低碳氮比污水厂全流程脱氮优化调控及效果

王 荣

（滕州市水库管理服务中心，山东 滕州277599）

目前，我国大部分城市污水厂进水水质存在低碳氮的问题，不仅造成出水水质不稳定，而且给污水厂运行成本带来巨大压力。为了保证出水稳定达标，很多污水厂在缺氧段投加大量碳源以保障反硝化反应的顺利进行，但这会出现碳源投加量大于实际反硝化所需碳源量[1]，造成碳源浪费，过量有机物在好氧段通过曝气去除增加能耗，污泥产率增大等问题；有时还需新增反硝化深床滤池等脱氮工艺[2]，会带来新增投资、占地问题，而反硝化深床滤池往往在处理工艺的末端，有可能导致出水COD、BOD5波动[3]。为缓解低碳氮比污水厂上述压力，围绕生物脱氮的主要影响因素对污水厂进行全流程强化脱氮调控，降低污水厂运行成本具有重要意义。

1 项目概况

某污水处理厂2014年建成通水，设计规模为6万m3/d。该污水厂进水碳氮比处于较低水平，无法满足脱氮要求。为保证出水总氮达标，运行过程中，投加大量碳源，2019年碳源投加量约300 mg/L（20%乙酸钠）。在投加大量碳源情况下，出水总氮均值12 mg/L，在冬季水温低或进水总氮较高时，仍存在超标风险。

2 现状运行全流程管控实践

在现状工艺运行的基础上，结合沿程数据监测进行全流程分析，以工艺段为基础进行优化管控。

2.1 曝气沉砂池运行优化

1）曝气沉砂池出水携带高溶解氧调控。沿程NO3--N、溶解氧监测数据见表1，从表1知，经过预缺氧池NO3--N并未有去除现象。预缺氧池和厌氧池均具备碳源、NO3--N条件，但基本无反硝化效果，NO3--N大量进入厌氧池，导致工艺整体的生物除磷脱氮功能紊乱。同时从表1数据可知主要是由于曝气沉砂池出水携带高溶解氧进入系统所致，而溶解氧高主要是由于曝气沉砂池跌水、曝气过量以及进水携带造成的。根据实际运无机化问题，将目前曝气沉砂池刮砂机运行方式由运行10 min待机20 min调整为运行10 min待机10 min，雨天调整为常开模式以增大除砂能力，防止大量泥砂进入后续生化系统，并调整好氧池曝气量以防过曝，2021年SVI平均值为73 mg/L较2019年提升16%。

表1 调控前后沿程溶解氧和NO3--N数据mg/L

2.2 缺氧池运行优化

1）缺氧池前端溶解氧优化。缺氧池前端溶解氧高不仅影响脱氮效果，且会无效消耗碳源。溶解氧偏高主要是由于两方面引起，一是内回流液混合液携带溶解氧，对此在好氧池末端设置消氧区改善；二是由于内回流混合液出口距缺氧池最高液面40 cm，跌水进入缺氧池形成空气复氧，通过延伸内回流出口管伸入缺氧池液面30 cm，淹没式运行，并在内回流管加装阀门以防倒流。通过上述措施，缺氧池前端溶解氧浓度降至0.5 mg/L以下。

2）缺氧池停留时间优化。缺氧末端COD的监测数据在15~45 mg/L，好氧池末端在15 mg/L左右，可知，缺氧池存在反硝化停留时间不足，造成碳源进入好氧池通过曝气去除情况，如能够延长反硝化时间，出水NO3--N浓度或者碳源投加可进一步降低，将缓解冬季水温低或进水总氮浓度高造成出水总氮偏高。该厂日常小试监测生化系统的反硝化速率在0.019 2~0.021 1（kg NO3--行情况，对跌水、曝气强度进行了优化，通过对曝气沉砂池出水至预缺氧池和厌氧池阀门进行逐步微调，使曝气沉砂跌水高度由1 m左右降至0.3 m左右；在保证曝气沉砂池正常运行的同时降低曝气量。调控后曝气沉砂池出水携带溶解氧明显降低，且预缺氧池和厌氧池具备了一定脱氮功能，厌氧池中的NO3--N有所降低，对厌氧释磷的竞争也将会减弱。

2）曝气沉砂池运行方式调整。2019年运行SVI值为63 mg/L，低于生活污水为主的污水厂正常水平，可知系统污泥无机化严重。针对污泥N）/（kg MLSS·d），根据目前运行条件，进水水量以6万m3/d计，缺氧池污泥浓度取6 000 mg/L，总氮按设计值45 mg/L，出水总氮13 mg/L，出水氨氮以0.5 mg/L计，不考虑剩余污泥所带氮元素及预缺氧去除NO3--N，反硝化速率取0.019 2（kg NO3--N）/（kg MLSS·d），核算缺氧反硝化所需停留时间为6.5 h，而设计停留时间为3.8 h，在冬季水温低或者进水总氮高时，需投加大量碳源弥补停留时间上的不足，但仍存在水质风险。

2.3 好氧池优化为AOA模式运行

好氧池主要功能为氧化去除COD、好氧吸磷、将氨氮转化为硝酸盐氮。好氧池停留时间为厌氧池停留时间的2~3倍即可满足好氧吸磷功能的实现[4]，也即停留时间需有3~4.5 h。该厂日常小试监测的生化系统硝化速率在0.018 1~0.035 8（kg NH3-N）/（kg MLSS·d），根据目前运行条件按最不利情况核算硝化所需停留时间为7.6 h。

为补偿缺氧池在现有运行条件下停留时间不足和改善内回流携带溶解氧等不利条件，将原好氧池进行功能重新分配。满足硝化功能实现需要7.6 h前提下，将好氧池前端2 h作为缺氧区使用，增加缺氧停留时间，提高脱氮效率[5]，将末端0.2 h作为消氧区，即AOA模式。AOA模式前后两个A段运行的实现，主要靠调节风机和曝气管各阀门，将溶解氧控制在0.5 mg/L以下通过微曝气起到搅拌作用保证污泥不沉积。另在保证对溶解氧变化比较敏感的氨氮指标稳定情况下，同时对好氧段溶解氧逐步由3 mg/L以上调整为1.5 mg/L，以防在雨季进水负荷相对较低的情况下出现过曝现象。

2.4 碳源投加精细化管控

污水厂进水水质、水量时刻在变化，根据进水水质精准投加碳源比较困难。一般根据出水总氮的反馈调节投加量，而碳源投加点距出水口停留时间有18 h，存在明显滞后效应。为保障碳源的精准投加，加装过程仪表，缺氧末端加装在线硝氮仪并将数据实时反馈至中控界面，及时反馈缺氧脱氮情况，从而将滞后调节时间缩短至3.8 h，并探索出该厂根据缺氧池末端硝氮的反馈与碳源投加的对应数据，如表2所示。从而将碳源投加调控变被动调整为主动预判调控，节约碳源投加量。

表2 缺氧池末端硝氮数据与对应的碳源投加量mg/L

3 碳源投加量

碳源投加量如图1所示。

图1 碳源投加量

2019年进水TN全年平均值为35.4 mg/L，出水TN全年平均值为12.2 mg/L，去除率为65.5%。调整运行后2020年进水TN全年平均值为32.8 mg/L，出水TN全年平均值为10.0 mg/L，去除率为69.5%。从11月和12月数据可明显看出，在冬季低温，2020年进水COD浓度下降，TN升高，乙酸钠投加降低情况下，出水总氮反而出现下降，主要是因为缺氧停留时间延长、溶解氧调控、反硝化细菌比例提高等使脱氮效果得到了强化，有效保障了出水总氮的稳定达标。2020年乙酸钠整体投加量较2019年下降51.8%。

4 技术经济分析

通过上述全流程组合措施的调控运行，2020年在保证水质稳定达标的前提下，药耗能耗也均较2019年下降明显。2020年碳源投加量为146 mg/L较2019年303 mg/L下降51.8%；污泥产量降幅35.2%；2020年电单耗每吨水0.319 kWh同比2019年每吨水电单耗0.365 kWh下降12.6%。

5 结论

1）针对低碳氮比污水厂通围绕影响生物脱氮的主要因素对曝气沉砂池、内回流、好氧池处的高溶解氧问题进行了优化，将进水碳源和外加碳源充分利用在反硝化脱氮，从而节省碳源并可节约能耗。

2）通过对现有运行数据核算，将好氧池合理调整为AOA模式运行，延长反硝化时间，极大的保障了冬季低温或者进水总氮高时出水总氮的稳定达标，并可节省碳源。

3）在不新增工艺、投资、占地等情况下，对低碳氮比污水厂进行全流程诊断优化调控，不仅可以保障污水厂的稳定达标，还可以促进节能降耗，污水厂整体运行效能出现了协同提升，具有一定的借鉴意义。