碳源投加量和污泥运行参数对污水脱氮效率的影响研究

李弘义

（天津市华博水务有限公司，天津 300040）

随着国家对水生态安全越来越重视和为满足人民日益增长的优美生态环境需要，我国自“水十条”颁布以来，不断提高对水资源安全的管控力度。践行“绿水青山就是金山银山”的重要理念，其中重要一环就是加强对水体污染物排放的控制，污水处理厂出水多项污染物指标的要求日趋严格。以天津为例，在天津市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB12/599-2015）发布之后，对比国标《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的一级A 标准，化学需氧量COD、悬浮物SS、总氮TN、总磷TP 为新地标A 类标准的主要提标指标[1，2]。根据王阿华[3]的研究，主要提标项中易于通过改造深度三级处理等措施得以有效保障的有化学需氧量、悬浮物、总磷，但我国对于稳定提升总氮去除率的技术研究仍不系统[4]，难以稳定达标的出水总氮问题在一些进水碳氮比较低或进水需接纳工业园区直排或经初级处理的废水的污水处理厂中尤为突出。

根据Henze[5-7]等人的研究，若要达到良好的脱氮效果，就必须保证充足的微生物可利用的含碳基质。BOD5/TN 也即碳氮比C/N值是决定生物系统对污水脱氮效率的关键因素[8]，若要实现污水稳定达标排放，则依据《室外排水设计规范》（GB 50014-2006），进水碳氮比值宜大于4；碳氮比值小于3 时，进水碳源不足。因此，为确保出水总氮稳定达标，结合运行参数的碳源投加优化仍然是低碳氮比污水反硝化脱氮效率提升的主要方法之一。

笔者结合天津某城镇污水处理厂生产运行试验，系统考察了碳源投加量与污水反硝化脱氮效率间的关系，在观察结果基础上进一步探讨脱泥量调控及污泥龄对总氮去除效果的影响，旨在通过对碳源投加量与污泥运行参数的考察研究，为低碳氮比进水的生物脱氮处理提供运行与调控优化工艺指导。

1 污水处理厂概况

选天津某城镇污水处理厂为试验地，该厂处理规模为4×104m3/d（双系列），实际处理量为（3.6～4）×104m3/d，出水执行《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB12/599－2015）A 类标准。该厂工艺流程，如图1所示。

图1 污水处理厂工艺流程

厂内进水主要包含市政泵站管网排入的污水，四片工业园区的工业污水以及不定时接收工业园区污水站初步处理后的污水。氧化沟采用双系列A/A/O+A/O五段法工艺，五段（即厌氧、一级缺氧、一级好氧、二级缺氧、二级好氧）的溶解氧DO 分别为0.04、0.35、1.50、0.38、2.45 mg/L。本次试验设定内回流比为200%，外回流比为100%。出水水质执行天津市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB12/599－2015）的A 类标准。厂内现有2 套回用水管路，分别自臭氧和消毒接触池接出。

污水处理厂2018年6月—2019年5月的进水水质情况如下：生化需氧量BOD5为69.80～151.00 mg/L，平均为121.46 mg/L；化学需氧量为248.80～527.97 mg/L，平均为 348.15 mg/L；总氮为33.55～62.05 mg/L，平均为 50.20 mg/L；氨氮 NH4+－N 为23.27～43.25 mg/L，平均为 34.70 mg/L；总磷为4.17～9.70 mg/L，平均为 6.71 mg/L；悬浮物为245.87～703.29 mg/L，平均为485.33 mg/L；碳氮比值为1.39～3.49，平均为2.46。由上可以看出，由于该污水处理厂存在工业污水间歇直排及工业园区预处理水长期排入，进水化学需氧量、生化需氧量、总氮等水质指标波动较大，属于低碳源污水。根据污水处理厂日常运行数据报表，出水各项指标均能稳定达到津标A 类标准，但对于总氮指标需时常加大葡萄糖投加量以保证其稳定达标。

2 试验方案

2.1 碳源投加量控制

基于污水处理厂日常稳定生产运行参数，设定脱泥量为20 t，碳源为葡萄糖[9，10]。试验期间，不改变厂内重点工艺参数，包括外回流比、各生化单元的污泥浓度、流量、碳源投加量和曝气量等。碳源投加试验在单系列氧化沟内进行，另一系列做对照（对照组碳源投加量为140 mg/L污水）。

试验所购葡萄糖的生化需氧量当量为0.524 7 gBOD5/gC6H12O6（理论当量为0.53 gBOD5/gC6H12O6）。依据进出水水质的保守估算，试验药剂的理论投加量为100 mg/L 污水，单系列氧化沟（平均流量为1.8×104m3/d）的葡萄糖理论用量为1 800 kg/d。分别进行0.7、1.0、1.4倍理论值的试验，各投加量的试验周期为6 d。试验选择氧化沟厌氧池与一级缺氧池连接处下游约0.5 m 处作为葡萄糖投加点，以提高对碳源的利用效率。试验采取24 h不间断溶药罐投加方式。

2.2 污泥运行参数调控

结合碳源投加量试验结果，针对碳源投加量为100 mg/L 污水的工况进行污泥运行参数的控制试验，污泥运行主要参数为污泥浓度MLSS、污泥龄和脱泥量。

污泥龄计算公式为：

式中：SRT为泥龄（d）；X为生物池中的活性污泥浓度（kg/m3）；Vt为生物池总体积（m3）；Qs为剩余污泥排出流量（m3/d）；Xr为剩余污泥浓度（kg/m3）；Q为设计污水流量（m3/d）；Xe为二沉池出水的悬浮固体浓度（kg/m3）。

实际生产中，二沉池出水悬浮物浓度较低可忽略不计。在计算中，考虑污泥龄计算为计算生物池污泥总量与每天剩余污泥排放量之比[11]，简化算式为：

依据现场实际污泥含水率及运行情况，结合式（2），脱泥量大小与污泥龄数值大小成反比关系。本次试验中对脱泥量进行控制，控制排泥时间段为每日8∶00—17∶00，脱泥量分别控制为20、30 t/d，水量控制在36 000 t/d，时长为6 d，每日对好氧段污泥浓度及剩余污泥浓度进行检测。

2.3 水质指标检测

检测水样取自污水处理厂的细格栅进水和二沉池出水，每日采样时间为 6∶00、12∶00、18∶00，测试指标包括总氮、氨氮、化学需氧量、总磷等，污泥指标每日6∶00、18∶00检测2 次。水质指标检测方法参照《水和废水监测分析方法》（第4版）。检测结果以每日均值计。

3 结果与讨论

3.1 碳源投加量的影响

3.1.1 对好氧单元污泥浓度的影响

试验阶段生化单元进水碳氮比值与好氧段污泥浓度的变化，如图2 所示。试验期间，进水C/N 值为1.35～3.17。在污水处理厂排泥量不变时，好氧段污泥浓度随着葡萄糖投加时间的增长呈上涨趋势。试验结束后，污泥平均浓度增加了585 mg/L。

图2 碳源投加量对好氧单元污泥浓度的影响

3.1.2 对总氮去除率的影响

不同投加量（Ⅰ∶0.7 倍理论值、Ⅱ∶1.0 倍理论值、Ⅲ∶1.4 倍理论值）对总氮去除率的影响，如图3所示。结果表明，随着葡萄糖投加量的增加，总氮去除率总体呈上升趋势，污泥活性与沉降性能总体有所改善；但随着葡萄糖投加周期的延长及投加量的进一步增加，总氮去除率出现下降趋势。此外，试验期间二沉池出水氨氮浓度稳定低于1.5 mg/L。

图3 碳源投加量对总氮去除率的影响

在阶段Ⅰ中，进水总氮平均浓度为57.44 mg/L时，出水总氮可稳定达标，浓度为7.17～9.16 mg/L，去除率平均为84.78%。在阶段Ⅱ中，投加碳源对反硝化效能提升呈稳定上涨趋势，进水总氮平均浓度为62.43 mg/L 时，出水总氮浓度为7.28～8.94 mg/L，去除率平均为86.50%。根据姚学文[4]等人的研究，碳源的投加量大小应与总氮去除率高低成正比。但在阶段Ⅲ中，生化系统的总氮去除率并未显著提高，平均为84.94%，进水总氮平均浓度为55.33 mg/L时，出水总氮浓度为7.22～9.06 mg/L。

有学者认为，系统污泥浓度的升高会抑制硝化、反硝化过程[12]。由于试验周期内流量、脱泥量、内外回流比和曝气量均不变，结合上文所述试验期间污泥浓度有一定幅度的持续上涨，且对照组在阶段Ⅲ中总氮去除率为89.56%，因此可以认为系统内持续增长的污泥浓度可能对系统总氮的去除率产生了影响。

3.1.3 技术经济指标分析

以葡萄糖投加量为1.0倍理论值计，污水处理厂采购葡萄糖药剂的投加量为100 mg/L污水。污水处理厂采购葡萄糖的单价为3 369元/t，在保证出水总氮稳定达标的情况下，投加碳源提高了约0.34元的吨水成本。此外，碳源的投加量尚有上下调节的空间，且脱泥量及污泥处置费用也可能由于碳源投加的原因在一定程度上增加，污水处理厂运营时可结合进水水质情况，通过联动污泥龄与污泥浓度、脱泥量的调控，优化工艺运行参数及操作流程，进行投加精益化管理，在确保出水总氮达标的同时，最大限度地控制运营成本。

3.2 脱泥量对总氮去除率及运行参数的影响

脱泥量控制分别为20、30 t 时，污泥浓度、污泥龄及总氮去除效果，如图4 所示。脱泥量调控前后碳氮比值分别为1.35～3.97（平均2.04）、1.02～2.70（平均2.10）。脱泥量为20 t 时，对应平均污泥龄为15 d，生化单元进水总氮浓度为39.78～68.88 mg/L，平均值为55.69 mg/L；二沉池出水总氮浓度为7.28～9.70 mg/L，平均值为8.24 mg/L；总氮去除率为81.70%～86.79%，平均值为84.92%。脱泥量调控后（脱泥量为30 t），对应平均污泥龄为11 d，生化单元进水总氮浓度为35.44～52.00 mg/L，平均值为44.67 mg/L；二沉池出水总氮浓度为7.06～8.89 mg/L，平均值为8.07 mg/L；总氮去除率为75.68%～85.46%，平均值为81.37%。脱泥量调控前后，总氮平均去除率降低了约3.55%，调控后较调控前生化单元的脱氮效率有一定程度的下降。试验期间，二沉池出水氨氮浓度稳定低于1.5 mg/L。

由图4 可见，总体上系统污泥浓度仅在小范围波动，脱泥量不变时系统污泥龄数值基本稳定。系统对总氮的去除率在污泥龄为15 d时高于污泥龄为11 d 时，系统污泥浓度的变化趋势基本与总氮去除率的变化趋势相反。

图4 脱泥量对总氮去除率的影响

4 结论

对于低碳氮比值进水的城镇污水处理厂，将适量葡萄糖由氧化沟缺氧区的适宜点位投加作为碳源，可有效提高系统的脱氮效率，实现满足津标A类标准的出水总氮浓度。此外，通过对比，主要运行参数不变时，污泥龄为15 d时系统的脱氮效率较污泥龄为11 d时高。

碳源投加能在一定程度上提升系统的脱氮效率，但厂内运行参数包括流量、碳源用量、脱泥量、内外回流比和曝气量均不变时，系统污泥浓度的变化趋势基本与系统总氮去除率的变化趋势相反。因此，污水处理厂可联动进水水质与碳源投加的理论计算结果，结合污泥浓度与脱泥量的调控，计算控制污泥龄，采用模糊控制进行工艺运行操作，在保障出水达标的情况下，最大限度地控制运营成本。今后，可在对污染物排放控制的基础上，进一步开展技术、产业创新，有效保障水资源安全。