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高标准排放下市政污水处理厂反硝化脱氮影响因素及优化分析

来源:JIEI创新实验室 作者:李激 人气: 发布时间:2019-08-05 12:20:13

李激,江南大学环境与土木工程学院教授

近年来我国市政污水处理厂出水排放标准愈来愈严格,尤其对于总氮(TN)指标,部分地方要求出水排放标准甚至由原来要求的15 mg/L严格至10 mg/L。本研究结合实际经验与实验验证,探讨实际污水处理厂异养反硝化脱氮过程中主要存在问题及对策,主要分析探讨碳源、内回流比、内回流溶解氧(DO)以及搅拌条件等影响因素,以期为市政污水处理厂高效稳定脱氮提供技术指导。

污水厂反硝化脱氮的主要影响因素

随着我国经济的发展,污水排放量日益增多。污水处理厂数量和处理能力也都在逐年增加,从2009年到2018年底,污水处理厂数量从1958座增加到5362座,处理规模由1.03×108 m3/d提高到2.01×108 m3/d。污水处理厂出水排放标准也在逐渐严格,《城镇污水处理厂污染物排放标准》征求意见稿TN指标设定为10/15 mg/L。部分地区标准甚至要求达到5 mg/L。因此,高效稳定脱氮是目前大部分污水处理厂亟待解决的问题。

我国市政污水处理厂脱氮工艺以生物法为主。经调研,异养反硝化是总氮最终去除的环节,但因各种因素影响,反硝化效果不稳定是多数污水处理厂面临的主要问题。通过对全国58座污水处理厂的全流程工艺诊断分析发现,碳源、内回流比、DO、搅拌等是反硝化脱氮的主要影响因素(表1)。其中碳源是制约反硝化脱氮过程的最主要因素,占比高达85.5%;其次是内回流比,占比16.4%;除此之外,实际运行中DO、搅拌以及一些其他因素也对反硝化脱氮存在一定影响。

表1 58座调研污水处理厂实际反硝化脱氮主要影响因素占比


碳源对反硝化脱氮的影响及优化

碳源不足引起的反硝化性能降低在污水厂中普遍存在

生物脱氮系统中,以小分子有机物为主的碳源是反硝化脱氮的主要电子供体。而实际生物脱氮工艺中,系统中常因可生物降解有机物含量低而导致电子供体相对不足,反硝化脱氮反应不完全。当进水中的碳源不足以为反硝化脱氮过程提供电子供体时,就需补充外加碳源。去除硝态氮所需可利用有机物量常用BOD5/TN表征。为保证反硝化反应的顺利进行必须有充足的碳源提供,据传统的生物反硝化理论,1 mg/L的硝酸盐氮转化为氮气需要消耗的BOD5当量为2.86 mg/L。考虑到生物合成、溶解氧消耗、污泥排放等因素的影响,结合研究与工程经验,一般要求BOD5/TN>4。以太湖流域污水处理厂为例,BOD5/TN比取值范围为3.345-3.468,研究调研了太湖流域城镇污水处理厂2007-2017年进水BOD5/TN数据,结果如图1。

图1 太湖流域城镇污水处理厂2007年-2017年BOD5/TN变化

由实验结果可知,太湖流域城镇污水处理厂的进水的BOD5/TN维持在3.5~4.3左右,平均值为3.87,针对生物脱氮需求,略有不足。不同城市之间,进水BOD5/TN值存在一定差异,南京和镇江城镇污水处理厂进水BOD5/TN较低,在2~3之间,碳源严重不足,需外加碳源促进反硝化脱氮效果,保证出水水质达标。

反硝化速率可表征活性污泥仅利用进水中碳源实现反硝化作用的性能,而反硝化潜力可表征在外加充分优质碳源的条件下活性污泥实现反硝化作用的最佳效果,两者对比,可以分析研究进水碳源对反硝化作用的影响。本研究调研了58座污水处理厂活性污泥反硝化速率和反硝化潜力,结果如表2(部分厂数据未给出):

表2 58座调研污水处理厂反硝化速率和反硝化潜力分布范围

经计算,所调研的58座污水处理厂活性污泥平均反硝化速率仅为1.4 mgNO3--N/gVSS?h,平均反硝化潜力为7.2 mgNO3--N/gVSS?h,而污水处理厂理论反硝化速率为3-5 mgNO3--N/gVSS?h。即污水处理厂普遍存在碳源不足引起的反硝化性能未充分发挥的问题。如何选择碳源种类和投加点,确定最佳的碳源投加量,对实现污水处理厂反硝化效果提升具有重要意义。

调节碳源优化反硝化案例分析

目前城镇污水处理厂应用较多的外加碳源主要包括冰醋酸、果糖和乙酸钠等工业级小分子有机物,也有部分污水处理厂选用葡萄糖、白砂糖,或周边啤酒厂、食品加工厂所产生的高BOD5/TN废水。

理论上易降解有机物都可以用作反硝化碳源,但实际运用中,不同的碳源作为电子供体,其对促进反硝化反应作用也不完全一样,最优投加比也存在一定差异。因此研究选取污水处理厂常用外加碳源冰醋酸、果糖和乙酸钠,进行碳源比选实验,寻求最适外加碳源。

表3 不同碳源投加条件下反硝化潜力

在相同时间内,以乙酸钠作为碳源活性污泥对NO3--N的去除效果更好,冰醋酸次之,但综合考虑这两种碳源的价格及实际反硝化效果,投加冰醋酸的运行费用较低,可选择冰醋酸做为外加碳源(表3)。

除碳源种类之外,碳源投加位点的选择,对外加碳源能否被反硝化反应充分利用也具有重要意义。污水处理厂外加碳源主要是用于解决反硝化脱氮问题,因此碳源的投加点主要集中于进水、预缺氧池、厌氧池和缺氧池。本研究以某污水处理厂为研究对象,探讨碳源投加点对反硝化脱氮的影响。

图2 全流程取样点分布图

注:设置了如下全流程位点:①进水 ②厂内循环水(污泥处置除臭喷淋水) ③细格栅出水 ④曝气沉砂池出水 ⑤前缺1廊道 ⑥前缺2廊道 ⑦厌氧1廊道 ⑧厌氧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型滤池出水

该污水处理厂主体工艺为A2/O,设计进水COD 550 mg/L,但实际进水COD均值仅318.2 mg/L,进水有机负荷较设计值偏低,不利于反硝化脱氮反应。为了具体了解该污水处理工艺的反硝化脱氮性能,对该厂进行生化段沿程硝态氮浓度变化情况分析(图2)。

该厂在之前的调试运行期间,曾在缺氧池4廊道投加碳源,但硝态氮的去除效果并不明显,原因是缺氧池4廊道为内回流廊道,DO为0.5 mg/L,内回流液携带的溶解氧会消耗优质碳源,为避免外加碳源的无效消耗,将碳源投加位点改为缺氧池1廊道,DO为0.11 mg/L,并进行沿程氮组分分析。

图3 未调整碳源投加点生化段硝态氮浓度变化

图4 调整碳源投加点后生化段硝态氮浓度变化

图3、图4分别表示碳源投加点位调整前、后生化段硝态氮浓度变化值。由图可知,调整碳源投加位点后,脱氮效果得到明显提升。好氧池末端硝态氮浓度显著降低至10 mg/L左右,有利于高排放标准下TN的稳定达标排放。

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