低碳氮比進(jìn)水條件下一體化氧化溝在高原污水處理中的應(yīng)用及調(diào)試

唐 昭，樊勇吉，盧英源，陸嘉暉，陳 軒

（1.廣西衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530000；2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境科學(xué)保護(hù)研究院，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著我國居民生活水平的提高，城鄉(xiāng)居民生活污水排放量也相應(yīng)增加，污水收集管網(wǎng)采用雨、污合流制的管道也越來越多，下雨時造成進(jìn)水污水碳源不足的現(xiàn)象也時常發(fā)生，這就導(dǎo)致反應(yīng)池體內(nèi)菌群競爭激烈，同時由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水中N，P 等污染物的污染程度增加，污水處理廠面臨著在低碳源情況下處理污染物的問題，確保良好的脫氮除磷效果已成為城鎮(zhèn)污水處理廠的首要任務(wù)[1-18]。目前，鮮有在高原環(huán)境下對污水處理廠的調(diào)查研究，尤其是在高原環(huán)境下同時伴隨低碳源的情況，如何保證在高原環(huán)境下的氧化溝脫氮除磷效果尤為重要。通過對一體化氧化溝進(jìn)行了調(diào)試及啟動試驗，同時對相關(guān)可調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行了可控篩選，以確定在污水處理廠現(xiàn)有條件下可達(dá)標(biāo)運(yùn)行的相關(guān)工藝參數(shù)。

1 項目背景

1.1 工程概況

以貴州國家級自然保護(hù)區(qū)某污水處理廠內(nèi)的一體化氧化溝污水處理設(shè)施為研究對象，該污水處理廠的污水來源主要為城鎮(zhèn)居民及游客產(chǎn)生的生活污水，濕地處中高海拔（2 200 m）地區(qū)，進(jìn)水具有碳源較低的水質(zhì)特征[19]，該污水處理廠建設(shè)規(guī)模為1×104m3/d，污水綜合變化系數(shù)（K）取1.30，截流倍數(shù)為2.0，即雨季時提升泵房、格柵、沉砂池總處理能力為2.6×104m3/d。

2017 年提標(biāo)改造后，出水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB 3838—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A 標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計處理后的污水經(jīng)過人工濕地后，進(jìn)一步處理后再排入國家級自然保護(hù)區(qū)，該污水處理廠人工濕地占地為3.35 hm2，管網(wǎng)收集范圍分布在縣城老城區(qū)內(nèi)，服務(wù)人口為7.5 萬人，污水收集方式為截留式合流制。

1.2 工藝流程及設(shè)備

貴州某污水處理廠一體化氧化溝的工藝流程示意見圖1。

圖1 一體化氧化溝工藝流程示意

1.2.1 預(yù)處理階段

城鎮(zhèn)居民產(chǎn)生的生活廢水經(jīng)收集管網(wǎng)輸送到污水處理設(shè)施的預(yù)處理部分，由閘門井提升經(jīng)粗、細(xì)格柵（粗格柵（柵徑為5 mm）剔除大型固體污染物，細(xì)格柵（柵徑為0.5 mm）去除粗格柵后的小型固體污染物）后的污水進(jìn)入旋流沉砂池，該池內(nèi)建旋流裝置，利用設(shè)施內(nèi)部分流速不同，分離出進(jìn)水中各種粒徑的砂礫，出水經(jīng)沉砂池溢流堰流入氧化溝主體設(shè)備。

1.2.2 處理階段

一體化氧化溝可分為前置預(yù)處理池及氧化溝主體結(jié)構(gòu)，氧化溝主體結(jié)構(gòu)分為厭氧溝渠、缺氧溝渠、好氧溝渠等處理區(qū)域，曝氣池呈封閉式溝渠形，好氧溝渠內(nèi)采用帶方向控制的曝氣及攪拌裝置，進(jìn)水和溝內(nèi)剩余的活性污泥混合液均勻流動，剩余小部分污泥由污泥泵抽至污泥濃縮池后經(jīng)脫水外排。

1.2.3 后端處理

一體化氧化溝經(jīng)溢流堰的出水到達(dá)后端處理系統(tǒng)，系統(tǒng)由去除部分剩余顆粒物的砂濾池及備用加藥間、紫外消毒間、后端人工濕地組成。

污水處理設(shè)施部分設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 氧化溝部分設(shè)備技術(shù)參數(shù)

一體化氧化溝工程示意見圖2。

圖2 一體化氧化溝工程示意

2 實(shí)際運(yùn)行水質(zhì)、水量

該污水處理廠的設(shè)計處理水量為10 000 m3/d，2017 年平均進(jìn)水量為11 300 m3/d。地區(qū)具有明顯的高原季節(jié)性降水分布特征，枯水季為當(dāng)年11 月～次年4 月，豐水季為5 月～10 月，枯水季實(shí)際進(jìn)水量為8 600 m3/d，豐水季實(shí)際進(jìn)水量為12 300 m3/d。豐水季進(jìn)水的ρ（BOD）/ρ（COD）≤0.25 明顯偏低，具有典型的低碳源進(jìn)水特征。系統(tǒng)進(jìn)水存在以下問題：雨季進(jìn)水指標(biāo)超出原設(shè)計進(jìn)水指標(biāo)的17%，較少雨季滿負(fù)荷運(yùn)行的進(jìn)水濃度有1～1.3 倍的稀釋，甚至達(dá)到2～3 倍的稀釋程度。在暴雨時，進(jìn)水中CODCr，BOD5，NH3-N，TP 等指標(biāo)下降至原來正常水質(zhì)的1/2～1/3；水力負(fù)荷過高，對活性污泥系統(tǒng)沖擊較大。

該污水處理廠進(jìn)、出水水質(zhì)見表2。

表2 一體化氧化溝干、濕2 季進(jìn)、出水水質(zhì) mg·L-1

3 試驗及調(diào)試方法

試驗主要考察好氧區(qū)pH 值、DO 這2 個控制參數(shù)對系統(tǒng)脫氮除磷的影響，以進(jìn)、出水中COD，NH3-N，TP，TN 作為考察指標(biāo)，研究系統(tǒng)對考察指標(biāo)的去除效果，試驗所需水樣從該污水處理廠獲取，采樣時間為2017 年8 月～2017 年11 月，進(jìn)水時間段基本屬于豐水季節(jié)，監(jiān)測采樣點(diǎn)分別為污水總進(jìn)水口和出水口。采樣頻率為1 次/d，時間為上午10:00，使用采樣瓶采完樣品后立即送試驗室進(jìn)行測定。DO、溫度、營養(yǎng)平衡、污泥濃度、堿度、pH 值、污泥齡、DO 濃度等因子均影響著一體化氧化溝的運(yùn)行[20]，該廠運(yùn)行過程可調(diào)整參數(shù)分別為好氧區(qū)容積比、pH 值、回流比、DO 濃度等。為了不影響污水處理廠正常運(yùn)行，選擇不同pH 值及DO 濃度作為調(diào)節(jié)參數(shù)，通過修改pH值自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備（如pH 控制器、pH 檢測電極、鹽酸電磁閥組）調(diào)整pH 值，通過曝氣量控制DO 濃度，分別使用重鉻酸鉀法、稀釋接種法、納氏試劑分光光度法、過硫酸鉀-紫外分光光度法、紫外分光光度法、過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法檢測COD，BOD5，NH3-N，TN，NO3--N，TP。

4 結(jié)果分析

4.1 pH 值對一體化氧化溝工藝去除各污染物效果的影響

pH 值在很大程度上決定了污水的處理程度和反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)體積[21]，故以pH 值為參數(shù)，考察其對一體化氧化溝脫氮除磷效能的影響。通過向氧化溝中心島上攪拌加藥裝置投加液堿與碳酸鈉混合液調(diào)整pH 值，通過pH 計檢測pH 值確定投加終點(diǎn)，使氧化溝內(nèi)平均pH 值分別維持在6.0～6.5，6.5～7.0，7.0～7.5，7.5～8.0，8.0～8.5，在每段pH 值下穩(wěn)定運(yùn)行后，考慮氧化溝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每個控制條件下，每天取2 次樣檢測1 周，最后結(jié)果取所有點(diǎn)位的平均值，檢測點(diǎn)位示意見圖3。

圖3 一體化氧化溝pH 值取樣點(diǎn)位示意

4.1.1 COD

在不同pH 值條件下，一體化氧化溝工藝去除COD 的效果見圖4。

圖4 不同pH 值對氧化溝COD 去除效果影響

由圖4 可以看出，在不同pH 值條件下，氧化溝中COD 去除效率均較高（均高于85%），pH 值從6.5增至7.5 的過程中COD 去除率逐漸增加，此時系統(tǒng)中剩余堿度檢測超過100 mg/L，當(dāng)處理環(huán)境中pH值≥7.2，可保證硝化所需環(huán)境。當(dāng)環(huán)境中pH 值為7.5 時，對COD 的降解效果最佳，去除率穩(wěn)定在90%左右，提高混合液堿度對COD 的去除率變化不明顯，進(jìn)一步提高pH 值至8 時，COD 的去除率降至87.4%，同時COD 的去除穩(wěn)定性隨著降低，此時pH值對氧化溝活性污泥系統(tǒng)中微生物有著明顯抑制作用，導(dǎo)致微生物酶促反應(yīng)系統(tǒng)部分失活。結(jié)果表明，不同pH 值條件下對COD 的去除率影響有限，但需注意高pH 值對活性污泥的影響，試驗結(jié)果與程宗旺關(guān)于堿性工業(yè)廢水對氧化溝脫氮的影響研究成果一致。其原因在于pH 值影響著污水中有機(jī)物中和、沉淀、氧化還原的過程，同時中性環(huán)境下可提高水中微生物代謝活動強(qiáng)度。

4.1.2 NH3-N

在不同pH 值條件下，一體化氧化溝工藝去除NH3-N 的效果見圖5。

圖5 不同pH 值對氧化溝NH3-N 去除效果的影響

由圖5 可以看出，系統(tǒng)pH 值為7 時，NH3-N 的降解效果最佳，去除率為77.9%。進(jìn)水中NH3-N 質(zhì)量濃度為16 mg/L 時，pH 值越接近中性環(huán)境其對NH3-N 的降解效果越好，在偏酸性或者堿性環(huán)境中，部分硝化菌類和反硝化菌類受到抑制，影響NH3-N 的硝化反應(yīng)速率及NO2--N 的反硝化作用[22]，其原因可能為較短污泥齡內(nèi)的長世代硝化菌無法適應(yīng)較低及較高的pH 值，硝化菌的數(shù)量降低導(dǎo)致NH3-N 的出水濃度上升。

4.1.3 TN

在不同pH 值條件下，一體化氧化溝工藝去除TN 的效果見圖6。

圖6 不同pH 值對氧化溝TN 去除效果的影響

由圖6 可以看出，pH 值從6 增至7.5 過程中，TN 的去除率呈平穩(wěn)上升趨勢，其去除率由53.32%升至60.41%，當(dāng)pH 值超過7.5，TN 去除效率隨pH值增加而降低，當(dāng)系統(tǒng)中pH 值較低時，雖然進(jìn)入反應(yīng)器中的碳源充足，但過高的NH3-N 濃度使其去除率無法提高，當(dāng)pH 值較高時，有充足的時間進(jìn)行硝化作用[23]，但本底中因碳源缺乏反過來抑制反硝化作用，致使系統(tǒng)中積累大量的硝酸鹽氮，導(dǎo)致出水中TN 濃度增加。

4.1.4 TP

在不同pH 值條件下，一體化氧化溝工藝去除TP 的效果見圖7。

圖7 不同pH 值對氧化溝TP 去除效果的影響

由圖7 可以看出，pH 值為6.5 時，TP 降解效果最佳，TP 去除率為93.5%。雖然進(jìn)入反應(yīng)器中的碳源不足，但pH 值在中性或者弱堿性環(huán)境中均可滿足聚磷菌降解自身所需的電子受體量，聚磷菌吸磷過程受到的影響較小，不影響整體的除磷效果。

4.2 DO 濃度對一體化氧化溝工藝去除各種污染物效果的影響

DO 濃度是影響一體化氧化溝工藝脫氮除磷效果的一個重要因素[24]。若曝氣池中DO 濃度過低，一方面在氧化溝曝氣池內(nèi)，硝化細(xì)菌難以完全進(jìn)行硝化反應(yīng)過程，好氧微生物數(shù)量會減少。另一方面影響著氧化溝工藝的脫氮效果。若DO 濃度過高，則會抑制對聚磷菌的除磷作用，使出水中TP 濃度升高。在低碳源進(jìn)水條件下，在氧化溝工藝中好氧溝的DO 質(zhì)量濃度維持在2 mg/L 左右，因此，選取調(diào)控DO 質(zhì)量濃度分別為1.4～1.7，1.7～2，2～2.3，2.3～2.6，2.6～2.9 mg/L。

4.2.1 COD

不同DO 濃度對進(jìn)、出水中COD 濃度變化見圖8。

圖8 不同DO 濃度對氧化溝中COD 去除效果的影響

由圖8 可以看出，COD 的去除率隨曝氣段DO濃度的增加（從1.4 mg/L 增至2.3～2.6 mg/L）穩(wěn)步增加，去除率由83.6%增至86.9%，當(dāng)DO 質(zhì)量濃度為2.6～2.9 mg/L 時，對COD 的降解作用有一定程度的抑制。當(dāng)控制氧化溝曝氣段DO 質(zhì)量濃度為2.3 mg/L時，系統(tǒng)對COD 的降解效果最佳。

4.2.2 NH3-N

參照上述方法對一體化氧化溝工藝在不同DO濃度的環(huán)境下進(jìn)、出水中NH3-N 變化進(jìn)行研究，不同DO 濃度對氧化溝中NH3-N 去除效果的影響見圖9。由圖9 可以看出，當(dāng)DO 質(zhì)量濃度為2.3 mg/L時，系統(tǒng)對NH3-N 的降解效果最佳。當(dāng)進(jìn)水中NH3-N 質(zhì)量濃度為16 mg/L 時，NH3-N 的去除率隨DO 質(zhì)量濃度的增加（從1.4 mg/L 增至2.3 mg/L） 逐漸增加，且增長幅度較大。但當(dāng)DO 質(zhì)量濃度超過2.3 mg/L后，系統(tǒng)硝化反硝化過程受到一定程度的抑制，NH3-N 的去除率隨著降低。

圖9 不同DO 濃度對氧化溝中NH3-H 去除效果的影響

4.2.3 TN

參照上述方法對一體化氧化溝工藝在不同DO的環(huán)境下進(jìn)、出水TN 變化進(jìn)行研究，試驗結(jié)果見圖10。

圖10 不同DO 濃度對氧化溝TN 去除效果的影響

由圖10 可以看出，當(dāng)DO 質(zhì)量濃度為2.6 mg/L時，氧化溝工藝對TN 的降解效果最佳。其它DO 濃度下TN 的去除率均接近50%，原因可能為曝氣池中DO 濃度較低促進(jìn)了反硝化菌的繁殖，導(dǎo)致爭奪硝化菌的碳源使得硝化作用不完全，最后降低了對TN 的去除效率。

4.2.4 TP

參照上述方法對一體化氧化溝工藝在不同DO濃度的環(huán)境下進(jìn)、出水TP 變化進(jìn)行研究，試驗結(jié)果見圖11。由圖11 可以看出，DO 質(zhì)量濃度為2.3 mg/L時，氧化溝工藝對TP 的降解效果最佳。DO 質(zhì)量濃度為1.4 mg/L 時對TP 去除效果較差，其它DO 濃度的去除效果接近且較好，推斷原因為在較低的DO濃度下，處在低氧環(huán)境下的反硝化細(xì)菌迅速增加，使其獲取碳源困難從而降低除磷效率。

圖11 不同DO 濃度對氧化溝TP 去除效果的影響

5 結(jié)論

試驗可知，各項出水指標(biāo)基本均達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的一級標(biāo)準(zhǔn),一體化氧化溝在高原地區(qū)低進(jìn)水濃度下脫氮除磷工藝的處理效果較好。

（1）COD 的去除率隨pH 值增加（從6.5 增至7.5）逐漸增加，當(dāng)pH 值為7.5 時，對COD 的降解效果最佳，去除率穩(wěn)定在88%，當(dāng)pH 值為8.5 時去除率反而下降，pH 值過低或過高均影響一體化氧化溝工藝對COD 的去除效果；曝氣段DO 濃度對去除進(jìn)水COD 的影響：COD 的去除率隨DO 質(zhì)量濃度的增加（從1.4 mg/L 增至2.3 mg/L）穩(wěn)步增加，當(dāng)DO 質(zhì)量濃度超過2.0 mg/L 則對COD 的降解作用有一定程度的抑制。

（2）試驗條件下，氧化溝系統(tǒng)除磷受pH 值的影響差別不大，DO 質(zhì)量濃度降至1.4 mg/L 時，TP 的去除率有所下降，因此，低進(jìn)水濃度下，一體化氧化溝工藝為保持較好的除磷效果，好氧區(qū)的曝氣時間不宜較短。

（3）系統(tǒng)的NH3-N 去除率隨pH 值增加（從6 增至7）逐步增加，NH3-N 最高去除率為77.9%，但當(dāng)pH 值從7 繼續(xù)增至8 時，NH3-N 的去除率有所下降。因此，在中性條件下系統(tǒng)可保持較高的硝化效果，有較好且穩(wěn)定的NH3-N 去除效果；當(dāng)控制DO質(zhì)量濃度為2.3 mg/L 時，其對NH3-N 的降解效果最佳。NH3-N 的去除率隨DO 質(zhì)量濃度增加（從1.4 mg/L 增至2.3 mg/L）逐漸增加，當(dāng)DO 質(zhì)量濃度增至2.6 mg/L 時系統(tǒng)出水中NH3-N 濃度反而增加，因此，控制氧化溝的曝氣量尤為重要。

（4）當(dāng)pH 值靠近中性時，系統(tǒng)中TN 受pH 值影響不大，當(dāng)pH 值分別為6 和8 時，系統(tǒng)TN 去除率偏低（分別為53.32%，54.64%），當(dāng)pH 值為7.5時，系統(tǒng)可取得較好且穩(wěn)定的TN 去除效果。當(dāng)DO質(zhì)量濃度為2.6 mg/L 時，氧化溝工藝對TN 的降解效果最佳。其它DO 濃度下TN 的去除率均接近為50%。

在本試驗條件下，最佳工藝控制參數(shù)：pH 值為7.5，DO 質(zhì)量濃度為2.3 mg/L。