD5數(shù)值來調(diào)控進(jìn)水C/N，無法滿足對(duì)進(jìn)水C/N開展快速調(diào)控的要求。在調(diào)試實(shí)踐中只能作為輔助手段，不適宜作為C/N調(diào)控過程的主要檢測指標(biāo)，工程調(diào)試實(shí)踐中更多的是依靠COD檢測結(jié)果開展C/N調(diào)控。

COD為化學(xué)需氧量，其檢測周期短，分光光度法能夠在2 h～3 h左右快速出具檢測結(jié)果，COD快速消解法20 min左右即可出具檢測結(jié)果，能很好地滿足C/N調(diào)控過程要求快速出具檢測結(jié)果的需求。同時(shí)由于生活污水的BOD5/COD的比值通常相對(duì)固定，一般在0.4～0.65[3]，變化幅度不大，因而以COD作為進(jìn)水C/N調(diào)控的主要控制指標(biāo)是相對(duì)合理和科學(xué)的。

實(shí)踐中以COD指標(biāo)為基礎(chǔ)開展的進(jìn)水C/N調(diào)控的實(shí)際效果可能隨著地域變化、水質(zhì)、水量不同而有所變化，因而有必要對(duì)此研究方向開展更多的實(shí)踐和分析研究。

本次研究所在的污水處理廠在調(diào)試期間平均進(jìn)水TN濃度為80.72 mg/L，出水TN要求為15 mg/L，實(shí)際需要去除的TN值平均約為65.72 mg/L，按照BOD5/TN=2.86，則理論需要BOD5的量為187.96 mg/L，若假定原水B/C為0.4，則需要的COD量至少為469.9 mg/L，而該水廠的實(shí)際進(jìn)水COD約為200 mg/L～300 mg/L，碳源不足導(dǎo)致只能依靠投加外碳源來保障出水TN達(dá)標(biāo)排放。在此條件下，既要保障出水TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)同時(shí)降低運(yùn)營成本，開展進(jìn)水C/N的調(diào)控工作就顯得更加重要。

通常說的C/N是根據(jù)原水水質(zhì)指標(biāo)檢測結(jié)果表征該原水生物脫氮特征的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)性數(shù)值。由于計(jì)算簡單因而得到了廣泛的使用，但因?yàn)樵杏袡C(jī)物并非全部用于反硝化，同時(shí)也并非所有的TN都需要完全去除，為了便于更加準(zhǔn)確的表征有機(jī)物去除與TN去除的關(guān)系，后續(xù)按照以下兩種定義分別對(duì)調(diào)控過程數(shù)據(jù)開展分析和研究：

1)C/N：投加外碳源后的總有機(jī)物濃度與進(jìn)水TN濃度的比值，此處有機(jī)物濃度以COD濃度作為計(jì)算依據(jù)。

2)C/NR：投加外碳源后的總有機(jī)物濃度與實(shí)際需去除TN濃度的比值，此處有機(jī)物濃度以COD濃度作為計(jì)算依據(jù)。

國內(nèi)北方地區(qū)城鎮(zhèn)生活污水的主要水質(zhì)指標(biāo)：COD一般為200 mg/L～400 mg/L，TN約為40 mg/L～60 mg/L，以COD計(jì)量的C/N約為3～5。而出水水質(zhì)中TN指標(biāo)根據(jù)設(shè)計(jì)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)有一定差異，GB 18918中的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)出水TN限值為20 mg/L，一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)出水TN限值為15 mg/L，北京市地方污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中B標(biāo)準(zhǔn)為15 mg/L，A標(biāo)準(zhǔn)為10 mg/L。設(shè)計(jì)進(jìn)出水TN差值為實(shí)際需要去除的TN濃度，需要去除的TN濃度絕對(duì)數(shù)值的大小對(duì)進(jìn)水C/N調(diào)控的影響非常大，例如：進(jìn)水COD=300 mg/L，TN=60 mg/L，出水TN要求分別為20 mg/L，10 mg/L的條件下，理論上需要去除的TN濃度分別為40 mg/L，50 mg/L，雖然以COD計(jì)的進(jìn)水C/N都等于5，但是其達(dá)標(biāo)難度相差很大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，額外去除10 mg TN/L需要投加的外碳源量約需30 mg BOD5/L～50 mg BOD5/L，同時(shí)需要更大的缺氧池池容來維持反硝化脫氮所需的停留時(shí)間。

故C/NR相比C/N能夠更準(zhǔn)確的反映達(dá)到不同出水標(biāo)準(zhǔn)中TN限值時(shí)，實(shí)際待去除TN濃度對(duì)應(yīng)綜合需要的有機(jī)物濃度的關(guān)系，考慮到C/N在日常使用較多且數(shù)據(jù)獲取更加直接，所以在研究過程中對(duì)以上兩種比值都開展了計(jì)算分析。

開展C/N調(diào)控主要是通過投加外碳源實(shí)現(xiàn)，選擇經(jīng)濟(jì)合理的外碳源就顯得尤為重要。污水處理廠常用的外碳源有甲醇、乙醇、乙酸、乙酸鈉、葡萄糖、淀粉、復(fù)合高效碳源等[4]，其中，甲醇、乙醇、乙酸會(huì)帶來防爆風(fēng)險(xiǎn)，較少采用，淀粉、葡萄糖由于碳鏈過長導(dǎo)致利用速率低，也相對(duì)較少選用。乙酸鈉是經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)效果穩(wěn)定、性能優(yōu)良的外碳源，是現(xiàn)在多數(shù)污水處理廠外碳源投加的選擇。乙酸鈉的BOD5當(dāng)量為0.52 g BOD5/g乙酸鈉，COD當(dāng)量為0.78 g COD/g乙酸鈉。

由于外碳源產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，在經(jīng)歷配置、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等過程后其實(shí)際的有機(jī)物當(dāng)量數(shù)值會(huì)產(chǎn)生變化，建議污水處理廠在開展C/N調(diào)控前，應(yīng)檢測該批次產(chǎn)品的實(shí)際COD當(dāng)量，以保障投加外碳源的量滿足實(shí)際需求。

2 調(diào)控過程與效果

2.1 研究對(duì)象的基本情況

開展研究的污水處理廠生化處理單元采用A2/O工藝，設(shè)計(jì)處理能力為1.2萬m3/d，分為兩個(gè)系列并聯(lián)運(yùn)行，單系列設(shè)計(jì)處理規(guī)模為6 000 m3/d。

設(shè)計(jì)原水水質(zhì)和出水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)表

設(shè)計(jì)處理工藝流程如圖1所示。

管線收集的生活污水首先進(jìn)入廠區(qū)粗格柵及提升泵站，去除20 mm以上的懸浮物后利用提升泵提升至細(xì)格柵及旋流沉砂池，細(xì)格柵用于去除5 mm以上的懸浮物，沉砂池用于去除原水中的細(xì)小砂粒，出水重力進(jìn)入A2O-MBR綜合池，先經(jīng)過膜格柵過濾截留1 mm以上的纖維、顆粒等后進(jìn)入A2O生化池進(jìn)行生化反應(yīng)，在厭氧區(qū)釋放磷和吸收VFA轉(zhuǎn)化為PHB，在缺氧區(qū)利用原水碳源和外加碳源對(duì)回流硝化液中的硝酸鹽進(jìn)行反硝化脫氮，好氧區(qū)完成有機(jī)物氧化、好氧吸磷以及氨氮的硝化反應(yīng)，在膜池完成泥水分離和污泥回流。膜產(chǎn)水泵將產(chǎn)水輸送至消毒接觸及中水回用水池，投加次氯酸鈉消毒后，根據(jù)中水回用需求進(jìn)行回用，多余產(chǎn)水溢流排放至大龍河。

生化池排出的剩余污泥進(jìn)入貯泥池，采用離心式脫水機(jī)進(jìn)行污泥脫水后，產(chǎn)出的80%含水率污泥定期外運(yùn)至大興區(qū)污泥處置中心。

根據(jù)生化池的尺寸和設(shè)計(jì)計(jì)算書，生化池設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 生化池設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.2 外碳源投加量估算方法

根據(jù)工程調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)資料[5]，去除1 mg/L TN約需要乙酸鈉5 mg/L～6 mg/L(折合COD約3.9 mg/L～4.68 mg/L≈BOD5約2.6 mg/L～3.12 mg/L)，估算需投加的20%液體乙酸鈉(16.7萬mg COD/L)的體積。

本項(xiàng)目調(diào)試過程中乙酸鈉的用量估算如下：以1 000 m3/d處理規(guī)模、去除1 mg/L TN為例，理論計(jì)算所需的20%乙酸鈉(16.7萬mg COD/L)體積約為23.35 L/d～28.02 L/d。

2.3 C/N調(diào)控?cái)?shù)據(jù)與出水TN

調(diào)試初期未投加外碳源時(shí)，該污水處理廠出水TN平均約34.9 mg/L，不投加外碳源無法實(shí)現(xiàn)出水TN達(dá)標(biāo)。在開展C/N調(diào)控過程中，按照以上計(jì)算方法投加了液體乙酸鈉開展了C/N調(diào)控。每日根據(jù)檢測進(jìn)水TN數(shù)值，調(diào)整每日的理論投加量，基本實(shí)現(xiàn)了出水TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。C/N調(diào)控過程中水質(zhì)檢測結(jié)果及外碳源投加量見表3。

C/N調(diào)控期間的水質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析如下：

1)平均進(jìn)水量為1 706 m3/d，最大值為2 426 m3/d，最小值為1 179 m3/d；其中平均進(jìn)水量約為設(shè)計(jì)運(yùn)行系列處理能力的28.43%，屬于低水量負(fù)荷工況。

2)進(jìn)水COD最低值為256.98 mg/L，最高值為378.40 mg/L，平均值為339.39 mg/L，滿足設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)的要求。

3)進(jìn)水TN平均值為80.72 mg/L，最低值為72.50 mg/L，最高值為91.00 mg/L，嚴(yán)重超過設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)的要求。

表3 C/N調(diào)控?cái)?shù)據(jù)表

4)出水TN平均值為13.72 mg/L，最低10.99 mg/L，最高15.68 mg/L，基本實(shí)現(xiàn)了出水TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3 C/N調(diào)控?cái)?shù)據(jù)分析

以進(jìn)水COD和投加外碳源的COD當(dāng)量之和作為分子，分別以原水TN檢測結(jié)果和實(shí)際去除TN濃度作為分母，可以得到前述定義的C/N，C/NR的數(shù)值，分別繪圖如圖2，圖3所示。

維持出水TN基本穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的條件下，投加外碳源后的總COD和進(jìn)水TN的比值最高值為6.98，最低值為4.76，平均值為5.90。

維持出水TN基本穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的條件下，投加外碳源后的總COD和實(shí)際去除TN量的比值最高值為8.4，最低值為5.62，平均值為7.10。

根據(jù)圖2,圖3中的數(shù)據(jù)，C/N調(diào)控分析結(jié)論如下：

1)在維持C/N平均值為5.90，C/NR平均值為7.10時(shí)，系統(tǒng)出水基本能夠保障達(dá)標(biāo)。

2)C/N數(shù)值較小是因?yàn)檫M(jìn)水TN的數(shù)值包含了未去除的出水TN，導(dǎo)致分母數(shù)值變大。

3)C/NR數(shù)值比相較C/N大，反映了進(jìn)水及投加外碳源后的總COD與去除TN之間的實(shí)際關(guān)系，而這種綜合因素作用下的實(shí)踐值能夠更加貼合工程實(shí)際情況。

4)考慮到原水水質(zhì)波動(dòng)以及生化池池容較大具備一定的緩沖能力，建議實(shí)際開展C/N調(diào)控時(shí)，將調(diào)控?cái)?shù)值控制在平均值至最高值范圍內(nèi)，即將C/N控制在5.9～6.98,C/NR控制在7.1～8.4。

4 結(jié)論

1)基于COD能夠快速出具檢測結(jié)果的特點(diǎn)，采用了以COD作為控制指標(biāo)的C/N調(diào)控措施，通過調(diào)控生化池內(nèi)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)及投加適量的外碳源，實(shí)現(xiàn)了出水水質(zhì)TN基本穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的調(diào)試效果。2)由于投加的外碳源并不能保障100%用于反硝化脫氮，以進(jìn)水及投加外碳源的總COD與進(jìn)水TN的比值為調(diào)控控制指標(biāo)時(shí)，建議將C/N控制在5.9～6.98。3)以投加外碳源后的總COD與需要去除的TN的比值開展調(diào)控時(shí)，根據(jù)研究中檢測數(shù)據(jù)分析，建議將C/NR控制在7.1～8.4。4)由于投加外碳源的實(shí)際反硝化利用效率、原水水質(zhì)的B/C均會(huì)對(duì)以COD為計(jì)算指標(biāo)的C/N調(diào)控效果產(chǎn)生影響，建議調(diào)試實(shí)踐時(shí)首先將生化系統(tǒng)的硝化液回流量、溶解氧等調(diào)控至合理范圍后，再根據(jù)C/N,C/NR調(diào)控值的范圍計(jì)算外碳源投加量，并根據(jù)實(shí)際出水TN數(shù)值及變化趨勢(shì)適時(shí)調(diào)整外碳源投加量。