楊志宏 孫進才 陳宏平

(1.山西正陽污水凈化有限公司，山西 晉中 030600； 2.太原理工大學環(huán)境科學與工程學院，山西 晉中 030600)

0 引言

我國城市污水排放標準不斷提高[1,2]，污水廠新建及提標改造采用Bardenpho工藝的工程實例日益增多[3-5]。由于其生化池功能分區(qū)多，運行干擾因素多，各分區(qū)對氮、磷的專項作用效果變化復雜。晉中市正陽污水廠新建三期工程采用Bardenpho+深度處理工藝，部分出水經(jīng)深度處理后回用于電廠及城市雜用，不回用部分經(jīng)Bardenpho工藝處理后按準Ⅴ類標準直接排放。試運行期間出水COD，NH3-N逐步趨于穩(wěn)定達標，TN，TP存在波動。為掌握生化池各功能區(qū)對氮、磷生物專項作用的真實效果，精準定位出現(xiàn)的問題，沿程布點監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)及小試結(jié)果揭示了一個Bardenpho工藝污水廠在處理城市污水時各功能區(qū)對氮、磷生化作用的真實效果，為現(xiàn)有工程在運行中應對脫氮除磷效果不穩(wěn)定的問題、有預見性的調(diào)整運行參數(shù)和節(jié)能降耗提供依據(jù)[6,7]。針對運行中發(fā)現(xiàn)的工藝自身缺陷與不足，從設計角度對Bardenpho工藝提出改進和優(yōu)化建議。

1 工程概況及監(jiān)測點分布

正陽污水廠新建Bardenpho工藝系統(tǒng)設計處理能力5萬m3/d，由前處理、生化處理和深度處理三部分組成。其中生化系統(tǒng)的功能分區(qū)依次為選擇區(qū)、厭氧區(qū)、前缺氧區(qū)、前好氧區(qū)、后缺氧區(qū)、后好氧區(qū)、二沉池，設計水力停留時間分別為0.4 h，1.0 h，9.4 h，9.5 h，3.2 h，1.5 h，4.2 h，其中生化池的水力停留時間合計為25 h，外碳源在厭氧區(qū)及前、后缺氧區(qū)均可投加。前處理為粗細格柵、曝氣沉砂池，深度處理為高密度沉淀池、V型濾池。三期工程設兩個系列平行運行，將其中一個系列的生化池作為監(jiān)測對象沿程布點取樣，并根據(jù)需要試驗性的調(diào)整運行參數(shù)驗證改進方案的實施效果，另一個系列作為對照系列常規(guī)運行。監(jiān)測系列生化池平面及取樣點如圖1所示。

2 厭氧釋磷及缺氧反硝化小試裝置

500 mL燒杯，六聯(lián)磁力攪拌器。

3 分析項目及檢測方法

4 結(jié)果及討論

監(jiān)測在2019年進行，每組數(shù)據(jù)重復取樣間隔最小為24 h。監(jiān)測期間進水水質(zhì)及運行參數(shù)見表1。

表1 監(jiān)測期間進水水質(zhì)

MLSS 4 900 mg/L～8 790 mg/L，MLVSS 1 660 mg/L～3 615 mg/L；SRT 15 d左右。處理水量39 342 m3/d～52 002 m3/d，實際生化池水力停留時間23 h～31 h；進水70%進選擇區(qū)、30%進厭氧區(qū)；硝化液回流比250%～300%；污泥回流比100%～150%，回流污泥可多點進入生化池，實際運行全部進入選擇區(qū)；在生化池出水堰跌水處投加PFS除磷，投加量72 mg/L。常規(guī)運行補充碳源為液體乙酸鈉，在前缺氧區(qū)第一廊道進口投加，投加量相當于補充COD 120 mg/L。

4.1 磷的去除功能

4.1.1 厭氧區(qū)釋磷

7月18日～7月31日對厭氧區(qū)進、出口TP進行了11次重復監(jiān)測，結(jié)果見圖2。進、出口TP平均值分別為1.13 mg/L，1.05 mg/L，出口比進口最高高出0.64 mg/L，最低時低0.35 mg/L，沒有釋磷現(xiàn)象。

4.1.2 生化池磷的去除效果

二次監(jiān)測厭氧區(qū)釋磷效果的同時，也分別對生化池進水及末端TP進行了連續(xù)監(jiān)測，結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出，第一次監(jiān)測期間，進水TP平均值5.32 mg/L，最高7.68 mg/L，最低4.08 mg/L；出水TP平均值0.63 mg/L，最高0.86 mg/L，最低0.40 mg/L，平均去除4.69 mg/L。第二次監(jiān)測期間進水TP平均值7.35 mg/L，最高14.18 mg/L，最低4.00 mg/L；出水TP平均值0.37 mg/L,最高0.67 mg/L，最低0.10 mg/L，平均去除6.98 mg/L。

出水TP取樣點在PFS投加點之前，其平均值接近排放標準。但投加PFS后的二沉池出水不能穩(wěn)定達標，兩個系列出水均改由深度處理后排放，并于10月17日停止在生化池出水口處投加PFS。停止投藥的前15 d，兩個系列生化池出水TP平均值分別為0.33 mg/L，0.42 mg/L。15 d后TP均開始上升，之后5次重復監(jiān)測的平均值分別為0.95 mg/L，1.06 mg/L，且18 d后的TP急劇升高。

11月25日～12月6日對未加PFS 15 d以上的生化池TP沿程變化進行了6次重復監(jiān)測，平均值見圖6。TP總體呈緩慢下降趨勢，平均去除0.22 mg/L，沒有明顯的釋磷、吸磷現(xiàn)象。說明投加PFS期間生化池TP的減少并非由生物作用去除的，而是生化池末端取樣點之后投加的PFS隨回流污泥進入生化池后與磷發(fā)生化學作用的結(jié)果。由于PFS余量在污泥中長期積累，生化系統(tǒng)停止加藥一段時間后其出水TP仍然較低。原有污泥逐漸被不含PFS的新生污泥取代后，化學除磷效果也相應變差。經(jīng)過一個泥齡期，含PFS的污泥全部被置換出系統(tǒng)，出水TP即迅速升高[14-16]。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，生化池磷的去除主要依靠生化池出水中投加的PFS隨回流污泥返回后，利用化學作用完成。依靠化學作用在生化池除磷，出水可以達標，但因水質(zhì)波動偶有超標現(xiàn)象。

4.2 氮的去除

4.2.1 硝化

由圖7可以看出，NH3-N在前缺氧區(qū)、前好氧區(qū)1廊道～3廊道下降明顯。前缺氧區(qū)下降的原因是回流硝化液的稀釋作用，是一個驟降的過程，在回流硝化液與厭氧區(qū)出水完全混合后即完成，前好氧區(qū)1廊道～4廊道末下降的原因則是硝化作用的結(jié)果。由于第1廊道內(nèi)COD的濃度較高，異養(yǎng)菌降解COD與硝化菌爭奪氧氣，對硝化菌有抑制作用[17]，因而硝化速率相對較慢。進入第2廊道的混合液中COD已經(jīng)被降解殆盡，硝化菌開始發(fā)揮作用。2廊道、3廊道內(nèi)的硝化速率為0.001 3 g NH3-N /(gVSS·d)，明顯高于第1廊道的0.000 7 g NH3-N/(gVSS·d)。NH3-N在第3廊道末端已經(jīng)降解至2 mg/L以下，COD也降至30 mg/L，均滿足排放標準。前好氧區(qū)曝氣系統(tǒng)的供氧速率為1.65 mg O2/(L·min)。NH3-N在后缺氧區(qū)、后好氧區(qū)的下降平均值分別為0.05 mg/L，0.07 mg/L。

由NH3-N的沿程變化可知，生化池供氧速率高，硝化功能強，硝化效果穩(wěn)定。

4.2.2 反硝化

4.3 脫氮除磷運行方案及Bardenpho工藝評價

4.3.1 生物除磷與化學除磷的選擇

所監(jiān)測的Bardenpho工藝生化池只有化學除磷作用，沒有生物除磷作用，并非預期的生物除磷為主、化學除磷為輔的運行狀態(tài)，碳源不足、絮凝劑對生物除磷的抑制作用都會成為導致生物除磷作用消失的決定性因素[14]。如果選擇生物作用除磷，首先要在厭氧區(qū)投加乙酸鈉作為補充碳源實現(xiàn)厭氧釋磷，按COD 40 mg/L計，其最少投加量為200 mg/L。所用乙酸鈉的單價為1 400元/t，成本為0.28元/m3。如果利用化學作用除磷，所用聚鐵投加量為72 mg/L，單價為750元/t，成本為0.05元/m3。除經(jīng)濟因素外，運行時生物除磷、生物脫氮二者所要求的泥齡相互沖突，會給運行管理帶來困難，且前期試驗結(jié)果也證明生物除磷達標保證率沒有化學除磷高[19,20]。今后運行，繼續(xù)依靠化學作用除磷。

4.3.2 生物脫氮功能運行調(diào)控

生化池曝氣系統(tǒng)供氧速率高，混合液在前好氧區(qū)的前三個廊道內(nèi)即充分完成了硝化作用，保證NH3-N達標。今后運行擬實施精確曝氣以減少曝氣量，使硝化作用在前好氧區(qū)第四個廊道末完成，節(jié)省能源的同時也減少了回流硝化液和回流污泥中攜帶的DO濃度，減少對厭氧釋磷的影響及反硝化碳源補充量。

前期試驗結(jié)果證明，碳源補充充足時，反硝化作用可在1.5 h內(nèi)完成[21]。實際運行時在后缺氧區(qū)補充碳源不及在前缺氧區(qū)補充碳源的反硝化效果好，其原因是前缺氧區(qū)進水COD濃度高，而后缺氧區(qū)進水COD已經(jīng)低于40 mg/L。前、后缺氧區(qū)同樣補充120 mg/L的乙酸鈉作為碳源，前缺氧區(qū)的碳源滿足反硝化的要求，而后缺氧區(qū)碳源仍然不足。今后運行繼續(xù)在前缺氧區(qū)投加碳源，保證反硝化效果。

4.3.3 工藝自身局限性

Bardenpho工藝同一套污泥系統(tǒng)，由好氧異養(yǎng)菌、硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等四大類細菌共同組成，流經(jīng)不同功能區(qū)時分別在適宜自身環(huán)境條件的分區(qū)內(nèi)發(fā)揮主導作用后即處于受抑制的狀態(tài)，不利于其生物作用的充分發(fā)揮。加之污水廠為了保證出水NH3-N達標，實際運行時優(yōu)先保證污泥系統(tǒng)中自養(yǎng)型硝化菌占比，致使其中的反硝化菌、聚磷菌受到較大程度的抑制。除TN去除效果不穩(wěn)定外，單獨依靠生物除磷作用無法滿足TP的達標要求。利用化學作用輔助除磷，則投加的絮凝劑對生物厭氧釋磷和好氧吸磷均產(chǎn)生抑制，最終導致Bardenpho工藝生物除磷的功能完全喪失。

如果在前好氧區(qū)、后缺氧區(qū)之間增設沉淀池，使前段的厭氧區(qū)、前缺氧區(qū)、前好氧區(qū)與后段的后缺氧區(qū)、后好氧區(qū)的污泥相互獨立，形成前、后段兩個污泥系統(tǒng)，前段以硝化菌為優(yōu)勢菌種，后段以反硝化菌為優(yōu)勢菌種，就可以分別強化前段的硝化作用和后段的反硝化作用，進一步提高TN的去除率。

5 結(jié)語

污水廠在實際運行時很難保持在理論和設計方案描述的理想狀態(tài)，如何最大程度的接近和保持在預期的狀態(tài)，是一個重要的研究內(nèi)容。要達到此目的，前提是能夠準確的掌握各處理單元的功能實效，特別是生化池各功能區(qū)專項作用的真實發(fā)揮情況。通過對一個新建Bardenpho工藝污水廠試運行過程的監(jiān)測和小試研究，得到以下結(jié)論：

1)進水缺乏可被聚磷菌有效利用的碳源從而影響厭氧釋磷，致生化池沒有生物除磷的作用，TP依靠投加PFS利用化學作用去除，并非預期的生物除磷作用為主、化學除磷作用為輔。為保證TP穩(wěn)定達標，出水經(jīng)過深度處理后排放，當生化部分出水TP波動時，深度處理可以進一步降低TP值，利用多級屏障的原理提高了達標保證率。

2)生化池曝氣裝置供氧速率高，實控泥齡長，硝化效果良好。污泥中硝化菌的比例相對高，反硝化菌、聚磷菌受抑制程度較大，TN去除效果也受到影響，運行時需要補充碳源保證反硝化效果。由于前缺氧區(qū)進水COD高，可被反硝化菌利用的碳源多，在前缺氧區(qū)投加碳源實現(xiàn)反硝化的效果優(yōu)于后缺氧區(qū)投加碳源。

3)Bardenpho工藝用同一套污泥系統(tǒng)在不同的功能區(qū)分別發(fā)揮不同的生物作用，好氧異養(yǎng)菌、硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等在非主導功能區(qū)處于受抑制狀態(tài)，不能充分發(fā)揮各自的作用。如果在前好氧區(qū)、后缺氧區(qū)之間增設沉淀池，使生化池形成前、后段兩個污泥系統(tǒng)，就可以分別強化前段的硝化作用和后段的反硝化作用。