A2O+MBR工藝處理低碳氮比污水的效果研究

摘要：污水處理廠通常面臨進(jìn)水碳氮比偏低的問題，為確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，一般采取超量投加碳源的策略，但是這會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行成本上升。北京市某污水處理廠將厭氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）+膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor，MBR）工藝作為主體工藝，進(jìn)水由生活污水（占30%）和工業(yè)廢水（占70%）組成。該污水處理廠向缺氧池投加葡萄糖溶液作為碳源，輔助脫氮。試驗(yàn)分別測(cè)定進(jìn)出水化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、總氮（Total Nitrogen，TN）和反應(yīng)池混合液懸浮固體（Mixed Liquid Suspended Solids，MLSS）的濃度，分析外加碳源對(duì)脫氮效果和污泥產(chǎn)生量的影響，并進(jìn)行碳源投加前后的成本對(duì)比。研究表明，進(jìn)水COD/TN小于7時(shí)，適量投加碳源有助于提升脫氮效率，而COD/TN大于7時(shí)，要優(yōu)化其他環(huán)節(jié)來加強(qiáng)脫氮效果，以保證出水水質(zhì)穩(wěn)定符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。通過精細(xì)化過程控制和改變運(yùn)行管理方式，污水處理廠可以有效降低運(yùn)行成本，避免進(jìn)行工程化改造。

關(guān)鍵詞：厭氧-缺氧-好氧（A2O）；膜生物反應(yīng)器（MBR）；污水處理；低碳氮比；脫氮；外加碳源

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）07-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.072

Study on the Effect of A2O + MBR Process in Treating Low Carbon-Nitrogen Ratio Wastewater

ZHAO Yangyang1， LI Chenxing2， LI Jingxu1， YAN Waner2， ZHANG Tong2

（1. Beijing Yizhuang Environmental Technology Group Co.， Ltd.， Beijing 102600， China;

2. Beijing General Municipal Engineering Design amp; Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100082， China）

Abstract： Wastewater treatment plants often face the problem of low carbon-nitrogen ratio in the influent， in order to ensure that the effluent quality meets the standards， a strategy of excessive addition of carbon sources is generally adopted， but this can lead to an increase in operating costs. A wastewater treatment plant in Beijing city adopts the Anaerobic-Anoxic-Oxic （A2O） + Membrane Bio-Reactor （MBR） process as the main process， with the influent consisting of domestic sewage （accounting for 30%） and industrial wastewater （accounting for 70%）. The wastewater treatment plant adds glucose solution to the anoxic tank as a carbon source to assist in denitrification. The experiment separately measures the concentration of Chemical Oxygen Demand （COD）， Total Nitrogen （TN） in the influent and effluent， and Mixed Liquid Suspended Solids （MLSS） in the reaction tank， analyzes the effect of additional carbon source on denitrification efficiency and sludge production， and compares the cost before and after carbon source addition. Research has shown that when the influent COD/TN is less than 7， adding an appropriate amount of carbon source can help improve denitrification efficiency， however， when the COD/TN is greater than 7， other processes need to be optimized to enhance denitrification efficiency and ensure that the effluent quality stably meets relevant standards. By refining process control and changing operational management methods， wastewater treatment plants can effectively reduce operating costs and avoid engineering transformations.

Keywords： Anaerobic-Anoxic-Oxic （A2O）; Membrane Bio-Reactor （MBR）; wastewater treatment; low carbon-nitrogen ratio; denitrification; additional carbon source

碳源是污水處理廠活性污泥中異養(yǎng)微生物的能量來源和脫氮過程的電子供體，是影響反硝化過程和脫氮能力的重要因素[1]。混有工業(yè)廢水的城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水碳氮比普遍較低，不外加碳源很難滿足出水總氮（Total Nitrogen，TN）達(dá)標(biāo)要求[2]。部分污水處理廠僅憑經(jīng)驗(yàn)向缺氧池中超量投加碳源，以保證出水TN達(dá)標(biāo)，同時(shí)造成碳源浪費(fèi)、好氧段曝氣能耗增加、產(chǎn)泥量增大等問題，甚至對(duì)脫氮效果產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。因此，分析進(jìn)水碳氮比、外加碳源量與出水TN濃度的相關(guān)性，對(duì)降低污水處理廠的運(yùn)行成本具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工藝流程

北京市某污水處理廠建成于2014年，設(shè)計(jì)處理能力為2萬m3/d，主體工藝為厭氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）+膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor，MBR）工藝，出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 11/890—2012）的B標(biāo)準(zhǔn)。污水處理工藝流程如圖1所示。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

該污水處理廠進(jìn)水由生活污水（占30%）和工業(yè)廢水（占70%）組成，工業(yè)廢水主要涉及生物醫(yī)療、汽車零部件組裝、智能制造和電子芯片等行業(yè)。經(jīng)實(shí)測(cè)，進(jìn)水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果及出水限值如表1所示。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)有化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、五日生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand after 5 days，BOD5）、氨氮（NH3-N）、TN、懸浮物（Suspended Solids，SS）、總磷（Total Phosphorus，TP）和pH。

在污水處理廠運(yùn)行調(diào)試過程中，由于服務(wù)范圍內(nèi)居住用地未完全開發(fā)，進(jìn)水中工業(yè)廢水占比較高。進(jìn)水的BOD5/COD保持在0.5左右，可生化性較好，污水處理適合采用活性污泥法，但BOD5與總凱氏氮（Total Kjeldahl Nitrogen，TKN）之比的均值低于4，不符合《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）的要求（大于4）[4]。

1.3 監(jiān)測(cè)設(shè)備與方法

為使出水TN達(dá)標(biāo)，該污水處理廠在缺氧池中投加濃度為60%的葡萄糖溶液作為碳源，輔助脫氮。超量投加碳源通?？梢允钩鏊甌N達(dá)標(biāo)，但也造成資源浪費(fèi)。為進(jìn)一步優(yōu)化資源利用、節(jié)能提效，針對(duì)該污水處理廠水質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。雖然《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）對(duì)脫氮時(shí)污水的BOD5/TKN提出要求，但是BOD5在線監(jiān)測(cè)儀器價(jià)格較貴，大部分污水處理廠未配備該儀器，因此BOD5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難度較大。相比之下，COD在線監(jiān)測(cè)技術(shù)成熟，性價(jià)比高，將COD作為研究對(duì)象的實(shí)操性更強(qiáng)。此外，一般污水處理廠進(jìn)水中硝態(tài)氮含量較低，可近似認(rèn)為進(jìn)水的TKN濃度與TN濃度相等。試驗(yàn)?zāi)康氖菍⒀芯繉?duì)象從BOD5/TKN轉(zhuǎn)換為COD/TN，在控制其他參數(shù)基本穩(wěn)定的情況下，收集和分析一段時(shí)間內(nèi)葡萄糖溶液投加量和各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，尋找各參數(shù)的相關(guān)性，作為今后適量投加葡萄糖溶液的參考。不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備與方法如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 外加碳源對(duì)脫氮效果的影響

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，出水TN濃度應(yīng)不大于15 mg/L。該污水處理廠過去投加葡萄糖溶液作為碳源時(shí)，以一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，留有一定波動(dòng)余地，出水TN濃度取12 mg/L。若監(jiān)測(cè)的出水TN濃度高于該值，則逐步增大葡萄糖投加量，直至TN濃度下降至小于12 mg/L的水平；反之，則逐步減小葡萄糖投加量。連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后，TN去除率與缺氧池中COD/TN的關(guān)系如圖2所示。

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，該污水處理廠的TN去除率與缺氧池COD/TN存在明顯相關(guān)性。COD/TN約為7時(shí)，TN去除率出現(xiàn)最大值（80.7%）；COD/TN小于7時(shí)，隨著比值的增加，TN去除率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；COD/TN大于7時(shí)，隨著比值的增加，TN去除率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。經(jīng)分析，可能是增大外加碳源投加量導(dǎo)致缺氧池內(nèi)剩余大量可利用有機(jī)物，同時(shí)沒有合理調(diào)節(jié)回流比和曝氣量。這些有機(jī)物進(jìn)入好氧池，促進(jìn)異養(yǎng)菌的增殖，氨氮不能完全氧化，進(jìn)一步減少缺氧池內(nèi)的電子受體，影響系統(tǒng)的脫氮效果[3]。

當(dāng)進(jìn)水COD濃度較高時(shí)，不宜再向缺氧池投加葡萄糖溶液，否則會(huì)導(dǎo)致藥劑浪費(fèi)和好氧段曝氣能耗上升。此時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)缺氧池溶解氧濃度、內(nèi)回流比和好氧池末端曝氣量，性價(jià)比可能更好[5-6]。對(duì)該污水處理廠而言，可以按照相應(yīng)流程提前預(yù)估葡萄糖投加量，盡可能減少藥劑浪費(fèi)。一是檢測(cè)進(jìn)水COD、TN濃度，二是計(jì)算出水達(dá)標(biāo)所需的脫氮率，三是計(jì)算COD/TN，四是若COD/TN小于7，結(jié)合所需脫氮率和圖2的線性方程投加適量的葡萄糖溶液，五是若COD/TN大于7，不建議投加葡萄糖溶液，可調(diào)節(jié)缺氧池溶解氧濃度、內(nèi)回流比和好氧池末端曝氣量。

2.2 外加碳源對(duì)污泥產(chǎn)生量的影響

2022年，混合液懸浮固體（Mixed Liquid Suspended"Solids，MLSS）濃度隨污水中葡萄糖濃度的變化如圖3所示，污泥產(chǎn)生量隨葡萄糖投加量的變化如圖4所示。數(shù)據(jù)顯示，MLSS濃度和污泥產(chǎn)生量均受到外加碳源的影響。3—5月，葡萄糖投加量較低時(shí)，反應(yīng)池的MLSS濃度和污泥產(chǎn)生量均處于全年的較低水平，而當(dāng)其他月份葡萄糖投加量上升時(shí)，MLSS濃度和污泥產(chǎn)生量則呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。因此，在保證TN去除率達(dá)標(biāo)的前提下，可通過減少葡萄糖投加量來降低污泥產(chǎn)生量和污泥處理費(fèi)用，降低生產(chǎn)成本。

2.3 成本對(duì)比

作為外加碳源，葡萄糖的市場價(jià)格為1 590元/t。

該污水處理廠2022年進(jìn)水COD/TN超過7的天數(shù)為252 d，對(duì)應(yīng)的葡萄糖投加量為552.5 t，若減少該部分投加量，藥劑成本可減少87.85萬元。若未投加葡萄糖，則年污泥產(chǎn)生量（只考慮COD/TN超過7的天數(shù)）可減少695 t，節(jié)省污泥處理費(fèi)用為45.18萬元。

3 結(jié)論

向缺氧池投加碳源是保證出水TN達(dá)標(biāo)的可行措施，但超量投加會(huì)導(dǎo)致藥劑浪費(fèi)、好氧段曝氣能耗增加和污泥產(chǎn)率增大等問題，甚至對(duì)脫氮效果產(chǎn)生負(fù)面影響。進(jìn)水COD/TN小于7時(shí)，可適量投加葡萄糖溶液作為碳源；進(jìn)水COD/TN大于7時(shí)，可調(diào)節(jié)缺氧池溶解氧濃度、內(nèi)回流比和好氧池末端曝氣量。反應(yīng)池的MLSS濃度和污泥產(chǎn)生量均受外加碳源的影響，適量減少葡萄糖投加量可降低污泥處理費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)

1 王 偉，王淑瑩，孫亞男，等.分段進(jìn)水A/O工藝外碳源投加控制策略的比較研究[J].環(huán)境科學(xué)，2009（3）：792-797.

2 王盈盈，于海琴，趙 剛，等.倒置A2/O-MBR工藝處理低碳源污水脫氮除磷效果研究[J].水處理技術(shù)，2013（6）：77-79.

3 彭永臻，潘 聰，孫事昊，等.進(jìn)水碳氮比對(duì)中試AAO-BAF系統(tǒng)脫氮除磷性能的影響[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019（9）：904-910.

4 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50014—2021[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2021.

5 王逸飛，吉芳英，許曉毅，等.重慶城鎮(zhèn)污水處理廠生物脫氮優(yōu)化調(diào)控措施[J].中國給水排水，2019（15）：1-6.

6 王浩宇，張 博.西咸新區(qū)朝陽污水處理廠碳源投加方案研究[C]//《環(huán)境工程》2019年全國學(xué)術(shù)年會(huì).2019.