双模式MSBR 工艺在城镇污水厂雨季工况中的中试试验

沈 磊

(可事托环保设备<上海>有限公司,上海 200030)

1 研究背景

在水体黑臭治理及海绵城市建设过程中,我国很多城市兴建了沿河截污设施,并提高了截流倍数,通过集中式城镇排水系统对汇水区域的雨季流量进行快速收集及输送。 但处于排水系统末端的污水厂处理规模通常按照旱季流量进行设计,并未考虑雨季峰值流量的处理,导致雨季超出污水厂处理能力的混合污水在厂前或中途管线溢流形成合流制溢流(CSO)污水,造成严重的沿途或受纳水体“返黑返臭”问题[1]。

近年来,我国上海、昆明及武汉等市的部分城镇污水厂通过新建化学强化一级处理(CEPT)、高效沉淀池等物化处理工艺对雨季合流制混合污水进行处理,在优化药剂选型及运行工况的条件下,其有机物(CODCr)去除率可达50%～80%,悬浮物(SS)去除率为60%～90%,总磷(TP)去除率为70%～90%,但对于氨氮、总氮(TN) 等指标的去除极其有限[2-3],且新建处理单元还可能面临投资过大和旱季设备闲置等问题[3]。 理论上二级处理对合流污水的净化效果更优,但大部分污水处理厂的二级生化处理系统受水力停留时间(HRT)、微生物增长速率和二沉池活性污泥流失等因素限制,无法应对雨季合流污水剧烈的流量和水质变化,不具备与之匹配的处理能力[4]。

改良型序批间歇反应器(MSBR)是一种高效稳定且具备较强抗冲击负荷能力的二级生化处理工艺,已在国内外污水处理厂得到了较为广泛的应用。本研究以浙江某污水处理厂为场所,通过中试试验研究,考察了双模式MSBR 工艺应对雨季连续冲击负荷的效果,为该厂的运行控制提供指导思路,同时为提高我国城镇污水处理厂对雨季合流污水的处理能力,削减雨季受纳水体污染负荷提供一种新的有效途径。

2 试验材料与方法

2.1 污水处理厂概况

浙江某污水处理厂现状处理规模为60 万m3/d,总用地面积为49.88 万m2,主要收集服务片区内生活污水及部分工业废水。 其中一、二期设计处理能力均为30 万m3/d,二级处理工艺分别采用了膜生物反应器(MBR)、MSBR 池及AAO 生物池,出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A 标准。 污水厂近年实际进水水质及设计出水水质如表1 所示。 该污水厂进水中工业废水比例较高,且服务区域内的污水管网收集系统短板较为明显,雨水的混入较为严重,导致污水厂的进水水质波动较大,对污水厂的稳定运行造成了一定冲击。

表1 污水厂近年进水水质及设计出水水质Tab.1 Recent Influent and Designed Effluent Quality of WWTP

2.2 试验装置与运行方式

本次双模式MSBR 中试装置旱季处理规模为12 m3/d,外尺寸为3.2 m×2.2 m×2.1 m,采用集约化一池十单元结构。 主体包含AAO 反应单元、SBR序批单元及污泥浓缩预缺氧单元等区域,配套多点进水等功能,可根据进水量的变化快速切换运行模式,以适应雨季合流污水流量及污染物负荷波动较大、具有非连续性、爆发性、随机性的污染特征[5]。其旱季和雨季两种运行方式如图1、图2 所示。

图1 双模式MSBR 系统旱季运行模式Fig.1 Operation Mode of Dual-Mode MSBR System during Dry Weather

图2 双模式MSBR 系统雨季运行模式Fig.2 Operation Mode of Dual-Mode MSBR System during Wet Weather

旱季或初期雨水期间,采用旱季运行模式,原水全部进入中试装置的4 号厌氧单元,依次经过多段缺氧、好氧反应后通过1 号及7 号序批单元交替沉淀出水。 序批单元内污泥回流到2 号浓缩单元后进入3 号预缺氧单元富集,经内源反硝化脱氮后提升进入4 号厌氧反应单元与进水混合,浓缩单元上清液重力自流入后置1A 及7A 缺/好氧单元。

当雨季合流污水量超过2.0 倍旱季流量时,启动雨季运行模式,通过多点进水装置将超量混合污水分流至6 号好氧单元末端,两侧1 号及7 号序批单元同时沉淀出水,并启动强化污泥回流,避免污泥流失;后置1A 及7A 缺/好氧单元连续好氧曝气,其余各单元运行状态保持不变。

中试装置总有效容积为11.27 m3,其中4 号厌氧单元为0.66 m3,5/5A 两级缺氧单元均为0.73 m3,6 号好氧单元为3.17 m3,2 号浓缩单元为0.21 m3,3 号预缺氧单元为0.25 m3,后置1A/7A 缺/好氧单元均为0.60 m3,1/7 号序批单元均为2.16 m3。

厌氧/缺氧及序批单元采用搅拌器使泥水均匀混合,好氧单元通过微孔曝气头进行供氧及泥水混合,由空压机供气,气量通过流量阀组进行控制。 试验进水、硝化液回流及污泥回流等均采用潜污泵控制,总装机功率为8.75 kW。 中试装置主要工艺设计参数如表2、表3 所示。

表2 双模式MSBR 中试装置主要设计参数(旱季)Tab.2 Designed Parameters of Dual-Mode MSBR Pilot Unit(Dry Weather)

表3 双模式MSBR 中试装置主要设计参数(雨季)Tab.3 Designed Parameters of Dual-Mode MSBR Pilot Unit(Wet Weather)

2.3 试验原水及出水目标

本次试验采用浙江某污水处理厂沉砂池出水作为原水,按1.0～6.0 倍旱季水力负荷分6 个工况进行冲击负荷试验,其中不超过2.0 倍负荷时均采用沉砂池出水,模拟降雨初期较高浓度的冲击负荷;超过2.0 倍负荷后采用中试装置出水稀释调配原水,模拟降雨中后期大量雨水对于进水水质的稀释作用[6]。 中试装置主要出水水质参考《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准,设计进出水水质如表4 所示。

表4 双模式MSBR 中试试验设计进出水水质Tab.4 Designed Influent and Effluent Quality of Dual-Mode MSBR Pilot Test

2.4 试验方案及分析方法

试验按照1.0 ～6.0 倍旱季水力负荷分6 个工况有序展开,其中1.0～2.0 倍负荷模拟旱季及降雨初期工况,3.0 ～6.0 倍负荷模拟降雨中后期大水量冲击工况,最后再恢复到1.0 倍负荷工况运行,考察中试装置在遭受大水力冲击负荷之后的恢复情况。 整个试验过程约5 个月,具体方案进度如表5 所示。

表5 双模式MSBR 中试装置水力冲击负荷试验Tab.5 Hydraulic Shock Load Test for Dual-Mode MSBR Pilot Unit

试验期间每天对中试装置进出水取样分析,指标的分析方法均参照《水和废水监测分析方法》(第四版增补版)。 其中:CODCr采用重铬酸钾法,SS采用重量法,氨氮采用纳氏试剂光度法,TN 采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法,TP 采用钼锑抗分光光度法。

3 试验结果分析

3.1 去除效果分析

在完成污泥接种驯化后,水力冲击负荷试验于2022 年6 月—11 月分7 个工况进行,共计143 d。期间取样检测中试装置的进出水水质,分析不同水力负荷下系统对于CODCr、SS、TN、氨氮及TP 的去除效果,最后考察装置经历冲击负荷后的恢复能力。各工况段主要运行数据汇总如表6、表7 所示。

表6 水力冲击负荷试验运行数据Tab.6 Operation Data of Hydraulic Shock Load Test of Dual-Mode MSBR Pilot Unit

表7 水力冲击负荷试验去除率数据Tab.7 Removal Rate Data of Hydraulic Shock Load Test of Dual-Mode MSBR Pilot Unit

由试验数据可知,除个别时段,双模式MSBR 中试装置出水CODCr、TN、氨氮浓度可稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A 排放标准;出水SS 及TP 浓度则可达到一级B排放标准,通过高效沉淀及过滤等深度处理,可进一步达到一级A 排放标准。 对于各项指标的达标情况主要有以下分析。

3.1.1 CODCr去除效果分析

如图3 所示,在1.0 ～4.0 倍水力负荷条件下,系统的有机物降解较为充分,CODCr平均去除率最高可达到89.81%,出水CODCr质量浓度在30 ～50 mg/L,可达到一级A 排放标准。 而在5.0 ～6.0倍水力负荷条件下,由于采用出水回流稀释,进水总有机负荷变化并不大,但CODCr的去除率仍然呈较为明显的下降趋势。 结合出水SS 指标的变化情况,可以判断出水CODCr的增加大部分是由沉淀时间减少后出水中颗粒性有机物的上升引起的。 在生物菌种的总量没有严重流失的情况下,尽管整体HRT 有所减少,生长迅速的异养菌仍可在很短时间内完成有机物降解作用。 因此,在出水不发生跑泥的情况下,水量冲击负荷的增加对于CODCr的去除并不会产生很大影响。 通过适量投加混凝剂及物理过滤等手段可进一步提高出水CODCr的排放标准。

图3 试验阶段CODCr 去除效果统计Fig.3 Removal Efficiency of CODCr during Hydraulic Shock Load Test

3.1.2 SS 的去除效果分析

由图4 可知,试验过程中出水SS 可维持在较低水平,但2.0 倍以上的水力冲击负荷对于SS 的去除率影响逐渐增大,出水SS 质量浓度也较难以继续稳定在10 mg/L 以下。

图4 试验阶段SS 去除效果统计Fig.4 Removal Efficiency of SS during Hydraulic Shock Load Test

MSBR 中试装置通过启动多点进水及污泥强化回流,可有效避免大量活性污泥快速地被带入到沉淀区域,从而降低了沉淀区域的入流固体负荷[7];而雨季模式下的两侧序批单元同时出水,提高了沉淀区域可承受的表面水力负荷及固体负荷,避免大量污泥流失和出水水质严重超标;MSBR 沉淀区域设置的中间挡板优化了水力学性能,当水力负荷增加时起到消能作用,使得底部带起的SS 有了二次沉淀效应,避免出水堰口附近污泥层的破坏,保证了出水水质[8]。 但在5.0 ～6.0倍水力负荷条件下,沉淀区域的入流负荷超过了设计上限,导致了活性污泥的溢出和出水SS 较为明显的波动。

3.1.3 氨氮去除效果分析

试验阶段各工况下的氨氮去除如图5 所示。 除工况7 恢复阶段初期,在不同水量负荷条件下系统的硝化去除率未出现明显波动。 由于雨季运行模式的启动确保了系统生物量在整个冲击负荷试验中未发生明显流失,系统污泥龄可保持大于硝化菌世代时间,尽管系统实际的好氧反应时间随着冲击水量的增加有所减少,但在水温较高、曝气充分且硝化菌种数量基本稳定的情况下,系统仍可保证良好的硝化效果。 整个试验阶段氨氮去除率大部分时间保持在89.18%～97.27%,出水氨氮平均浓度显著优于一级A 排放标准。

图5 试验阶段氨氮去除效果统计Fig.5 Removal Efficiency of Ammonia Nitrogen during Hydraulic Shock Load Test

3.1.4 TN 去除效果分析

图6 展示了各工况条件下TN 的去除情况。 在1.0～6.0 倍水力负荷条件下,随着进水TN 负荷总量的增加,中试装置出水TN 指标在大部分时段均优于一级A 排放标准,且能基本稳定维持在10 mg/L 以下,说明开启多点进水可有效降低雨季合流污水对于系统前端脱氮功能的冲击。 但进水量的上升造成了碳源及硝酸盐的稀释、溶解氧的上升以及系统缺氧时间的缩短,且多点进水的启动也导致一部分进水碳源无法进入缺氧池而被反硝化菌利用,这些因素造成系统反硝化所需的电子供体及动力不足,导致系统脱氮效率呈下降趋势,而出水SS 的波动也会影响到TN 去除的稳定性。 由此可知,在水量提升的过程中通过采取加强曝气区域的溶解氧控制,降低回流硝化液的溶解氧浓度,优化多点进水的流量分配比来提高缺氧池碳源总量[9],同时控制出水SS 等措施,是进一步提高系统在水力冲击负荷条件下脱氮效率的关键。

图6 试验阶段TN 去除效果统计Fig.6 Removal Efficiency of TN during Hydraulic Shock Load Test

3.1.5 TP 去除效果分析

试验期间各工况条件下系统对于TP 的去除情况如图7 所示,在不采取化学除磷的情况下,出水TP 平均质量浓度在0.5～1.0 mg/L。 通常厌氧HRT的变化对于生物除磷的影响较为有限,但随着进水量的上升,进水碳源尤其是挥发性脂肪酸(VFA)浓度被稀释,多点进水亦导致部分碳源无法被聚磷菌有效利用;由于系统脱氮效率的下降,回流污泥中的硝酸盐浓度有所上升,这也会影响到聚磷菌在厌氧区的生物释磷效果。 此外,当出水SS 浓度随着水力负荷的增加而上升时,出水中的颗粒性TP 也会同步上升。 以上因素均导致了水力负荷提升的过程中,中试装置出水TP 的波动及除磷率下降。 MSBR系统通过对回流污泥进行浓缩预缺氧处理来降低其中的硝酸盐浓度,尽可能地消除硝酸盐对于厌氧释磷的抑制作用,此举可使厌氧释磷进行得较为充分,为后续缺氧或好氧阶段的过量吸磷创造良好的前置条件[10]。 但影响生物除磷的因素较多,为进一步提高本系统在雨季冲击负荷下的TP 去除率,确保出水TP 稳定达到并优于一级A 排放标准,可考虑辅以化学除磷,作为生物除磷的补充[11]。

图7 试验阶段TP 去除效果统计Fig.7 Removal Efficiency of TP during Hydraulic Shock Load Test

3.1.6 冲击负荷后的恢复情况评估

由以上数据统计可知,本中试装置在水力负荷提高到4.0 倍旱季流量以上时,运行稳定性及处理效率下降,出水有活性污泥溢出现象发生,可见4.0倍水力负荷为本中试装置可承受的极限冲击负荷。为避免生物量的持续流失,将进水量由6.0 倍恢复至1.0 倍水力负荷运行,观察装置经历冲击负荷后的运行状况。 通过分析发现,中试装置在恢复初期由于污泥浓度下降、进水水质浓度上升及水温较低等不利因素,出水指标出现较大波动,运行稳定后期各项指标的去除率逐步恢复到初始时的1.0 倍负荷工况。 可见,本中试装置在经历了2.0 ～6.0 倍水力负荷冲击之后,仍能较快地恢复到初始时的运行状态。

3.2 水温对于MSBR 中试装置运行的影响分析

我国暴雨季节多发于夏季,因此本次试验选择在6 月启动。 菲尔普斯(Phelps)公式表征温度对于污水生物处理过程中反应速率常数影响,如式(1)。

其中:KT——T℃时的反应速率常数,d-1;

K20——20 ℃时的反应速率常数,d-1;

T——设计温度,℃;

θ——温度系数,一般取1.02～1.08。

根据式(1),夏季时污水中活性微生物的反应速率最高可达到冬季的一倍以上,因此,有条件将MSBR 系统生物反应所需的部分空间和时间转换为沉淀所需的容积和时间[12]。 同时夏季污水温度升高,水的黏滞性降低,活性污泥微生物絮体间的吸附、凝聚力增强,使得沉降所需时间缩短。 根据MSBR 系统特殊的构造,在雨季模式可将两侧SBR单元均作为沉淀池使用,此时沉淀区域可承受的表面水力负荷及固体负荷可提高至旱季时的2.0 倍。通过试验也证明,当水温在22 ～32 ℃时,在雨季运行模式下MSBR 中试装置可稳定通过最大400%的旱季设计流量。

3.3 多点进水在MSBR 中试装置上的应用分析

将多点进水工艺融入MSBR 系统,在雨季运行模式下将超量污水分流至好氧单元末端,可有效避免系统前端活性污泥在峰值流量期间过快地被推至沉淀区域,因沉淀区域负荷陡增造成系统出水跑泥及整体处理效率下降等问题。 旱季和初雨时期将全部合流污水通过MSBR 系统全流程处理,以保证污染物降解效果及底物的充分吸附;降雨后期随着径流量不断增大,进水水质浓度由于雨水的稀释而下降,超量污水从MSBR 池后端接入,经过短时间曝气及沉淀回流处理实现“接触-稳定”,与经过MSBR 系统全流程处理的部分出水汇合后沉淀排放,可达到较为理想的出水水质。该运行方式与国外的3W 法(Wet Weather Wastewater)[13]有异曲同工之处。

3.4 投资运行成本分析

双模式MSBR 工艺可兼顾旱季及雨季污水处理,无需专门建设物理-CEPT 等雨季合流污水处理构筑物,可有效节省项目投资及用地,且无旱季设备闲置等问题。 在试验过程中,本中试装置包括污水厂一级处理段的运行能耗为0.25～0.40 kW·h/m3,合0.18～0.28 元/m3,略高于常规活性污泥法,其主要原因是中试装置设计规模较小,搅拌器、水泵及空压机等选型偏大,且雨季模式下污泥回流及风量需求快速上升。 本次试验未投加碳源、聚合氯化铝(PAC)及聚丙烯酰胺(PAM)等药剂,因此双模式MSBR 工艺的综合运行成本低于常规活性污泥法+物理-CEPT 等工艺组合。

4 结论及建议

(1)试验结果显示,当水力冲击负荷不超过4.0倍旱季设计流量时,双模式MSBR 中试装置可连续稳定运行,出水CODCr平均质量浓度为33.43 ～49.85 mg/L,去除率为74.10%～89.81%;出水SS平均质量浓度为10.38 ～13.90 mg/L,去除率为84.48%～95.50%;出水氨氮平均质量浓度为0.68 ～2.51 mg/L,去除率为89.82%～97.27%;出水TN 平均质量浓度为7.86～13.66 mg/L,去除率为58.17%～74.18%;出水TP 平均质量浓度为0.45 ～1.03 mg/L,去除率为81.85%～88.65%。 各项指标均优于物理-CEPT 工艺,可有效缓解氮磷营养物等向水体的转移释放。

(2)融合多点进水工艺的双模式MSBR 工艺,进一步提升了抗冲击负荷能力及操作灵活性,可对进水水量水质的波动做出快速响应,有效避免雨季超量混合污水冲击情况下,活性污泥的大量流失及污水处理程度的下降,系统在经历大水量冲击负荷后可迅速恢复至初始状态进行旱季流量的处理。 该工艺可有效提升城镇污水处理厂雨季峰值流量的处理能力,减少合流污水溢流量,削减受纳水体的污染负荷。

(3)双模式MSBR 工艺兼顾旱季及雨季污水处理,可有效节省投资及用地,其中试装置运行能耗为0.25～0.40 kW·h/m3,合0.18～0.28 元/m3,因无需投加药剂,其综合运行成本低于常规活性污泥法+物理-CEPT 等工艺组合。

(4)为确保雨季峰值流量下双模式MSBR 工艺出水指标可稳定达到或优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准,建议通过高效沉淀及过滤等后续工艺进一步提高SS、TP 指标的去除率;考虑到雨水所携带的大量泥砂等无机物,建议在一级处理段增设初沉池以有效减轻雨季泥砂水对于双模式MSBR 工艺的冲击。

(5)本次中试试验暂未考虑在降雨初期,由于初期雨水冲刷地面携带进入污水处理厂的大量泥沙、黏滞泥、重金属等污染物对水厂生化系统的影响,且试验方案中各工况的持续运行时间长于实际降雨历时。 在下一阶段试验中,将重点考察实际降雨过程中初期雨水所携带的这部分污染物,以及短时大流量冲击负荷等因素对于双模式MSBR 工艺运行的影响及可行有效的应对措施。