新疆某污水厂冬季出水总氮及氨氮超标的优化调控

赵白恩,王维红,康增彦

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐 830052;2.中建三局安装工程有限公司,湖北武汉 430079)

随着我国经济技术的快速发展,城镇水污染问题愈发严重,国家因此将水污染防治提高到战略高度[1]。治理水污染的一个重要举措就是兴建污水处理厂,集中处理,达标排放。新疆地区入冬之后,气温骤降,微生物活性降低,生化反应迟缓,出水水质时有波动。本文以新疆某污水厂为例,在其出现出水总氮(TN)、氨氮超标的情况后,通过在线监测数据和相关指标的跟踪监测,分析问题并提出改进优化措施,稳定运行阶段出水氨氮和TN均值分别为5.47 mg/L和11.92 mg/L,实现达标排放。此次主要是对运行参数的优化调控。结果表明,针对运行参数的优化调控,对运行效能有较为显著的影响,可为该地区相关工程的类似问题提供一定的借鉴和指导。

1 工程概况

新疆某污水处理厂来水主要包括附近工业园区的工业废水和周边约7万人口的生活污水。设计规模为30 000 m3/d;最大时流量为1 775 m3/h,平均时流量为1 250 m3/h,设计时变化系数为1.20。

1.1 设计进出水水质

该污水厂出水执行一级B标准,设计进出水水质如表1所示。

表1 设计进出水水质Tab.1 Designed Influent and Effluent Water Quality

1.2 工艺流程

厂区主体工艺采用水解酸化+改进序批式活性污泥法(SBR)处理工艺。污水通过隔油沉砂池,去除表层油污,初步排沙。然后经粗格栅、细格栅过滤掉不溶性杂质,旋流沉砂池进一步排沙。出水进入水解酸化池和改进SBR反应池进行生物处理。剩余污泥排入集泥池,一部分(40%)进入污泥脱水间,一部分(60%)作为回流污泥流入水解酸化池。具体工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程Fig.1 Process Flow

1.3 改进SBR反应池

改进SBR池为A、B、C 3个水力相连通的等容积矩形池,交替进出水,每个周期为好氧曝气1.5 h,沉淀0.5 h,出水2.0 h,每一阶段由自控设备实现4 h自动切换,2个阶段共8 h。沉淀池切换成进水好氧池时,池中高浓度剩余污泥与高浓度进水相遇,在时间上形成推流式反应器模式,有助于提高效能。曝气和沉淀合用一池,不需要内循环污泥回流系统,可以通过调整排泥量和沉降时间调节回流。出水时段可以使沉淀池内的SS继续下降,出水CODCr浓度逐渐变小,池内由缺氧反应走向厌氧反应,进一步反硝化降低出水的氨氮和TN。每个池均设供氧曝气设备,边池A、C既可作曝气池,也可阶段性改变进水方向,切换作为沉淀、出水池,中间B池只作曝气池。该工艺可在一个反应器中完成有机污染物的生物降解和泥水分离的功能。为了加强厌氧反硝化,还增加了灵活运行的A池作为阶段缺氧池。SBR反应池运行如图2所示。

图2 SBR反应池运行Fig.2 SBR Reactor Operation

2 问题诊断及分析

2.1 近期进出水水质变化分析

目前,国内污水处理厂大多采用活性污泥及其衍生改良工艺,工艺成熟,成本低且处理效果稳定。但作为生物处理法的一种,其受外界环境因素影响较大。新疆某污水处理厂在进入冬季之后出现了出水氨氮和TN超标的情况。出水TN、氨氮超标对环境的影响是巨大的,是造成水体富营养化的主要推手,也是水体常见有毒有害物质的形成原因[2],必须得到有效的处理。新疆地区近年来发展迅速,工业规模不断扩大,工业废水产量与日俱增,污水性质与设计之初已有较大差异。生化处理系统的抗冲击负荷能力是有限的,进水CODCr、氨氮及TN浓度过高也有可能是引起出水TN、氨氮超标的原因。故对近期的进出水CODCr、氨氮和TN浓度进行分析是必要的。

① CODCr浓度变化分析

该污水处理厂1月31 d的进出水CODCr变化及去除率如图3所示。

图3 进出水CODCr浓度及去除率变化Fig.3 Changes of Influent and Effluent CODCr Concentration and Removal Rate

由图3可知,日均进水CODCr质量浓度为376～672 mg/L,日进水最大值可达1 402 mg/L。日均出水CODCr质量浓度为28～72 mg/L,均值为46 mg/L,平均去除率为92.3%,达标率为100%。日均出水CODCr波动较大,但处于合理范围内,出水稳定达标,系统对CODCr的抗冲击能力较强。

② 氨氮浓度变化分析

该污水处理厂1月31 d的进出水氨氮变化及去除率如图4所示。

图4 进出水氨氮浓度及去除率变化Fig.4 Changes of Ammonia Nitrogen Influent and Effluent Concentration and Removal Rate

由图4可知,日均进水氨氮质量浓度为45～55 mg/L,日进水最大值为69 mg/L。日均出水氨氮在24～30 mg/L,均值为28 mg/L,平均去除率在44 %左右,全月31 d均超标。日均进水氨氮浓度虽然有较大波动,但仍在合理范围内,出水氨氮浓度趋于平稳,表明出水氨氮浓度超标受低温(-7～12 ℃)影响较大,是出水氨氮超标的主要影响因素。

③ TN浓度变化分析

该污水处理厂1月31 d的进出水TN变化及去除率如图5所示。

图5 进出水TN浓度及去除率变化Fig.5 Changes of Influent and Effluent TN Concentration and Removal Rate

由图5可知,日均进水TN质量浓度为70～110 mg/L,日进水最大值为188 mg/L,超设计值1.55～2.45倍,波动剧烈。日均出水TN质量浓度在34～46 mg/L,平均去除率在50%左右,全月31 d均超标。显然,进水TN浓度过大,超过了系统的承受能力,加上低温影响微生物活性,最终导致出水TN超标严重。

综上,进水TN超过系统设计容量是造成出水TN超标的主要原因,而低温是导致出水氨氮超标的主要原因。调查发现,近些年来新疆地区发展迅速,工业规模不断扩大,工业废水排放量也水涨船高。该污水处理厂设计投运初期至今,进水中工业废水占比由最初的10%增长至35%,氮负荷较大,又适逢新疆最冷的月份,这才导致出水TN、氨氮超标。生物脱氮主要依靠硝化和反硝化菌。硝化菌多为中温菌,适宜温度在30 ℃附近,低温会降低其活性,延长其世代时间[3]。研究[4-5]显示,当温度低于4 ℃时活性污泥中几乎不存在硝化菌。氨氮的降解主要依靠硝化菌,硝化菌活性被抑制,出水氨氮水平自然就会较高。

2.2 调节酸化池和好氧池脱氮指标跟踪监测

1月24日对水解酸化池及好氧曝气池中相关氮指标进行跟踪检测,结果如表2所示。

表2 氮指标检测结果Tab.2 Determination Results of Nitrogen

数据显示,水解酸化池有机氮向氨氮的转化率为84.82%,氨化反应进行不彻底,出水氨氮水平较进水有所降低。水解酸化池脱氮主要依靠有机氮的氨化和氨氮的厌氧氨氧化反应去除[6]。因此,水解酸化池中定然发生了厌氧氨氧化反应,但厌氧氨氧化反应需要亚硝酸盐的参与,水解酸化池本身并不具备产生亚硝酸盐条件。推测是好氧池回流污泥中携带的硝酸盐在水解酸化池底部进行了不彻底的反硝化反应,产生的亚硝酸盐与氨氮进行了厌氧氨氧化反应。水解酸化池虽进行了厌氧氨氧化反应,但其氨氮转化去除率并不高,应与当时较低的温度有很大关系[7]。进入曝气池的氨氮质量浓度为36.80 mg/L,出水氨氮质量浓度为27.00 mg/L,去除率仅为26.63%。显然,受温度影响,曝气池中硝化菌活性下降,硝化反应受阻,大量氨氮积累。水解酸化池出水中有机氮有4.60 mg/L,曝气池过后降至4.18 mg/L,总出水口依然有4.18 mg/L,可见仍需强化水解酸化池脱氮能力。

3 优化分析及调控

3.1 水解酸化池运行优化

3.1.1 水解酸化池脱氮效能的影响因素

水解酸化池出水氨氮主要来自有机氮氨化和进水氨氮。氨氮的去除一般以同化作用、硝化反硝化作用实现,同化作用去除一般较少,仅在10%左右,且受溶解氧(DO)、水力停留时间等因素限制[8]。水解酸化池中氨氮的降解大部分要靠厌氧氨氧化反应。该反应在一定温度下,主要受污泥浓度、水力停留时间、污泥龄和DO的影响[9]。优化调控措施也主要围绕这几个方面进行。

3.1.2 水解酸化池污泥浓度及沉降性能

现场勘测发现,水解酸化池内污泥层的厚度达到3 m以上,且没有明显的泥水分层,池上层污泥部分从排水管出口进入了曝气池。测得曝气池出水上清液SS质量浓度为6.6 g/L,基本属于泥水混合液。可见水解酸化池中、下层污泥浓度较高。实测中、下层污泥平均质量浓度为21 g/L,污泥整体沉降性能差,泥水不能分离。

3.1.3 水解酸化池水力停留时间和DO

根据日均时流量和水解酸化池有效容积,计算出的水力停留时间为2.7～2.9 h,低于设计值(4.6 h)。难降解有机物在池中的水力停留时间不足,厌氧氨氧化和水解酸化反应进行不充分,水解酸化池功能没有完全发挥。较长的水力停留时间,一方面可促进有机物开环断链促使酸化反应进行更加彻底[10],另一方面,也可为受到低温抑制的厌氧氨氧化菌提供更长的反应时间,从而进一步降低出水有机氮和氨氮。另外,测得水解酸化池DO质量浓度为0.9 mg/L,含量较高。水解酸化反应和厌氧氨氧化反应都需要较为严格的厌氧环境,需降低其DO含量。

3.1.4 水解酸化池优化调控

综上,水解酸化池优化调控措施有:(1)降低污泥层厚度,将水解酸化池泥层厚度保持在2.5 m左右,澄清后上清液维持在1.2～2.0 m为宜,可有效改善水解池泥水分离的问题;(2)初期先加大污泥排放量,排出老化污泥,同时增加剩余污泥的回流量,保持池内污泥质量浓度在15～20 g/L,再将每日排泥量降至150 t,增加泥龄并维持在6 d左右,改善污泥质量,保证沉降性能;(3)依靠关闭进水阀适度控制进水量,提高前池水位,增加水解酸化池的水力停留时间至4.5 h。同时,将DO质量浓度由0.9 mg/L降至0.5 mg/L以下,保证厌氧环境。理论上水解酸化池氨氮平均去除率可达45%以上,将减少曝气池的脱氮负荷,提高系统的稳定性。

3.2 曝气池运行优化

3.2.1 曝气池污泥性能评价

检测发现曝气池中污泥:污泥沉降比(SV30)为77%,MLSS为6 350 mg/L时,污泥体积指数(SVI)为121 mL/g,BOD5为1 690 mg/L,CODCr为6 602 mg/L。显然,曝气池污泥的浓度过高,缺乏活性,沉降性一般,且有产生污泥膨胀的可能。观察发现,污泥形态松散且有部分上浮,表明曝气池中微生物代谢紊乱,确有膨胀发生。对曝气池进水进行检测,发现实际进水的SS浓度过高,且曝气池中污泥MLSS组成中很大部分是进水带入的不可降解杂质,可生化性较低,导致虽然混合污泥中含有的有机质较多,但微生物活性和菌群数量却并不高。此外,进入池中的大量有机质被吸附在菌胶团表面形成包裹层,阻碍了营养物质的输送,使得微生物活性降低,有机质的降解也不彻底[11]。因此,除了提高曝气池污泥活性,强化沉淀效果,还需减少曝气池进水SS浓度。

3.2.2 曝气池污泥回流和内回流比

系统每日外排的剩余污泥(含水率为98.5%)总量约为246 t/d,其中约60%回流进入水解酸化池,增加水解酸化池的污泥活性和浓度。但其中夹带的DO一定程度上会影响水解酸化池的厌氧反应。曝气池与沉淀池的切换过程中,留在沉淀池的剩余污泥相当于二沉池的污泥回流至曝气池,内回流比为64%,留在沉淀池污泥量约为437 t/d。进水初期,即使进水水质波动较大,但由于污泥回流量较大,曝气池污泥浓度高,曝气池的好氧硝化反应也能顺利进行,但需控制污泥内回流比。若内回流比太小,活性污泥在沉淀阶段的停留时间较长,容易导致污泥上浮;若内回流比太大,会增加曝气池A段反硝化反应的负担。

3.2.3 曝气池污泥参数优化调控

综上,曝气池优化调控措施有:(1)需先加大曝气池污泥排放量,尽快将老化污泥置换掉,改善污泥整体质量;(2)调整MLSS维持在4 000～5 500 mg/L,MLVSS/MLSS在0.78以上,SV30和SVI分别小于42%、96%,抑制污泥膨胀,提高沉降效果;(3)将内回流比控制在50%～60%,防止污泥上浮。

4 优化调控结果及讨论

按上述运行参数优化和调控策略,经15 d的调试运行后,水解酸化池泥水分离问题明显改善,曝气池出水氨氮和TN浓度显著下降,菌群增殖速度明显加快,污泥活性和沉降性能都有提高。稳定运行阶段后一个月内出水氨氮和TN浓度变化情况如图6所示。

图6 出水氨氮和TN浓度变化Fig.6 Changes of Effluent Concentrations of Ammonia Nitrogen and TN

如图6所示,出水氨氮和TN质量浓度分别为5.14～7.41 mg/L和9.12～16.91 mg/L,平均值分别为5.47 mg/L和11.92 mg/L。出水氨氮浓度波动较大,整体数值偏高,低温对硝化反应的影响还在,但经调控优化后氨氮降解持续向好,无超标现象出现。出水整体TN波动较小,但仍处于一个较高的水平。较低的温度降低了反硝化菌的活性,影响相对于硝化反应较小[12],但仍对反硝化反应有所限制,导致其出水浓度水平相对较高。

从总体上看,按优化参数和调控策略进行调试后,出水氨氮和TN浓度均有大幅降低,超标现象明显改善,达到了设计出水标准。长远来看,虽然通过优化调控措施使污水处理厂出水水质达到了设计标准,但出水氨氮和TN波动都较大,水平较高。显然,现有的处理工艺面对当前现状有些力不从心,尤其是面对低温的影响。优化调控举措核心都是延长微生物在反应池的停留时间,以削弱低温对其的影响。但这势必会降低处理负荷,间接增加运行成本,加上愈加严格的环保要求,升级改造工程势在必行。

5 结论

(1)在线数据和相关氮指标的跟踪监测结果显示,工业废水占比提高,进水TN超标,加之较低的温度导致微生物活性降低,生物脱氮功能受到抑制,是出水氨氮和TN超标的主要原因。此外,水解酸化池氨化反应不彻底,氨氮转化去除率低也是出水TN、氨氮超标的重要原因。

(2)优化调整后,水解酸化池:水力停留时间为

4.5 h,污泥质量浓度为15～20 g/L,污泥排放量为150 t/d,污泥龄为6 d,DO质量浓度为0.5 mg/L。曝气池:内回流比为50%～60%,MLSS维持在4 000～5 500 mg/L,MLVSS/MLSS大于0.78,SV30和SVI分别小于42%、96%。优化调整后的出水氨氮和TN均值分别为5.47 mg/L和11.92 mg/L,达到了设计出水标准。可为该地区相关工程的类似问题提供一定的借鉴和指导。