低水量、高TN条件下出水TN快速达标调试研究

王希明

(中通环境治理有限公司, 北京 100050)

污水处理厂出水达标调试需要对原水的水质、水量及其波动情况、污水处理系统的设计参数和设备参数等进行综合分析后,确定调试思路和措施。调试过程中还需根据进水水质水量的变化,不断调整曝气量、回流量、加药量、污泥浓度等运行控制参数[1]。此外,调试期间还需开展合理数量和频次的水质检测工作,获取重点污染物在生化池内的变化趋势,并及时调整调试措施。

市政污水处理厂常出现原水C/N较低的情况,这种情况下原水中的有机物量不足,难以满足反硝化脱氮至排放标准限值的要求。为达到越来越严格的地方污染物排放标准中出水TN限值,通常需要在生化池内额外投加外碳源,在缺氧条件下利用反硝化菌以污水中碳源和外碳源为电子供体,以硝酸盐为电子受体最终反应生产氮气实现反硝化脱除TN[2-3]。

污水处理厂调试期,还经常面临水量少、进水TN浓度高导致实际需要脱除TN总量大等难题。同时,行业主管部门对污水处理厂出水稳定达标的要求也越来越高,通常要求新建污水处理厂缩短调试周期,尽快达标实现出水达标排放。为解决以上难题,需要开展更多的调控策略研究。

1 污水处理厂概况及调试条件

1.1 基本情况

魏善庄镇再生水厂设计处理规模为1.2万m3/d,位于北京市大兴区魏善庄镇。设计原水为居住区及公共建筑排出的生活污水,污水经处理后一部分作为中水回用于镇区的厕所马桶冲水、道路清扫等,其余部分排入大龙河(Ⅴ类水体)。

设计进水化学需氧量(COD)浓度为450mg/L,TN浓度为55mg/L;设计出水限值中COD浓度为30mg/L,出水TN浓度为15mg/L。

设计处理设施为粗格栅及提升泵房+细格栅及旋流沉沙池+A2/O-MBR综合池+消毒接触及中水回用水池。剩余污泥采用离心式脱水机脱水至含水率80%后定期外运。其中,生化处理系统共分为两个系列并联运行,单系列处理能力6000m3/d。单系列生化池主要设计参数见表1。

表1 生化池设计参数

生化系统设计回流比:缺氧池至厌氧池回流比R1=100%,好氧池至缺氧池回流比R2=300%,膜池至好氧池回流比R3=400%。

1.2 调试前概况

魏善庄镇再生水厂于2019年9月中旬完成单机调试和清水联调工作,后由该厂运营人员开始系统调试工作,先后投加含水率为80%的脱水污泥65t(折合池内污泥浓度约3318mg/L)后开始闷曝和换水工作,后连续进水并逐步提高进水负荷。2019年10月,该厂按实际污水量连续进水处理,进水TN浓度约为50～70mg/L,超出了设计进水TN浓度限值且持续偏高,生化系统出水TN浓度一直维持在24～45mg/L,均值约为30mg/L,除TN外其他指标基本达标后,大幅度增加外碳源(25%液体乙酸钠)投加量后也未能降低出水TN浓度,出水TN达标调试工作进展缓慢。

由于出水TN长时间未能达标,故开展了出水TN快速达标调试工作。

本次TN快速达标调试开始前的进水水量、水质情况见图1和图2。10月1日至11月7日进水量平均值为2056.32m3/d。最低值1485.00m3/d,最高值2910.00m3/d。

图1 本次调试前的进水水量

图2 本次调试前的进水COD、TN浓度

10月1日至11月7日进水TN浓度平均值为60.50mg/L,最低值为43.15mg/L,最高值为72.00mg/L。进水COD浓度平均值为225.00mg/L,最低值为120.00mg/L,最高值为310.30mg/L。

2 调试思路与调控措施

通过对前期检测的进出水水质、水量及变化趋势及对已开展调试措施及效果、设备运行参数设置等开展分析,确定了后续TN达标调试思路和措施如下。

2.1 控制生化池总曝气量和好氧池回流点的溶解氧

a.开展生化曝气鼓风机变频调控,实现供气量与处理规模相对匹配。同时开启未运行系列的曝气管总阀门释放冗余曝气量。

b.调整并控制生化池内各廊道内的溶解氧浓度。维持运行系列好氧池的第一廊道内溶解氧(DO)浓度在2.5～3.5mg/L;维持第二廊道起始段和中段DO浓度在1.5～2.5mg/L,末段DO浓度维持在1mg/L左右;第三廊道起始段(硝化液回流泵安装位置)只提供维持污泥悬浮所需的曝气量,尽可能降低硝化液回流点处的溶解氧浓度,第三廊道的中段和后端内DO浓度维持在1.5～2.5mg/L[3]。

2.2 控制回流比

2.2.1 硝化液回流比控制

现场实际安装硝化液回流泵后未安装流量计,无法计量硝化液回流流量。其参数为按照满足满负荷运行时硝化液回流比为300%,且该回流泵经计算实际所需扬程为0.6～0.8m,设计单位扬程参数取值为1.2m,造成富裕水头过大。经查阅厂家样本中的Q-H曲线,如果工频运行将造成实际输送水量为需要值的2～3倍,考虑调试时原水量低导致需要的回流量线性降低,10月调试时的实际回流比约为1000%～1500%,造成回流硝化液携带大量的溶解氧(DO)进入缺氧池,消耗大量的原水COD和外加碳源,因而必须通过变频调整设备运行参数将硝化液回流量调整至与进水量匹配、与TN所需去除率匹配的实际需要值。

根据进水TN浓度实测值和出水TN浓度要求,确定所需的理论回流比。计算公式[4]为

式中:η为TN的去除效率,100%;N0为进水TN浓度,mg/L;Ne为出水TN浓度,mg/L;r为混合液回流比,100%。

控制硝化液回流设置的穿墙泵的实际流量与理论回流比的数值基本匹配,调整和验算公式[5]为

式中:γ为水的容重,kg/L;Q为水泵的输水量,L/s;H为水泵的总扬程,m,经计算实际需要扬程约为0.6m;N为泵的轴功率,kW;η为水泵的总效率。

2.2.2 缺氧至厌氧的回流比控制

缺氧至厌氧的回流主要为维持厌氧池的污泥浓度,按照近期处理规模100%污泥回流比进行控制,流量控制方法同硝化液回流比控制方法。

2.2.3 膜池至好氧池的回流比控制

膜池至好氧池的回流主要为维持好氧池内的污泥浓度,回流比越大,好氧池和膜池的污泥浓度差越小。调试时此回流泵由于自控原因无法变频调控,因而按照额定参数运行。

2.3 控制进水流量

a.调试前期采用停止进水、投加外碳源进行闭路循环的方式,将池内混合液中TN浓度降低至10mg/L以下后再恢复进水。

b.池内混合液TN浓度降低至10mg/L以后,按照Q=70m3/h定量进水并至少运行3天,根据出水TN浓度调整外碳源投加量,观察池内TN变化情况,验证设定调试参数的有效性。

c.在低进水量阶段的系统出水TN基本稳定后,按照实际污水水量进水,并且每日根据前一日的进水流量、出水TN及其变化规律,确定后续的外碳源的投加量和回流量、曝气量等。

2.4 控制外碳源投加

2.4.1 外碳源投加量控制

调试时采用液体乙酸钠作为外碳源,经化验室检测该外碳源的COD当量为16.7万mg/L。

计算按原水COD与可去除TN比例为8∶1～6∶1,计算利用原水中有机物可去除的TN的浓度,其余待去除TN的按需利用投加外碳源去除。经查阅数据和文献资料[6],调试时按照去除1mg/LTN计算需要乙酸钠5mg/L。调试过程中结合出水TN降低和升高的趋势,每日调整外碳源的投加量。

2.4.2 外碳源投加位置调整

施工图设计外碳源投加于缺氧池(氧化沟池型,设置水下推进器)出水口的上游附近,极易造成碳源未充分利用就随出水流至好氧池氧化分解,根据池内搅拌循环的混合液流向,调试前将外碳源投加点调整至缺氧池出水口下游1.5m以后的位置,保障外碳源在缺氧池内有足够的停留和反应时间,减少外碳源投加后可能产生的短流和浪费。

2.5 其他调控措施

2.5.1 水质指标检测

为及时掌握以上各措施的实际效果,及时发现问题,设定每日上午8时和下午6时对生化池进水点、厌氧池进水点及出水点、缺氧池进水点及出水点、好氧池进水点、好氧池回流点、膜池等8个位置进行取样检测COD、氨氮、TN指标。在生化池出水TN基本稳定后,只检测生化池进出水取样点的水质。

2.5.2 DO测量措施

为了保证出水COD和氨氮的达标及缺氧池的缺氧环境维持,每日对缺氧池和好氧池内的DO进行测量。其中,缺氧池至少测量进口位置和出口位置不同水深的DO值,判断缺氧池的缺氧环境是否稳定、缺氧搅拌效果是否良好;好氧池由于分三个廊道,需要对每个廊道前、中、后位置的DO值进行检测,根据DO检测值,调整曝气直管的阀门开度,控制曝气量。

3 调试效果

3.1 调试前期措施及结果

经计算,现状生化池容量为4500m3,池内TN每降低10mg/L约需补充液体乙酸钠1347L,11月7—10日期间虽采取了以上调试措施,但出水TN降低缓慢。为快速降低出水生化池内本底TN浓度,自11月11日起停止进水,连续投加外碳源两天降低生化池内TN总量和浓度,期间生化系统内各位置的TN浓度检测值见图3。

图3 调试前期TN沿程浓度

a.11月7—10日:每日投加2000L外碳源,观测到出水TN浓度缓慢地自38.20mg/L降低至30.50mg/L。

经分析,大量投加碳源并未达到预期TN降低水平,由于生化池容量大,加之连续进水导致生化池内待去除的TN总量高,投加碳源不足以同时快速去除本底TN以及进水携带的TN,导致出水TN降低缓慢。经分析认为,要实现TN快速达标,必须首先将生化池混合液中约30mg/L的TN浓度降低至10mg/L以下,再恢复进水,方可快速实现出水TN达标。

b.11月11日上午8时开始停止进水,按照1500L/d的量投加外碳源,运行至下午16时取样检测结果为缺氧池进水TN浓度为23.05mg/L,缺氧池出水TN浓度为21.05mg/L,膜池的TN浓度约为25.25mg/L。

经分析,由于外碳源累计投加量小、生化池容量大,投加外碳源对生化池内本底TN浓度降低的效果还未完全显现,生化系统内的TN浓度分布尚不均匀。

c.11月12日上午8时取样检测结果为缺氧池进水TN浓度为15.85mg/L,缺氧池出水TN浓度为12.07mg/L,膜池的TN浓度约为16.25mg/L。

经分析,系统经历24h停止进水,投加外碳源运行后,投加外碳源对生化池池体内TN浓度的降低产生了较明显的效果,缺氧池出水TN浓度达到12.00mg/L,其他位置的TN浓度已降至16.00mg/L左右,且投加的外碳源总量与理论计算值基本匹配。

d.11月13日上午8时取样检测结果为缺氧池进水TN浓度为6.20mg/L;缺氧池出水TN浓度为4.90mg/L,膜池的TN浓度约为9.75mg/L。

经分析,系统经历48h停止进水、投加外碳源运行后,投加外碳源对系统内TN浓度的降低产生产生了明显效果,生化池内各位置的TN浓度均降至10.00mg/L以内,降低系统内本底TN浓度的目标已经达到。

e.11月13日后:系统内TN浓度降低至10.00mg/L以下后,开始恢复低水量进水,并利用现有4500m3池容量内低TN浓度的缓冲能力,根据进、出水TN浓度调整外碳源加药量。

3.2 调试期措施及结果

3.2.1 11月14—18日调试结果

自11月14日起,根据调试思路开展定流量进水调试,主要控制内容和控制要求见表2。

表2 调试控制内容和控制要求

11月14—18日进出水调试效果见表3。

表3 11月14—18日进出水水质 单位:mg/L

经分析:

a.自11月14日起,在外加700L液体乙酸钠条件下,生化系统出水TN浓度均实现达标。但出水TN浓度自9.87mg/L升高至14.52mg/L,后续应提高乙酸钠的加药量,将出水TN浓度稳定在12.00～13.00mg/L,以最大化利用系统的缓冲能力。

b.系统出水COD浓度不能稳定达标,仍有超标风险,11月17日出水COD浓度达到39.21mg/L,经分析后将好氧池至缺氧池回流点后的区域曝气量提升,维持DO浓度在3.00～5.00mg/L,保障出水COD浓度的稳定。在11月18日检测结果出水COD浓度降至25.21mg/L,出水COD浓度有较明显额改善。

3.2.2 11月19日后调试结果

自11月19日起,按照实际原水水量开展调试,根据进水流量计设定值、进出水在线监测数值的变化,每日调整外碳源投加量。调试控制内容和控制要求见表4。

表4 调试控制内容和控制要求

a.开展动态调控后,进水TN浓度平均值升高至79.99mg/L,出水TN浓度平均值为13.73mg/L。出水TN浓度最低为10.99mg/L,最高为15.68mg/L。出水TN浓度多呈现规律性变化。由于原水TN浓度波动较大,此期间出现了4次出水TN浓度略微超标的情况,在增加外碳源投加量后,出水TN浓度恢复达标,达标率达到90.7%,基本达到了调试目标。

b.出水COD浓度稳定达标。11月19日后进水COD浓度逐渐升高,进水平均COD浓度为334.51mg/L,出水COD浓度平均值约20.79mg/L,最高值为28.43mg/L。

c.出水氨氮稳定达标。出水氨氮浓度平均值为0.22mg/L,最高0.39mg/L。11月19日后进、出水各浓度指标见图4和图5。

图4 11月19日后进水各指标浓度

图5 11月19日后出水各指标浓度

4 结 语

魏善庄镇再生水厂出水TN快速达标调试实现了既定的调试目标。研究表明,在调试期低污水量条件下,污水在池内的停留时间比设计值成倍延长,相比进水中携带进入生化池的TN总量,池内混合液中的本底TN总量更大,快速降低生化池内积存的本底TN浓度是实现TN快速调试目标的关键。

根据进、出水TN浓度计算所需的硝化液回流比和实际进水量控制硝化液回流量,是实现出水TN达标的重要措施。在实践中需要透彻地理解硝化液回流比与硝化液回流量的关系,硝化液回流量选定需要依据实际进水水量调整。

控制曝气量和控制回流硝化液中的溶解氧浓度以维持缺氧区的缺氧环境及减少碳源的直接氧化、确定合理的外碳源投加点位以促进碳源的有效利用、调试前期控制进水流量以维持系统性能稳定、开展生化池多点位水质检测掌握池内重点污染物的变化情况等其他措施,均为TN达标调试起到了重要支撑作用。

本研究系统验证了以上各项调控措施的效果,为类似进水条件的污水处理厂出水TN快速达标调试提供了借鉴。其中,低水量条件下进水污染物总量与生化池内的本底污染物总量之间的关系分析和优先降低生化池内本底TN浓度的方法是本次调试期间独立思考和分析的结论,期待更多的调试研究人员对此方法和其他调控措施开展更多的验证研究。

本次调试面临了一些工程设计原因导致的难题,如硝化液回流泵后未设置流量计,建议设计人员重视硝化液回流量及其他重要流量所需计量仪表的设置,通过设置仪表可以更加直观地指导调试工作,提升调控的精确度,保障系统运行稳定。