改良型多级AO脱氮工艺在提标改造中的应用

段凯波

(1.福建上源环保股份有限公司,福建福州 350019;2.福州创源同方水务有限公司, 福建福州 350018)

缺氧-好氧(AO)工艺的出现以脱氮工艺为发展基础,经近几十年技术的持续提升和广泛应用,已发展至具有常规、倒置、强化脱氮和强化除磷等多种可应用模式。AO工艺因采用连续进出水、具有较强的抗水质水量冲击性以及可进行多模式调节等优势而被广泛应用于现代污水处理过程。随着国内众多生活污水处理厂提标改造的完成,尾水排放执行标准由原来的一级B标准提高至一级A标准,提标后关键污染物总氮(TN)的排放质量浓度上限由原来的20 mg/L降低至15 mg/L,其稳定达标排放成为不少污水处理厂面临的新难题[1]。

在一级B排放标准下,一般不设置深度处理工艺段,生物反应池可兼具脱氮和除磷功能。提标至一级A排放标准后,生物反应池因空间受限而难以增加池容,多数污水厂在提标后采用普通强化生物脱氮工艺,这种工艺总体比较简单,脱氮效果偏差。这种工艺结构上仅有单一的缺氧段和好氧段,一般只对重要的影响因素(曝气和碳源)进行简单调控,碳源投加方式也多采用粗放的前端单点投加,最大的问题是反硝化时间偏低,而硝化时间又存在富余,很难通过运行调控满足新标准下TN的稳定达标。因此,需要提供更精细的技术手段,如调节适宜的DO浓度、优化的投加碳源方式、调节混合液回流比和选择合适的MLSS浓度等[2],甚至进行池容技术改造,使其转化为更高效的脱氮方式[3]。

然而脱氮效率与污水中微生物种类[4-5]、碳源、DO、进水TN浓度处理水量、污泥浓度、水力停留时间、pH和温度等众多因素有关,不仅各因素之间相互影响,而且各个因素对于处理生物反应池中不同污染物的效率也会产生影响,相互之间的关系错综复杂,且反硝化作用本身为缓慢的生化过程[6]。因此,仅通过频繁的工艺调节已经无法稳定满足一级A标准下TN的达标排放,同时这也会阻碍污水处理的进一步提标。

本研究通过福建省沿海某城镇污水处理厂提标改造,将原有普通强化生物脱氮AO工艺改造为改良型多级AO脱氮工艺,分析了原有工艺的问题,对比了改造前后的运行效果,总结了改良型多级AO脱氮工艺的技术方案特点和运行经验,可为存在此类问题且用地紧张的污水厂升级改造提供技术参考,以实现关键污染物TN满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)[7]中的一级A稳定达标排放。

1 研究方法

1.1 工程改造方案

福建省沿海某城镇污水处理厂处理水量为5万m3/d,其进水主要为生活污水,含少量餐饮酒店、印染等废水。2018年—2021年平均进水CODCr质量浓度为143 mg/L,平均进水BOD5质量浓度为56 mg/L,平均进水TN质量浓度为27.7 mg/L,BOD5/TN≈2.02,进水碳源明显不足。

为提升出水标准至一级A标准,该厂生化池于2018年改造为普通强化生物脱氮AO工艺,流程如图1所示。该工艺取消了厌氧段而保留缺氧段+好氧段,并配置一定比例的污泥回流和混合液回流,在好氧段进行CODCr的降解以及有机氮和氨氮的硝化,最后在缺氧段进行反硝化作用实现脱氮目标,而将除磷的任务交由后端的深度处理段。六格缺氧段总水力停留时间为4.44 h,三廊道好氧段总水力停留时间为6.70 h。

图1 常规强化生物脱氮AO模式Fig.1 Conventional Enhanced Biological Denitrification AO Mode

2019年该厂应用改良型多级AO生物脱氮工艺调整生化池,并在2020年—2021年投入研究,工艺流程如图2所示。该工艺为AOAO结构。在原有“六格三廊道”AO结构基础上,保持“六格”缺氧段不变,定为第一缺氧段(A1)。而将好氧段约45%的池容转化为缺氧段,即好氧段第二廊道和第三廊道前半段改造为缺氧段,定为第二缺氧段(A2)。原好氧段被A2分隔为O1和O2两个好氧段,A2缺氧段水力停留时间为3.01 h,加上A1的4.44 h,缺氧段总水力停留时间增至7.45 h,好氧段总水力停留时间降至3.69 h。

图2 改良型多级AO生物脱氮工艺Fig.2 Modified Multi-Stage Biological Denitrification AO Process

1.2 改造后的技术特征

A1缺氧段中每格安装1台推流器。此外,在改造的A2缺氧段再增加4台推流器,分别安装于第二廊道的头部、中部和尾部以及第三廊道的中部,确保生物反应池中污水持续向前流动而无污泥沉积。该缺氧段底部仍铺设曝气头,曝气改为可调模式,即在分支曝气管道上安装阀门调节开度或启闭,可实现好氧和缺氧的功能切换。

该生化系统依据需要采用多点投加方式投加液态碳源乙酸钠[8],其第1投加点位设于A1缺氧段第二格,第2点位设于A2缺氧段第一台和第二台推流器之间,第3点位设于A2缺氧段第3台推流器附近,投加量以点位1为主。投加点位的设置同时需考虑点位正常运行条件下的DO浓度不宜过高,以避免投加后碳源被化学氧化而快速消耗。

生物反应池末端安装硝氮监测仪,信号连接至中控室,可实时监测本系统处理后的硝态氮和亚硝态氮的总浓度。经曝气后氨氮质量浓度可低至约0.3 mg/L,因此,硝态氮浓度基本代表了TN浓度,可根据数值高低进行投药、曝气、回流、进水等工艺调节。

改良型多级AO工艺实质上仍为强化生物除氮技术,但相比传统的普通强化脱氮AO工艺,其技术改进之处主要表现为:①生物反应池总池容保持不变,45%好氧段池容改造为缺氧段,使得缺氧段总水力停留时间大幅增加至7.45 h,提高了约67.8%。同时新增缺氧段曝气可灵活调控,推流器可保证泥水混合;②碳源投加点由原来的1处增加至3处,提升碳源使用效率;③实现多个缺氧段的DO质量浓度监测,并将其控制在0.2～0.5 mg/L,满足缺氧环境需要;④在生物反应池末端增设硝氮在线监测仪,实时监测出水TN浓度变化,为运行参数地调节作参考。

1.3 调控方法

研究时间为2018年—2021年,几个重要的时间阶段如下:①2018年持续采用普通强化生物脱氮工艺;② 2019年实施并完成改良型多级AO工艺技术提升;③2020年—2021年对改良型多级AO脱氮工艺开展运行调控。2018年—2021年的3月—4月连续两月检测每日生化处理段进、出水TN和氨氮浓度,开展两种工艺下TN去除效果对比。

2019年改造为多级AO工艺后,加强了对运行参数的调控。正常运行时,进水总量的80%从第1格进入,其余从第2格进入;A2缺氧段底部曝气关闭,同时所有推流器开启,O1和O2好氧段曝气开启;内回流比调节为100%～200%,初始控制在150%,混合液回流全部进入第1格;外回流比为50%～100%,初始控制为50%;运行调控水温为14～20 ℃;缺氧段氧化还原电位(ORP)为-200～-50 mV;pH值为6～8;通过加大或减小剩余污泥排量以及调控外回流比实现MLSS在4 000～5 500 mg/L;通过调节鼓风机频率及气阀开度调控曝气量实现好氧段DO质量浓度在2.0～5.0 mg/L;缺氧段DO质量浓度控制在0.1 mg/L以上,若低于0.08 mg/L,则加大内回流工作频率以提高混合液回流比,确保DO质量浓度不超过0.5 mg/L;在生物反应池末端安装的DO仪可实现对好氧段DO浓度的实时监测,同时根据需要利用便携式DO仪跟踪,控制池上各段位保持合适DO浓度。

依据硝氮仪监测的浓度决定是否投加碳源及其他工艺调控。实际运行经验表明,当硝态氮质量浓度大于13 mg/L时,液态乙酸钠总阀开度调为50%;当硝态氮质量浓度大于14 mg/L时,说明存在出水TN超标风险,碳源总阀开度调至80%以上,同时混合液回流比需调至200%;若硝态氮质量浓度高于15 mg/L,需降低进水量;当硝态氮质量浓度低于12 mg/L时,可停止加药,维持混合液回流比为150%即可。若要投加碳源,60%药量从第1点位加入,其余均匀分配至第2、第3点位。

调控中更注重DO浓度、碳源、水力停留时间、MLSS、混合液回流比等重要的脱氮影响因素,在实际运行中,分析各因素对脱氮的影响,参数尽可能向着有利于提升脱氮效率的理论值设置。

1.4 检测项目及方法

水质TN的测定采用《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)[9];氨氮的测定采用《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)[10];CODCr的测定采用《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》(HJ 828—2017)[11];BOD5的测定采用《水质 五日生化需氧量(BOD5)的测定 稀释与接种法》(HJ 505—2009)[12];DO、MLSS、ORP和硝氮仪采用德国WTW在线监测仪实时检测;生物反应池各段位DO浓度采用美国哈希HQ30d便携式DO仪测定。

2 结果与讨论

2.1 普通强化脱氮AO与改良型多级AO脱氮效果比较

在2019年完成从普通强化脱氮AO工艺到改良型多级AO脱氮工艺的技术改造,选取2018年技改前与2020年—2021年改造后3月—4月的水质进行TN去除效果对比。水质数据如表1所示。结果发现,2018年普通强化脱氮工艺下TN平均去除率约为48.9%,与朱开贞等[13]报道的(AO)2-SBR工艺下的TN去除率(47.03%)相当。经改造后,2020年和2021年多级AO工艺平均出水TN质量浓度分别为10.9 mg/L和12.6 mg/L,TN平均去除率分别提升至57.4%和63.0%,最高达77.8%,2021年脱氮率比2018年提高了约28.8%。另外,出水氨氮质量浓度为0.3～0.5 mg/L,低于一级A标准的5 mg/L,可实现出水稳定达标。

表1 多级AO和普通强化脱氮AO的脱氮效果对比Tab.1 Denitrification Comparison of Multi-Stage AO and Conventional Enhanced Denitrification AO

分析全年平均TN去除率,数据如表2所示,2018年TN平均去除率为47.6%,而2020年和2021年分别为58.2%和61.5%,平均出水TN质量浓度分别为11.4 mg/L和11.9 mg/L,2021年多级AO工艺稳定运行阶段平均TN去除率比2018年提高了约29.2%。

总体来说,通过提标改造,脱氮效率大幅提升,达到了预期效果,氨氮与TN均能稳定达到一级A标准。这主要得益于池容重新分配后,缺氧段池容大幅增加了67.8%,极大地延长了反硝化作用时间。另外,缺氧段DO浓度均调控在了合理的范围内,以及依据硝态氮在线监测浓度实时指导碳源投加,均有利于提高反硝化效率。

表2 2018年—2021年平均TN去除率统计Tab.2 Average Removal Rate of TN Statistics from 2018 to 2021

2.2 改良型多级AO脱氮分析

2.2.1 普通强化脱氮AO工艺脱氮效率提升空间分析

一级A提标改造后,最初采用的普通强化生物脱氮AO工艺存在的问题以及可进行脱氮效率提升的空间,可从以下几个方面分析。

(1) DO浓度需更精准地调控。生物反应池脱氮效果首先取决于缺氧段DO,理论上0.2～0.5 mg/L为理想的脱氮环境,偏高和偏低都会影响反硝化效率,且过高会直接化学消耗部分碳源[14]。然而普通强化脱氮AO模式实际运行过程中DO质量浓度往往会低至0.05～0.1 mg/L[15],这在一定程度上会降低反硝化反应速率。如图3所示,2018年8月某次检测生物反应池各段DO浓度结果显示,缺氧段第1～第6格DO质量浓度均低于0.2 mg/L,第2、第3和第5格在0.05～0.1 mg/L,第6格甚至低至0.04 mg/L,结果当月出水TN质量浓度高达13 mg/L,2018年其他多个月份也出现出水TN质量浓度高于13 mg/L。对比进水TN浓度相当的2020年,因对缺氧段DO浓度基本调控为理论值,各月平均出水TN质量浓度则低至11 mg/L。因此,加强对DO的监测并精准控制在合理范围内还能提高脱氮效率[16]。

注:单位为mg/L。图3 2018年8月生物反应池各段的DO水平检测结果Fig.3 Test Results of DO Levels in Different Sections of Biological Reaction Tank in August 2018

(2) 碳源投加方案需进一步优化。理论上BOD5/TN>2.86时,可进行反硝化,该值越大,反硝化越彻底[17]。南方城市常存在部分雨水混进污水而导致进水BOD5偏低的问题[18],因此,需要补充碳源。普通强化脱氮AO工艺相对比较简单,仅有一段缺氧段。因此,一般仅在缺氧段前端单点一次性投加以补充碳源,但可能出现的问题包括:① 高DO浓度的回流混合液化学消耗了部分碳源;② 在缺氧段后段仍会出现碳源不足,从而对反硝化作用产生负面影响[19]。因此,在改造为多级AO工艺时,根据其工况,可在A1和A2两个缺氧段分别设置碳源投加点实现多点投加,且均有充足的硝化液补充作为反硝化的物质基础。另外,A1作为主要的反硝化工艺段应分配更多的药量,以实现更佳的碳源利用效率。

(3) 好氧段水力停留时间(TO)和缺氧段水力停留时间(TA)的调整。TA越大,越有利于脱氮,提高混合液回流和增大缺氧段池容均会增大TA,但混合液回流过高会影响处理能力。国内提标前建设投产的AAO工艺污水厂,一般好氧段比缺氧段水力停留时间长,TA/TO多在40%～70%,如本研究中原有普通强化脱氮AO工艺TA/TO为66.3%。其原因是以往生物反应池削减的污染物以氨氮和CODCr为主,这两种污染物主要在好氧段处理,且可将其浓度控制得远低于排放标准,例如氨氮质量浓度可低至0.5 mg/L以下[20],CODCr质量浓度可低至10～20 mg/L。然而,提标至一级A排放标准后,生物反应池总池容未变,原有的工艺处理后,出水TN质量浓度常为13.0～15.0 mg/L,甚至存在超标的风险,TN去除率一般低至50%以下。因此,原工艺设置已经无法满足新标准下TN出水稳定达标的要求,继续维持原有的TO/TA值,氨氮和CODCr处理后浓度仍远低于一级A排放标准,而出水TN浓度却处于较高的水平。因此,完全可将部分好氧段改造为缺氧段,以减小好氧段水力停留时间,并增大缺氧段水力停留时间以保障反硝化作用更充分进行,进一步降低TN浓度。因此,本次技改至多级AO工艺,将部分好氧段池容分配给了缺氧段,TA/TO为201.9%,TN去除率从原工艺的47.6%提高至现工艺的60%以上,平均出水TN质量浓度维持在11.7 mg/L,且出水氨氮和CODCr质量浓度分别仍控制在0.5 mg/L以下和20 mg/L左右,稳定地实现这些关键污染物的一级A达标排放。

(4) 在TN处理过程中进行实时动态监测,作为多级AO工艺的配套技术,以指导工艺调整。污水处理厂一般仅在末端出水处安装总氮在线监测仪,监测尾水TN排放浓度,而在生化反应段安装TN监测仪的情况鲜见。因此,当发现出水TN浓度偏高或面临超标风险再对生物反应池工艺进行调整具有滞后性,常无能为力。因此,有必要在多级AO工艺中O2好氧段增设TN在线监测仪,在处理过程中实时跟踪TN浓度,并依据TN浓度高低指导碳源投加、回流比调节、进水量控制等工艺调整,会更加快速和准确地做出对策响应。例如,当监测的TN质量浓度高于14 mg/L时,应立即采取提高内回流比、调大碳源开度等措施,必要时还需调小进水堰门开度,降低生物反应池进水量。因此,在生化反应段就能跟踪TN处理的达标情况。

2.2.2 改良型多级AO工艺脱氮优势

改良型多级AO工艺有利于提高脱氮效果的主要原因如下。

一是缺氧段水力停留时间得到大幅增加,反硝化进行更充分,TN去除率高,同时也不影响氨氮处理效果。

二是建立在DO浓度基础上碳源多投加点位的设计,使得碳源的投加更精准,利用更高效,减少了聚磷菌和其他微生物对碳源的摄取以及化学消解。

三是两缺氧段拉开一定间距,回流的硝化液和O1好氧段产生的硝化液分别为A1缺氧段和A2缺氧段的反硝化作用提供充足的物质基础,且分配均衡,相比普通强化脱氮AO模式下仅依赖内回流补充硝化液更合理。

四是依据硝氮仪反馈的浓度数值,更易于指导朝着有利于脱氮效果提升的方向进行工艺调节。

2.2.3 多级AO工艺的节能降耗效应

(1) 多级AO工艺实际运动过程中具有较好的节能效果。从理论和实际运行分析来看,多级AO工艺比普通强化脱氮AO工艺更节约电耗。一是通过池容重新分配,好氧段池容减少了,对应的好氧段曝气区域也减少了,理论上曝气范围降低了45%,曝气更集中和有效[21];二是O1好氧段产生部分硝化液补给A2缺氧段,可在一定程度上减轻A1缺氧段前端混合液回流压力,由原工艺通常设置的回流比200%调低至多级AO工艺的150%。污水厂这两种大功率设备工作负荷的降低可减少一定的电耗。本研究中2018年—2021年各年平均吨水电耗如表3所示,吨水电耗呈现逐步下降趋势,从2018年的0.239 kW·h/m3降至2021年的0.197 kW·h/m3,总降幅约为17.6%,表明技术改造为多级AO工艺起到了较好的节能效果。

表3 2018年—2021年各年平均吨水电耗Tab.3 Average Power Consumption per Cubic Meter Wastewater from 2018 to 2021

(2) 多级AO工艺实际运行过程中药剂消耗分析。污水处理中影响碳源用量的因素众多,包括:① 进出水TN浓度;② 实际处理水量;③进出水BOD5浓度;④ 每批次碳源有效成分含量;⑤ 不同时期MLSS浓度差异;⑥ 其他微生物对碳源的消耗;⑦ 不同人员加药操作的精细控制程度。因此,难以全面考虑这些因素构建一个药剂使用的综合考核指标,从技术层面评价药剂的节省效应。本研究提出“吨氮药耗”指标,即每削减1 t TN需要的碳源有效成分,综合考虑了进出水TN浓度、实际处理水量、碳源定为液态乙酸钠、碳源有效成分含量等主要因素,比较适用于强化脱氮工艺,可粗略评价多级AO工艺药剂节省效应。通过计算,2018年—2021年各年平均吨氮药耗分别为654.28、627.85、633.80 kg和611.39 kg,2021年比2018年降低了约6.6%。表明改造为多级AO工艺,具有一定的降低药耗效果,但不太明显,有待进一步提高。

综上,改良型多级AO工艺脱氮效率明显优于普通强化生物脱氮AO工艺。同时,曝气和内回流的减少也起到了降低电耗作用。另外,在实际应用中发现,多级AO工艺具有更强的抗水量和高TN浓度进水的冲击性,可较好地实现满负荷甚至略超负荷运行,也能对较高TN浓度的进水起到更好的脱氮效果。例如,当2021年度偶尔出现进水TN接近或者超过设计质量浓度阙值(40 mg/L)时,该工艺也能实现TN有效处理至达标排放要求。

3 结论

(1) 本研究的多级AO工艺布局为AOAO结构,通过池容重新分配,缺氧段水力停留时间从4.44 h提高至7.45 h,比普通强化脱氮AO工艺提高了67.8%,为好氧段水力停留时间的201.9%。该工艺稳定运行时平均出水TN质量浓度为11.9 mg/L,平均出水氨氮质量浓度为0.3～0.5 mg/L,较好地满足了一级A排放标准。TN最高去除率达77.8%,2021全年平均去除率为61.5%,比普通强化脱氮AO工艺的47.6%(2018年),提高了约29.2%,表明多级AO工艺具有更佳的脱氮效果。

(2) 多级AO工艺新增缺氧段底部采用曝气可调和推流搅拌配套技术,确保污水正常流动;依据池上各段DO浓度布设碳源投加点位,稳定运行时药耗比普通强化脱氮工艺降低了约6.6%,碳源利用相对更高效,且有进一步提升的空间;生物反应池末端安装的硝氮监测仪可指导对该系统朝着理想的脱氮效果进行工艺调控。

(3) 该多级AO工艺具有较好的节能效果,吨水电耗呈逐年下降趋势,2021年稳定运行时吨水电耗仅0.197 kW·h,比普通强化脱氮工艺降低了约17.6%。

该工艺进一步研究可朝着提高反硝化碳源利用效率、降低单位电耗等方向进行。