趙俊娜

（滄州市供水排水集團(tuán)有限公司，河北 滄州 061000）

0 引言

活性污泥法中的AAO 工藝具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠得到廣泛應(yīng)用[1-2]。然而現(xiàn)在很多城市存在污水廠進(jìn)水碳氮比較低的問(wèn)題，導(dǎo)致污水脫氮除磷效果較差，往往需要額外投加碳源和除磷劑來(lái)實(shí)現(xiàn)出水達(dá)標(biāo)排放[3-5]。且隨著水污染問(wèn)題的日益突出，污水廠氮、磷排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，國(guó)家對(duì)污水廠排水的監(jiān)管和處罰力度日趨嚴(yán)格，污水廠運(yùn)行成本和運(yùn)行壓力不斷增加。為此，提高脫氮除磷效率，保證出水總氮和總磷指標(biāo)達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)降低運(yùn)行成本對(duì)于污水廠運(yùn)行具有重要意義。目前有很多學(xué)者針對(duì)AAO 工藝脫氮除磷進(jìn)行了優(yōu)化研究，但是很少有針對(duì)實(shí)際低碳氮比城市污水廠在不同碳源和除磷劑投加情況下的脫氮除磷規(guī)律特性進(jìn)行研究。鑒于此，筆者以滄州市某污水廠為研究對(duì)象，分析了其在不同碳源和除磷劑投加情況下的脫氮除磷特性，旨在為污水廠的生產(chǎn)運(yùn)行提供理論參考和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 污水廠概況

滄州市某污水廠一期工程設(shè)計(jì)處理規(guī)模為6 萬(wàn)m3/d，主體采用 “AAO”+“折板絮凝”+“斜管沉淀”+“V型濾池” 處理工藝，厭氧池、缺氧池和好氧池停留時(shí)間分別為1.50，5.89，8.00 h，其中缺氧池設(shè)有預(yù)曝氣區(qū)，停留時(shí)間為0.76 h。試驗(yàn)期間該廠處理水量為5～6 萬(wàn)m3/d，污泥質(zhì)量濃度為4 000～5 000 mg/L，內(nèi)回流比約為200%，外回流比約為100%，好氧池溶解氧質(zhì)量濃度控制在2～3 mg/L，其中污泥濃度的調(diào)控通過(guò)調(diào)整剩余污泥排放量和外回流比實(shí)現(xiàn)，溶解氧的調(diào)控通過(guò)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量實(shí)現(xiàn)。污水廠進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為200～300 mg/L，進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為60～70 mg/L，進(jìn)水總氮質(zhì)量濃度為70～80 mg/L，進(jìn)水總磷質(zhì)量濃度為5～6 mg/L，進(jìn)水ρ（C）/ρ（N）為3～3.5，屬于典型的低碳氮比污水。運(yùn)行中需要額外投加碳源和除磷劑，采用25%的乙酸鈉作為復(fù)合碳源，COD 質(zhì)量濃度約25 萬(wàn)mg/L，除磷劑采用全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%的液態(tài)聚合硫酸鐵，除磷劑在深度處理單元投加時(shí)會(huì)產(chǎn)生化學(xué)沉淀污泥，需要對(duì)沉淀池底部污泥進(jìn)行排泥，運(yùn)行中每隔8 h進(jìn)行一次排泥，每次排泥時(shí)間10 s。污水處理工藝流程見圖1。

圖1 污水處理廠工藝流程

1.2 試驗(yàn)方法

該廠碳源投加點(diǎn)位有厭氧池進(jìn)口端和缺氧池進(jìn)口端，除磷劑投加點(diǎn)位有生化池末端和深度工藝段反應(yīng)池進(jìn)口端，通過(guò)調(diào)控不同碳源和除磷劑投加點(diǎn)位，考察不同運(yùn)行工況下污水脫氮除磷效果；該廠生化池缺氧池末端及好氧池末端安裝有哈希硝酸鹽在線監(jiān)測(cè)儀，可實(shí)時(shí)檢測(cè)硝酸鹽氮數(shù)值，通過(guò)調(diào)控碳源投加量，同時(shí)監(jiān)測(cè)缺氧池和好氧池出口硝酸鹽氮，總結(jié)生化池碳源投加調(diào)控策略；該廠缺氧池末端至好氧池入口端設(shè)有一部分預(yù)曝氣區(qū)域，可以調(diào)控該部分曝氣設(shè)備開停，通過(guò)調(diào)控缺氧池曝氣設(shè)備及處理水量，考察缺氧池停留時(shí)間對(duì)脫氮效果的影響，建立該曝氣設(shè)備在不同季節(jié)的開停策略。

1.3 分析項(xiàng)目及方法

水質(zhì)分析方法參照《水與廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第4版）進(jìn)行，主要檢測(cè)COD、氨氮、總氮、總磷、硝酸鹽氮和磷酸鹽等指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生化池沿程污水處理效果

生化系統(tǒng)全流程分析是掌握工藝處理效果的重要方法，取AAO 工藝不同工藝段水樣進(jìn)行氮、磷及COD 指標(biāo)的檢測(cè)分析，取樣期間除磷劑長(zhǎng)期投加于生化池出口，投加量約為80 mg/L，碳源投加于缺氧池進(jìn)口，投加量約為400 mg/L，取樣期間進(jìn)水水質(zhì)及工藝運(yùn)行情況較為穩(wěn)定。各工藝單元出水水質(zhì)質(zhì)量濃度變化情況見圖2。

圖2 生化池沿程污染物指標(biāo)質(zhì)量濃度變化

由圖2 可以看出，厭氧池進(jìn)口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸鹽質(zhì)量濃度分別為1.15，1.68，0.42 和0.19 mg/L，厭氧池有輕微的厭氧釋磷現(xiàn)象，好氧段有輕微的好氧吸磷現(xiàn)象，磷酸鹽指標(biāo)的變化說(shuō)明在生化池投加除磷導(dǎo)致生物除磷效果大大降低；厭氧池進(jìn)口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的氨氮質(zhì)量濃度分別為27.6，28.2，13.3和0.38 mg/L，在厭氧區(qū)氨氮濃度變化很小，在缺氧區(qū)氨氮濃度大幅降低，分析原因是由低氨氮濃度的硝化液回流稀釋造成，好氧區(qū)氨氮通過(guò)硝化作用得到去除；厭氧池進(jìn)口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的硝酸鹽氮質(zhì)量濃度分別為1.87，1.43，1.78和11.4 mg/L，在厭氧池發(fā)生部分反硝化作用，硝酸鹽氮濃度略有降低，在缺氧池進(jìn)行反硝化將硝化液回流回來(lái)的硝態(tài)氮去除，缺氧池去除的硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為6.42 mg/L，好氧池進(jìn)行硝化反應(yīng)，氨氮濃度降低，硝酸鹽氮濃度上升；厭氧池進(jìn)口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的COD 質(zhì)量濃度分別為84，67，6 和24 mg/L，厭氧區(qū)進(jìn)行釋磷和反硝化消耗掉17 mg/L 的COD，缺氧區(qū)反硝化利用11 mg/L的COD，剩余COD 在好氧區(qū)通過(guò)曝氣部分去除。

2.2 除磷調(diào)控策略研究

上述研究中看到生物除磷效果較差，為進(jìn)一步了解碳源和除磷劑對(duì)生物除磷的影響，分別考察了在不同點(diǎn)位投加碳源和除磷劑時(shí)生化池沿程磷酸鹽濃度變化及運(yùn)行成本情況，運(yùn)行工況下生化池沿程磷酸鹽濃度變化見圖3，運(yùn)行工況見表1。工況一生化池除磷劑投加量為0 ，碳源投加量為452mg/L；工況二生化池除磷劑投加量為0，碳源投加量為499 mg/L；工況三除磷劑投加量為84 mg/L，碳源投加量為472 mg/L；工況四除磷劑投加量為139 mg/L，碳源投加量為438 mg/L。

表1 生化池藥劑投加情況

圖3 不同運(yùn)行工況下生化池沿程磷酸鹽質(zhì)量濃度變化

由圖3 可以看出，工況一，即生化池不投加除磷劑且碳源投加在缺氧池的情況下，厭氧池進(jìn)口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸鹽質(zhì)量濃度分別為6.27，8.66，7.66 和2.08 mg/L，厭氧池有2.39 mg/L 的釋磷量，缺氧池磷酸鹽減少1.00 mg/L，好氧吸磷后剩余磷酸鹽質(zhì)量濃度為2.08 mg/L，該工況下生化池出水磷酸鹽達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)；工況二，即生化池不投加除磷劑且碳源投加在厭氧池的情況下，生化池厭氧池進(jìn)口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸鹽質(zhì)量濃度分別為4.67，27.6，4.38，0.13 mg/L，厭氧池有明顯的釋磷現(xiàn)象，釋磷量達(dá)到22.9 mg/L，缺氧池磷酸鹽質(zhì)量濃度降低了23.2 mg/L，分析原因一方面是內(nèi)回流回來(lái)的混合液中磷酸鹽濃度較低，稀釋了進(jìn)入缺氧段的磷酸鹽濃度，另一方面是缺氧段發(fā)生了反硝化除磷現(xiàn)象，在缺氧段反硝化除磷菌以好氧段回流回來(lái)的硝態(tài)氮作為電子受體，實(shí)現(xiàn)同步反硝化脫氮和過(guò)量吸磷的目的，經(jīng)核算缺氧池反硝化除磷量為4.91 mg/L，去除率為52.8%，吳春英[6]的研究中，反硝化除磷效果可分別達(dá)60%和86.4%；工況三，即生化池投加除磷劑且厭氧池投加碳源的情況下，生化池厭氧池進(jìn)口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸鹽質(zhì)量濃度分別為4.88，17.9，1.76 和0.27 mg/L，厭氧池釋磷量為13.0 mg/L，較工況二大幅降低；工況四，即生化池投加除磷劑且在缺氧池投加碳源的情況下，生化池厭氧池進(jìn)口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸鹽濃度分別為1.15，1.68，0.42 和0.19 mg/L，厭氧池僅有0.53 mg/L 的釋磷量。除工況一外，都能實(shí)現(xiàn)出水總磷的達(dá)標(biāo)排放，且經(jīng)核算工況二、三、四運(yùn)行成本相當(dāng)。

工況一至五對(duì)比表明：①生化池投加除磷劑后降低了厭氧區(qū)釋磷效果，其原因可能是回流污泥中的除磷劑與厭氧區(qū)釋放的磷酸鹽反應(yīng)，從而導(dǎo)致PAOs 的增殖受限，增長(zhǎng)速率降低，使得聚磷菌在污泥中的占比降低，最終影響生物除磷效果[7]；②長(zhǎng)期投加除磷劑會(huì)造成除磷劑一直在生化池循環(huán)利用，具有較好的化學(xué)除磷效果，可實(shí)現(xiàn)生化池出水磷達(dá)標(biāo)，但會(huì)嚴(yán)重影響生物除磷效果；③厭氧區(qū)碳源是否充足直接影響厭氧釋磷效率，當(dāng)有機(jī)物不足時(shí)造成無(wú)效的厭氧釋磷，厭氧區(qū)足夠的碳源是聚磷菌厭氧釋磷的必要條件[8]。黃籌等[9]通過(guò)調(diào)研分析各污水處理廠生物除磷現(xiàn)存的問(wèn)題發(fā)現(xiàn)，碳源、厭氧區(qū)硝態(tài)氮及同步投加化學(xué)除磷藥劑為影響生物除磷效果的三大主要因素。其中，同步化學(xué)除磷為大多數(shù)污水處理廠生物除磷效果較差的主要影響因素，約68%的污水處理廠由于采用了同步化學(xué)除磷工藝而導(dǎo)致生物除磷受到抑制。同時(shí)，由于厭氧區(qū)存在高濃度的硝態(tài)氮，以及進(jìn)水中缺乏優(yōu)質(zhì)碳源而導(dǎo)致生物除磷效果較差的污水處理廠分別占19%和12%；④僅 “厭氧池投加碳源”、“厭氧池投加碳源”+“生化池投加除磷劑” 和 “缺氧池投加碳源”+“生化池投加除磷劑” 3 種運(yùn)行模式均可實(shí)現(xiàn)生化池出水總磷指標(biāo)達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，且運(yùn)行成本相當(dāng)。

2.3 生化池脫氮調(diào)控策略研究

缺氧區(qū)反硝化效果直接影響生化系統(tǒng)總氮處理效果情況，大部分污水廠脫氮反應(yīng)均在生化池發(fā)生，生化池出水的總氮濃度直接決定污水廠總出水總氮濃度。污水廠如果僅根據(jù)生化池出水總氮情況進(jìn)行碳源投加量的調(diào)整可能會(huì)藥劑調(diào)整不及時(shí)的現(xiàn)象，增加出水水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。為此，通過(guò)調(diào)控生化池碳源投加量使缺氧池和好氧池出口硝酸鹽氮處于不同濃度水平，考察了生化池缺氧池出口硝酸鹽氮和好氧池出口硝酸鹽氮的關(guān)系，結(jié)果見圖4。由圖4 可以看出，缺氧池出口和好氧池出口硝酸鹽氮濃度關(guān)系緊密，當(dāng)缺氧池出口硝酸鹽氮質(zhì)量濃度分別為1～2，2～3 和3～4 mg/L 時(shí)，好氧池出口硝酸鹽氮質(zhì)量濃度分別為11～12，12～13 和13～14 mg/L。通過(guò)好氧池出水硝酸鹽氮濃度進(jìn)行碳源投加量的調(diào)控存在較大的滯后性，因此建立缺氧池和好氧池出水硝酸鹽氮濃度變化關(guān)系后，可通過(guò)缺氧池出口硝酸鹽氮濃度變化來(lái)指導(dǎo)缺氧池碳源投加量，實(shí)現(xiàn)碳源的及時(shí)、精確調(diào)控。

圖4 缺氧池出口和好氧池出口硝酸鹽氮濃度關(guān)系

2.4 曝氣區(qū)調(diào)控策略研究

缺氧停留時(shí)間對(duì)反硝化反應(yīng)具有較大影響，好氧停留時(shí)間對(duì)硝化反應(yīng)具有較大影響[10]。該廠缺氧池末端設(shè)有部分預(yù)曝氣系統(tǒng)，該部分曝氣可根據(jù)運(yùn)行需要靈活調(diào)整。通過(guò)改變進(jìn)水量及預(yù)曝氣設(shè)備的開關(guān)，考察了不同缺氧停留時(shí)間的脫氮效果，以進(jìn)一步確定預(yù)曝氣系統(tǒng)的調(diào)控策略，結(jié)果見圖5。

圖5 缺氧池停留時(shí)間對(duì)脫氮效果的影響

由圖5 可以看出，隨著缺氧段停留時(shí)間的延長(zhǎng)，總氮去除率不斷增加，停留時(shí)間由5.4 h 增加至6.7 h時(shí)，對(duì)應(yīng)的總氮去除率由79.0%增加至83.6%。在水溫＜15 ℃時(shí)，硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌活性受到抑制，氨氮去除率明顯降低[11]。因此在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)冬季低溫環(huán)境下細(xì)菌活性降低時(shí)，可開啟預(yù)曝氣以增加好氧段停留時(shí)間或減少進(jìn)水量以增加停留時(shí)間，提高硝化反應(yīng)效果。而當(dāng)夏季氨氮處理效果較好時(shí)，可將預(yù)曝氣關(guān)閉以增加缺氧停留時(shí)間，提高反硝化效果，同時(shí)可節(jié)約大量曝氣能耗。

3 結(jié)論

（1）在進(jìn)水碳氮比較低的情況下，生化池不投加除磷劑且厭氧池不投加碳源時(shí)厭氧釋磷量為2.39 mg/L，厭氧池投加碳源后，釋磷量達(dá)到22.9 mg/L，缺氧池反硝化除磷量為4.91 mg/L，去除率為52.8%，生化池投加除磷劑后厭氧釋磷量降至13.0 mg/L；生化池長(zhǎng)期投加除磷劑且厭氧池不投加碳源的情況下，厭氧釋磷量?jī)H為0.53 mg/L，幾乎沒有厭氧釋磷現(xiàn)象，生化池長(zhǎng)期投加除磷劑對(duì)會(huì)嚴(yán)重影響生物除磷。僅 “厭氧池投加碳源”、“厭氧池投加碳源”+“生化池投加除磷劑” 和 “缺氧池投加碳源”+“生化池投加除磷劑” 3 種運(yùn)行模式均可實(shí)現(xiàn)生化池出水總磷指標(biāo)達(dá)到一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)，且運(yùn)行成本相當(dāng)。

（2）當(dāng)缺氧池出口硝酸鹽氮質(zhì)量濃度分別為1～2，2～3 和3～4 mg/L 時(shí)，好氧池出口硝酸鹽氮濃度分別為11～12，12～13 和13～14 mg/L，污水廠可根據(jù)缺氧池出口硝酸鹽氮指標(biāo)及時(shí)調(diào)整碳源投加量，避免利用好氧池出水或污水廠總出水總氮進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)造成的滯后問(wèn)題。

（3）缺氧池停留時(shí)間由5.4 h 增加至6.7 h 時(shí)，對(duì)應(yīng)的總氮去除率由79.0%增加至83.6%。污水廠可在缺氧池末端或好氧池前端設(shè)置預(yù)曝氣區(qū)域，低溫季節(jié)氨氮指標(biāo)容易出問(wèn)題時(shí)，可開啟該部分曝氣閥門，提高好氧區(qū)停留時(shí)間，以提高硝化效果，為氨氮去除提供保障，高溫季節(jié)時(shí)則可關(guān)閉開部分曝氣區(qū)，提高缺氧池停留時(shí)間，以提高反硝化效果和碳源利用效率，降低碳源藥耗和曝氣能耗。