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高標準排放下市政污水處理廠反硝化脫氮影響因素及優化分析

高標準排放下市政污水處理廠反硝化脫氮影響因素及優化分析

發布日期:2019-08-09 作者:李激 點擊:

近年來我國市政污水處理廠出水排放標準愈來愈嚴格,尤其對于總氮(TN)指標,部分地方要求出水排放標準甚至由原來要求的15 mg/L嚴格至10 mg/L。本研究結合實際經驗與實驗驗證,探討實際污水處理廠異養反硝化脫氮過程中主要存在問題及對策,主要分析探討碳源、內回流比、內回流溶解氧(DO)以及攪拌條件等影響因素,以期為市政污水處理廠高效穩定脫氮提供技術指導。

污水廠反硝化脫氮的主要影響因素

隨著我國經濟的發展,污水排放量日益增多。污水處理廠數量和處理能力也都在逐年增加,從2009年到2018年底,污水處理廠數量從1958座增加到5362座,處理規模由1.03×108 m3/d提高到2.01×108 m3/d。污水處理廠出水排放標準也在逐漸嚴格,《城鎮污水處理廠污染物排放標準》征求意見稿TN指標設定為10/15 mg/L。部分地區標準甚至要求達到5 mg/L。因此,高效穩定脫氮是目前大部分污水處理廠亟待解決的問題。

我國市政污水處理廠脫氮工藝以生物法為主。經調研,異養反硝化是總氮最終去除的環節,但因各種因素影響,反硝化效果不穩定是多數污水處理廠面臨的主要問題。通過對全國58座污水處理廠的全流程工藝診斷分析發現,碳源、內回流比、DO、攪拌等是反硝化脫氮的主要影響因素(表1)。其中碳源是制約反硝化脫氮過程的最主要因素,占比高達85.5%;其次是內回流比,占比16.4%;除此之外,實際運行中DO、攪拌以及一些其他因素也對反硝化脫氮存在一定影響。

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碳源對反硝化脫氮的影響及優化

碳源不足引起的反硝化性能降低在污水廠中普遍存在

生物脫氮系統中,以小分子有機物為主的碳源是反硝化脫氮的主要電子供體。而實際生物脫氮工藝中,系統中常因可生物降解有機物含量低而導致電子供體相對不足,反硝化脫氮反應不完全。當進水中的碳源不足以為反硝化脫氮過程提供電子供體時,就需補充外加碳源。去除硝態氮所需可利用有機物量常用BOD5/TN表征。為保證反硝化反應的順利進行必須有充足的碳源提供,據傳統的生物反硝化理論,1 mg/L的硝酸鹽氮轉化為氮氣需要消耗的BOD5當量為2.86 mg/L。考慮到生物合成、溶解氧消耗、污泥排放等因素的影響,結合研究與工程經驗,一般要求BOD5/TN>4。以太湖流域污水處理廠為例,BOD5/TN比取值范圍為3.345-3.468,研究調研了太湖流域城鎮污水處理廠2007-2017年進水BOD5/TN數據,結果如圖1。

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由實驗結果可知,太湖流域城鎮污水處理廠的進水的BOD5/TN維持在3.5~4.3左右,平均值為3.87,針對生物脫氮需求,略有不足。不同城市之間,進水BOD5/TN值存在一定差異,南京和鎮江城鎮污水處理廠進水BOD5/TN較低,在2~3之間,碳源嚴重不足,需外加碳源促進反硝化脫氮效果,保證出水水質達標。

反硝化速率可表征活性污泥僅利用進水中碳源實現反硝化作用的性能,而反硝化潛力可表征在外加充分優質碳源的條件下活性污泥實現反硝化作用的最佳效果,兩者對比,可以分析研究進水碳源對反硝化作用的影響。本研究調研了58座污水處理廠活性污泥反硝化速率和反硝化潛力,結果如表2(部分廠數據未給出):

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經計算,所調研的58座污水處理廠活性污泥平均反硝化速率僅為1.4 mgNO3--N/gVSS·h,平均反硝化潛力為7.2 mgNO3--N/gVSS·h,而污水處理廠理論反硝化速率為3-5 mgNO3--N/gVSS·h。即污水處理廠普遍存在碳源不足引起的反硝化性能未充分發揮的問題。如何選擇碳源種類和投加點,確定最佳的碳源投加量,對實現污水處理廠反硝化效果提升具有重要意義。

調節碳源優化反硝化案例分析

目前城鎮污水處理廠應用較多的外加碳源主要包括冰醋酸、果糖和乙酸鈉等工業級小分子有機物,也有部分污水處理廠選用葡萄糖、白砂糖,或周邊啤酒廠、食品加工廠所產生的高BOD5/TN廢水。

理論上易降解有機物都可以用作反硝化碳源,但實際運用中,不同的碳源作為電子供體,其對促進反硝化反應作用也不完全一樣,最優投加比也存在一定差異。因此研究選取污水處理廠常用外加碳源冰醋酸、果糖和乙酸鈉,進行碳源比選實驗,尋求最適外加碳源。

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在相同時間內,以乙酸鈉作為碳源活性污泥對NO3--N的去除效果更好,冰醋酸次之,但綜合考慮這兩種碳源的價格及實際反硝化效果,投加冰醋酸的運行費用較低,可選擇冰醋酸做為外加碳源(表3)。

除碳源種類之外,碳源投加位點的選擇,對外加碳源能否被反硝化反應充分利用也具有重要意義。污水處理廠外加碳源主要是用于解決反硝化脫氮問題,因此碳源的投加點主要集中于進水、預缺氧池、厭氧池和缺氧池。本研究以某污水處理廠為研究對象,探討碳源投加點對反硝化脫氮的影響。

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注:設置了如下全流程位點:①進水 ②廠內循環水(污泥處置除臭噴淋水) ③細格柵出水 ④曝氣沉砂池出水 ⑤前缺1廊道⑥前缺2廊道 ⑦厭氧1廊道 ⑧厭氧2廊道 ⑨缺氧1廊道 ⑩缺氧2廊道 ?缺氧3廊道 ?缺氧4廊道 ?好氧1廊道前段 ?好氧1廊道后段 ?好氧2廊道后段 ?好氧3廊道 ?好氧4廊道后段 ?外回流液 ?二沉池出水 ?高效沉淀池出水 ?V型濾池出水

該污水處理廠主體工藝為A2/O,設計進水COD 550 mg/L,但實際進水COD均值僅318.2 mg/L,進水有機負荷較設計值偏低,不利于反硝化脫氮反應。為了具體了解該污水處理工藝的反硝化脫氮性能,對該廠進行生化段沿程硝態氮濃度變化情況分析(圖2)。

該廠在之前的調試運行期間,曾在缺氧池4廊道投加碳源,但硝態氮的去除效果并不明顯,原因是缺氧池4廊道為內回流廊道,DO為0.5 mg/L,內回流液攜帶的溶解氧會消耗優質碳源,為避免外加碳源的無效消耗,將碳源投加位點改為缺氧池1廊道,DO為0.11 mg/L,并進行沿程氮組分分析。

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圖3、圖4分別表示碳源投加點位調整前、后生化段硝態氮濃度變化值。由圖可知,調整碳源投加位點后,脫氮效果得到明顯提升。好氧池末端硝態氮濃度顯著降低至10 mg/L左右,有利于高排放標準下TN的穩定達標排放。

綜上,外加碳源的種類、投加點位對反硝化脫氮具有較大的影響。

(1)本研究所選擇的三種碳源中,乙酸鈉效果最好,價格也較為適中,可優先考慮做為外加碳源使用。但每個污水處理廠實際情況不一樣,應根據實際情況選擇對應的外加碳源,也可考慮接入周邊高BOD5/TN廢水,實現物質的再循環利用;

(2)投加位點建議以高硝態氮、低DO、攪拌效果好為選擇原則。

內回流比對脫氮的影響及優化

內回流量過大或不足均影響反硝化脫氮性能

內回流一般指傳統A2/O(圖5)工藝中將好氧段硝化反應產生的含硝態氮混合液輸送至缺氧段的工藝步驟,其目的是為缺氧段的反硝化反應提供硝態氮,強化反硝化脫氮性能。

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回流比對生化系統的處理效果有著重要的影響,如傳統A2/O工藝中脫氮率與內回流(r)及外回流(R)的關系如下:

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因此,提高內回流比有利于提高脫氮效果。但是,內回流量過大易攜帶大量溶解氧進入缺氧池,影響缺氧環境,同時造成回流泵能耗浪費;而內回流量不足也會導致缺氧段硝態氮含量不足,限制脫氮效率。所以選擇合適的內回流比可以有效強化生物反硝化脫氮性能。

調控內回流比優化反硝化案例分析

某污水處理廠主體工藝為A2/O,存在出水總氮偏高的情況。為了具體了解反硝化脫氮性能,對該廠進行生化段沿程硝態氮濃度分析(圖6-圖7)。

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圖6表示生化段硝態氮濃度值,由圖可知,好氧池回流液回流至內回流點,使得內回流點處存在大量的NO3--N,厭氧池實際為缺氧環境,反硝化脫氮效果明顯。好氧池NO3--N濃度大于缺氧池,可適當提高內回流比來進一步提高脫氮效果。遂將其內回流比由原始的100%提高到200%,并測量其沿程硝態氮變化情況。

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圖7表示工藝調整前后生化池沿程硝態氮濃度變化趨勢,由圖可知,6月28日測出二沉池出水硝態氮濃度僅為9.2 mg/L,低于6月27日工藝調整后的11.43 mg/L和6月25日工藝調整前的13.6 mg/L。而且工藝調整后二沉池出水硝態氮濃度也有明顯下降,表明內回流的提高有助于硝態氮的去除,保障出水TN的達標排放。

在實際運行中,好氧池硝態氮濃度較高,缺氧段硝態氮濃度卻較低,適當提高內回流比可以有效提高反硝化脫氮效率。因此建議污水處理廠:

(1)安裝內回流泵時留有余量,方便調節;

(2)污水處理廠運行過程中可將缺氧末端和好氧末端的硝態氮納入日常檢測指標范圍,定期檢測,及時調整內回流比,強化反硝化脫氮性能;

(3)提標設計時,可以考慮AAAOAO工藝,提高反硝化脫氮性能。

內回流溶解氧對脫氮影響及優化

內回流溶解氧過大影響脫氮效果

內回流溶解氧特指傳統A2/O工藝中好氧池到缺氧池的內回流液中攜帶的單質氧分子。因為反硝化菌是兼性菌,根據游離氧(O2)和硝酸鹽(NO3-)作為電子受體的氧化產能數據,以O2作為電子受體的產能約為NO3-的1.2倍,所以當池中含有溶解氧時,微生物會優先選擇游離氧作為碳源有機物氧化的電子受體。

城鎮污水處理廠缺氧池的溶解氧主要來源于內回流混合液挾帶。基于此建立碳源不足情況下,內回流混合液挾氧對缺氧池反硝化脫氮影響的理論預測模型,公式如下:

△TN=0.35·k·r·DO內回流/100

其中:△TN—內回流挾氧導致污水系統TN去除量降低值,mg/L;

0.35—O2對NO3--N去除影響的當量系數,mgNO3--N/mgO2;

k—影響常量,根據模擬實驗,工程中可取1.2~1.4;

r—內回流比,%;

DO內回流—內回流混合液進入缺氧池時的DO值,mg/L。

降低內回流溶解氧優化反硝化案例分析

某污水處理廠主體工藝為A2/O+MBR工藝(圖8,MBR指膜生物反應器)。設計出水優于國家一級A標準。

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該廠內回流由膜池直接回流至缺氧池,經現場實測膜池溶解氧一般大于7 mg/L,因此膜池直接回流至缺氧池會攜帶大量溶解氧而影響缺氧池進行反硝化。

為研究高溶解氧回流對缺氧反硝化的影響,設計降低溶解氧條件下硝態氮濃度變化測定。實驗結果如下:

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圖9表示不同內回流DO條件下缺氧反硝化硝態氮濃度變化。高溶解氧條件下,即初始溶解氧為7 mg/L時,在實驗前10 min內NO3--N有上升的現象,而后NO3--N開始下降,下降量為1.4 mg/L。降低溶解氧后,即初始溶解氧控制為3 mg/L時,在實驗初始階段NO3--N基本保持恒定,而后NO3--N開始下降,下降量為3.2 mg/L。

實驗結果表明,高溶解氧對反硝化影響較大,降低內回流溶解氧可以有效提高NO3--N降解量,可提高1.8 mg/L的NO3--N降解量。

通過內回流將好氧池高硝態氮輸送至缺氧段,可以進一步挖掘脫氮潛力。針對回流液中溶解氧問題,建議污水處理廠:

(1)可以將好氧池設計為梯度曝氣結構,降低內回流液中溶解氧溶度;

(2)在好氧池內通過增設隔墻,分割獨立出消氧區,內回流液經過消氧區后輸送至缺氧區。

攪拌對脫氮影響及優化

攪拌不均勻或強度不夠導致污泥沉積和泥水分離

活性污泥法處理污水過程中,如何使活性污泥與水體混合接觸是提高處理效果的關鍵因素之一。但本研究在實際調查中發現,部分出水總氮存在超標風險的污水處理廠存在攪拌不均勻或攪拌強度、范圍不夠等情況,以致出現污泥沉積、泥水分離現象。

改善攪拌條件優化反硝化案例分析

對某SBR工藝污水處理廠調研發現該廠進水階段出現嚴重泥水分層現象,采樣進行模擬攪拌實驗。

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圖10為模擬不同攪拌條件下硝態氮濃度變化情況圖。攪拌不充分的情況下,反硝化性能明顯降低,2 h的反應時間內,硝態氮只降低了9.3 mg/L,而充分攪拌情況下,1 h的反應時間內,硝態氮即可降低25.8 mg/L。而充分攪拌的情況下,可以使污水和活性污泥充分接觸,從而提高反硝化效果。

建議污水處理廠可通過以下途徑改善攪拌效果:

(1)設計時,選擇合理的攪拌推流器型號,有條件者建議進行水力模擬實驗確定;

(2)保障攪拌器正常運行。

建議

針對在調研中發現的污水處理廠影響反硝化效果的主要影響因素:碳源、內回流比、內回流溶解氧和攪拌,在高排放標準下,提出如下建議:

(1)碳源投加可通過選擇合適的碳源種類和碳源投加點位實現優化。

(2)內回流比可通過日常檢測生化池硝態氮濃度及時調整內回流比來實現優化。

(3)內回流溶解氧可通過在好氧池末端設立隔離消氧區降低回流液的DO值來實現優化。

(4)攪拌可通過選擇合理的攪拌推流器并保證其正常有效運行來實現優化。

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