多级AO工艺短程硝化反硝化的启动与运行调控

鲍任兵,徐 健,张云志,夏 娜,蔡世颜,杜 敬,万年红

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北武汉 430010;2.武汉市城市排水发展有限公司,湖北武汉 430070)

在我国中部和南部地区,由于存在污水收集率不高、排水管道入渗、雨污混流等问题,污水处理厂普遍存在进水碳氮比(C/N)较低的情况[1-2],导致TN去除率不高,很难达到日益严苛的出水TN要求(TN质量浓度≤10 mg/L或8 mg/L)。以一级A为出水标准(TN质量浓度≤15 mg/L)的污水处理厂在提标改造时,通常采用外加碳源或新建深度脱氮单元来实现更低的出水TN;而在用地较为紧张的时候,外加碳源似乎成为了最为简单的首选方案,但这不可避免地增加了污水处理厂的运行成本,也对日常调控带来了更大的挑战[3]。如何响应“碳中和”和“碳达峰”的目标要求,进一步探索更为绿色、节能的污水处理工艺及优化调控策略,成为了当今行业技术发展的新命题。

鉴于两种工艺在低C/N下的处理优势,本研究通过将多级AO工艺作为SND的反应主体,并引入微氧曝气、多点进水[10]等定量优化控制措施,旨在将多段AO单元的中部实现SND反应控制,并利用后段好氧区保证出水氨氮和TN浓度达标,以探究实现多级AO-SND的关键触发条件及调控策略,为今后污水处理厂工程设计及生产运行提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 工艺流程

如图1所示,本试验以三级AO为基础,设有多点进水系统,进水可分别进入生化池的厌氧区、缺氧1区、缺氧2区和缺氧3区,进水分配比可根据需要进行灵活调整。二沉池的回流污泥先进入污泥再生池,经过微曝气再生后进入厌氧区。

图1 多级AO工艺流程Fig.1 Process Flow of Multi-Stage AO

1.2 试验方法

(1)设计参数

本试验处理规模为0.15 m3/h,主要由生化池和二沉池组成。如图2所示,本试验装置生化池尺寸(长×宽×高)为2.0 m×1.3 m×1.3 m,有效容积为2.6 m3,试验装置总水力停留时间(HRT)为19.1 h。生化池共分为7个区域,污水依次通过厌氧区、缺氧1区、好氧1区、缺氧2区、好氧2区、缺氧3区、好氧3区。本试验装置各段AO区容积比采用2∶3,HRT依次为1.2、1.2、3.5、2.9、4.4、2.4、3.5 h。二沉池采用中进周出式圆形沉淀池,直径为0.8 m。

图2 生化池试验装置Fig.2 Test Device of Biochemical Tank

(2)污泥接种

本试验装置活性污泥取自厂区生化池内,经一周时间稳定后试验装置内污泥浓度达到稳定,沉降性能良好,混合液悬浮固体质量浓度(MLSS)为3 000 mg/L左右。

(3)试验方案

试验分为多级AO工艺启动阶段和优化运行阶段(SND启动、进水分配试验)。

1.3 试验原水

试验原水取自某污水处理厂沉砂池出水,水质数据如表1所示。本试验污水C/N(BOD5/TN)在1.4～1.8,而根据《室外排水设计标准》(GB 50014—2021),C/N(BOD5/TKN)宜大于4,可见进水中的有机碳源严重不足,需要重点关注缺氧区反硝化的实现条件,尽量减小好氧区的无效碳源损耗。

表1 试验原水水质Tab.1 Raw Water Quality in Test

1.4 检测指标及分析方法

(1)检测指标

(1)

(3)SND贡献率分析

(2)

其中:η——SND贡献率;

ΔCN——进出水TN质量浓度差,mg/L。

2 结果与讨论

2.1 多级AO工艺启动

中试装置经两周启动,出水CODCr、BOD5、SS、TN、氨氮能稳定达到一级A排放标准。其中,出水CODCr和氨氮均能达到地表Ⅳ类水质标准,去除率分别稳定达到80%和90%以上;出水TN质量浓度位于13 mg/L左右,去除率为50%左右;而出水TP质量浓度在启动末期位于0.5 mg/L左右,还不能稳定达标。本试验阶段进水BOD5质量浓度为53～75 mg/L,BOD5/TN为2.59～2.76,进水碳源不足,导致TN去除率不高。

2.2 运行优化试验

(1)SND启动

图3 各反应区DO浓度变化Fig.3 Dissolved Oxygen Change in Each Reaction Area

图4 各反应段污泥浓度变化Fig.4 Variation of Sludge Concentration in Each Reaction Section

(2)进水分配试验

进水分配比是多级AO工艺的重要运行参数,其调整将对生化反应产生较大影响,并直接影响出水水质。本试验多级AO工艺共设置有4个进水点:厌氧区、缺氧1区、缺氧2区和缺氧3区。为探究进水分配比对多级AO工艺的出水水质影响,本试验将进水分配比设为40%∶20%∶20%∶20%(工况1)(与初始阶段一致)、30%∶20%∶30%∶20%(工况2)、30%∶10%∶30%∶30%(工况3)。

本试验期间水温由启动阶段的19 ℃左右逐渐降低至15 ℃以下,MLSS在5 000 mg/L左右。如图5所示,各项污染物指标均保持了较好的去除效果,其中,出水CODCr和氨氮显著能稳定达到地表水Ⅳ类标准;TN去除率由50.42%提高至57.17%,TP去除率由84.10%提高至91.22%,均能达到优于一级A排放标准。

图5 各进水分配下主要污染物去除性能Fig.5 Removal Performance of Main Pollutants under Each Influent Distribution

图6 各运行工况出水氮成分变化Fig.6 Variation of Nitrogen Composition in Effluent under Various Operation Conditions

2.3 SND过程分析与优化调控

图7 工况2和工况3下各反应区氮组分浓度变化Fig.7 Variation of Nitrogen Component Concentration in Each Reaction Area in Working Condition 2 and 3

然而,工况3下出水TN去除率较低,整体反硝化程度不足。进一步对工况3情况下的各反应区CODCr、氨氮和DO进行检测,发现好氧2区内CODCr和氨氮质量浓度分别为27 mg/L和0.3 mg/L左右,而出水却较差,好氧2区和好氧3区内DO质量浓度分别为2.2 mg/L和2.5 mg/L,说明好氧2区内有机物氧化和硝化反应较完全,而好氧3区由于进水比例增大,氧化反应不够充分。通过调整阀门进一步优化曝气量控制,将好氧2区内DO质量浓度控制在1.0～1.5 mg/L,将好氧3区内DO质量浓度控制在2.8～3.0 mg/L,出水TN去除率提高至60%左右。

在保证出水CODCr和氨氮高去除率的基础上,工况3下气水比为3.5∶1,相较于启动阶段(4∶1)所需的曝气量减小了12.5%左右。如表2所示,工况2和3运行条件实现了在更低的BOD5/TN进水条件下较高的TN去除率。ΔBOD5/ΔTN反映在去除相同TN情况下的有机碳源需求量,通过计算工况3相较于启动阶段,可节省碳源量为20%左右,也即在相同的进水水质条件下,采用工况3运行可提升约27%的TN去除率。

表2 各工况下进水碳源及TN去除性能对比Tab.2 Comparison of Influent Carbon Source and TN Removal Performance in Each Working Condition

3 结论

(1)为强化多级AO工艺的脱氮性能,在水温位于14 ℃以上时,可采用微氧环境运行,使好氧1区和好氧2区DO质量浓度位于1.5 mg/L左右,好氧3区DO质量浓度位于2.0 mg/L左右,并尽量降低厌氧和缺氧区DO;增大MLSS,使好氧3区MLSS增大到4 000 mg/L以上;增设污泥再生区,控制低溶氧曝气(DO质量浓度=0.2～0.5 mg/L),增强污泥活性。

(2)在进水BOD5/TN为2.59～2.76下,多级AO工艺通过多点进水方式可有效提高TN和TP去除性能。在水温为14 ℃、进水TN质量浓度为25 mg/L左右下,进水分配比设为30%∶20%∶30%∶20%时,TN去除率最高;对于TP的去除情况,随着第一段AAO的进水分配比的减小,去除率略有下降,但总体上去除率较为稳定,控制第一段AAO进水分配比为50%～60%的条件下,出水TP质量浓度能稳定达到0.3 mg/L左右。

(3)当水温低于15 ℃时,可通过提高pH值达到7.5以上,MLSS为4 000～5 000 mg/L,实现多级AO工艺的SND快速启动;当水温低于12 ℃时,在低温条件下微氧条件运行有氨氮超标风险,不适宜采用SND方式运行。

(4)进水分配比为30%∶10%∶30%∶30%,好氧2区内DO质量浓度控制在1.0～1.5 mg/L,将好氧3区内DO质量浓度控制在2.8～3.0 mg/L,实现了较高的SND反应发生,占全部脱氮量的23%左右,降低了12.5%的曝气量和20%的碳源需求,能有效降低运行成本,实现水质进一步提升。