案例：提質(zhì)增效對污水處理廠的影響分析
近年來，全國各地開始推進污水提質(zhì)增效工作，隨著截污管網(wǎng)不斷完善和污水提質(zhì)增效的落實，污水處理廠進水濃度發(fā)生了較大變化，或許會對原工藝造成一定的沖擊。以東莞某5萬 m3/d的污水處理廠為例，對提質(zhì)增效后多點進水多段AAO-高效沉淀池-濾布濾池工藝對進水濃度提高的耐沖擊能力進行分析，以期提出提質(zhì)增效后污水處理廠較合理的應對策略。
01.項目概況
東莞市F污水處理廠設計規(guī)模5萬m3/d，總變化系數(shù)1.38，采用多點進水多段AAO-高效沉淀池-濾布濾池-紫外消毒工藝，二期出水標準執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中一級A標準及廣東省地方標準《水污染物排放限值》（DB 44/26-2001）中第二時段一級標準兩者中較嚴值。F污水處理廠所在地區(qū)已基本完成了截污管網(wǎng)及錯混接建設工作，本次研究的核心任務是分析提質(zhì)增效后進水濃度的提高對污水處理廠一級處理、生物池、深度處理單元和污泥脫水系統(tǒng)的影響。
02.提質(zhì)增效對污水處理廠各處理單元的影響
2.1 對一級處理單元的影響
粗格柵及進水泵房主要去除大的漂浮物及懸浮物，保護提升泵運行不受影響，同時完成能量提升。細格柵及旋流沉砂池主要去除更為細小懸浮物、除砂等作用，為污水進入生物池作預處理。因提質(zhì)增效后進水量、水中漂浮物、懸浮物和砂粒等均未發(fā)生明顯變化，故提質(zhì)增效對一級處理單元影響較小。
2.2 對生物池的影響
2.2.1 對 COD和BOD5去除效果分析
F污水處理廠生物池為多點進水多段AAO工藝，進水分成三部分，第一部分進入預缺氧區(qū)，第二部分進入第一缺氧區(qū)、第三部分進入第二缺氧區(qū)。水流依次經(jīng)過預缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、第一缺氧區(qū)、第一好氧區(qū)、脫氣區(qū)、第二缺氧區(qū)、第二好氧區(qū)，設計進、出水濃度如表1所示。設計生物池總停留時間12.48 h，其中預缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、第一缺氧區(qū)、第一好氧區(qū)、脫氣區(qū)、第二缺氧區(qū)、第二好氧區(qū)停留時間分別為0.4 h、1.37 h、2.89 h、5.75 h、0.3 h、0.97 h、 0.8 h，污泥回流比為33%~100%，混合液回流比為100%~300%。
表1污水處理廠進出水濃度
圖1 提質(zhì)增效后COD去除效果
圖2 提質(zhì)增效后BOD5去除效果
分析以上現(xiàn)象主要原因是：多段AAO工藝采用厭氧/缺氧/好氧交替運行的模式，活性污泥中各目標菌種均處于一個“舒適”“惡劣”交替的環(huán)境中，這種“飽食饑餓”模式有利于馴化出更高效的目標菌種，更高效的活性污泥。2.2.2 對脫氮的影響
?。?）氨氮氧化。一般認為氨氮氧化發(fā)生在好氧池內(nèi)，提質(zhì)增效后進水BOD5濃度大幅增加，勢必導致異養(yǎng)菌大量繁殖，從而導致硝化細菌（氨氧化菌AOB和亞硝酸鹽氧化菌NOB）同其競爭DO過程中處于不利地位，如圖3所示。當進水氨氮濃度由24.2 mg/L提高到32.1 mg/L時，好氧池DO在0.3~1.5 mg/L，該值小于設計值2 mg/L。
圖3 提質(zhì)增效后氨氮去除效果
有研究表明，異養(yǎng)菌生長速率大約是自養(yǎng)菌的10倍，DO的不足加之異養(yǎng)好氧菌的大量繁殖，很可能導致出水氨氮不達標。然而，實際出水氨氮較低，氨氮去除率平均值為98.1%。分析主要有以下兩方面原因：一方面提質(zhì)增效后進水氨氮濃度雖大幅提高，但仍在設計范圍內(nèi)；另一方面AOB和NOB最適宜的DO分別為0.2~0.4 mg/L和1.2~1.5 mg/L，好氧池內(nèi)DO雖較低，但能滿足AOB和NOB的需求，反而低DO的環(huán)境恰好成為其同異養(yǎng)好氧菌競爭的有利條件，因此出水氨氮值均小于1 mg/L，平均值為0.53 mg/L。?。?）TN去除。TN的去除一般認為在缺氧池內(nèi)由反硝化細菌完成，本工程采用多點進水多段AAO的工藝，如圖4所示，提質(zhì)增效后進水TN濃度從30 mg/L提高到39.9 mg/L，在未投加碳源的情況下，依然能保證出水TN在10 mg/L以內(nèi)，平均值為7.99 mg/L，去除率在76.6%左右。分析主要原因是多段AAO工藝多點進水的方式保證了反硝化階段有充足的碳源，同時本工程提質(zhì)增效后進水水質(zhì)COD/ρ(TN)=9.45，BOD5/ρ(TN)=4.63，基本上能滿足脫氮所需，同時好氧池內(nèi)DO較低，有低于0.5 mg/L情況，推測可能出現(xiàn)了短程硝化-反硝化的脫氮途徑，該途徑也可解決缺氧池碳源不足的問題，對于該現(xiàn)象有待進一步研究。
圖4 提質(zhì)增效后TN去除效果
綜上所述，多點進水、多段AAO工藝對提質(zhì)增效后進水氨氮和TN濃度的增加，仍有較好脫氮效果，出水TN和氨氮的平均值分別為7.99 mg/L和0.53 mg/L。?。?）活性污泥性能分析。因進水BOD5增加，導致生物池內(nèi)污泥濃度增加，生物池污泥濃度設計值為3 500~4 000 mg/L，BOD5污泥負荷為0.10 kgBOD5/（kgSS·d），提質(zhì)增效后經(jīng)測定生物池內(nèi)MLSS平均值為4 300 mg/L，BOD5污泥負荷為0.127 kgBOD5/(kgSS·d)。郝二成等指出低DO、低污泥負荷容易容易引起污泥膨脹，萬玉山等對蘇南某鎮(zhèn) 1.5萬m3/d污水處理廠進行研究，當生物池污泥負荷為 0.5 kgCOD/(kgMLSS·d)，DO為1.5 mg/L時，SVI 值接近300 mL/g，發(fā)生了污泥膨脹。而F污水處理廠生物池采用0.26 kgCOD/(kgMLSS·d)更低的污泥負荷，好氧池DO更低，約為0.3~1.5 mg/L卻未發(fā)生污泥膨脹，SVI如圖5所示平均值為100.5 mL/g，分析主要是多段AAO工藝厭氧/缺氧/好氧交替運行的環(huán)境，有助于對絲狀菌抑制，能在較低DO、較低污泥負荷下不引起污泥膨脹。
圖5 提質(zhì)增效后SVI變化
（4）提質(zhì)增效對曝氣系統(tǒng)的影響。污水處理廠曝氣能耗占整個廠區(qū)能耗的比例很大，沈曉鈴等對2.5萬m3/d無錫市惠山污水處理廠三期工程進行分析，結(jié)果表明鼓風機耗電量占全廠電耗的43.39%。對F污水處理廠而言，若保證2 mg/L 好氧池DO濃度，則提質(zhì)增效前生物池理論需氧量為12 547 kgO2//d，提質(zhì)增效后理論需氧量約為17 441 kgO2//d，原設計風機供氧不足，如圖6所示。
圖6 提質(zhì)增效后DO變化
然而，在曝氣系統(tǒng)設計能力不足的情況下，出水BOD5、COD和氨氮等均穩(wěn)定達標，在該情況下每年可節(jié)省電能約62.1萬kW·h，為污水處理廠節(jié)能降耗提供思路。同時，隨著對短程硝化研究的不斷深入，研究者們開始對低DO環(huán)境下的脫氮機理進行逐步探索，而對真正落地運行的低氨氮市政污水處理廠，是否存在一個DO理論極值，使此時氨氮、BOD5、COD等既有較好處理效果，又不會引起污泥膨脹等現(xiàn)象，有待進一步研究。2.3 提質(zhì)增效對深度處理單元的影響
F污水處理廠深度處理采用高效沉淀池+濾布濾池工藝，高效沉淀池設計PAC和PAM投加濃度分別為40 mg/L和1 mg/L，濾布濾池設計過濾精度為10 μm，平均濾速為9.1 m3/(h·m2)。如圖7、圖8所示，提質(zhì)增效后進水TP濃度從4.52 mg/L提高到5.17 mg/L，因生物除磷和化學除磷雙重作用，出水TP濃度均低于0.3 mg/L，平均值為0.17 mg/L。提質(zhì)增效后進水SS濃度從192 mg/L增加到205 mg/L，同樣有高效沉淀池和濾布濾池的雙重保障作用，出水SS均小于10 mg/L，平均值為4 mg/L?？梢姡瑢M水SS和TP濃度的小幅增加，高效沉淀池+濾布濾池均能維持穩(wěn)定去除效果。
圖7 提質(zhì)增效后SS去除效果
圖8 提質(zhì)增效后TP去除效果
2.4 提質(zhì)增效對污泥脫水系統(tǒng)的影響因進水BOD5的增加，導致剩余污泥量增加，提質(zhì)增效前設計干泥量為7.82 t/d，采用2臺板框脫水機處理。經(jīng)計算，提質(zhì)增效后干泥量約為10.1 t/d左右，原脫水機不能滿足需求，應對污泥脫水系統(tǒng)進行升級改造。
03.小結(jié)
提質(zhì)增效后進水濃度變化對一級處理單元影響較小。
提質(zhì)增效后進水氨氮濃度由24.2 mg/L提高到32.1 mg/L，TN濃度由30 mg/L提高到39.9 mg/L，COD由258 mg/L提高到378 mg/L，BOD5由104 mg/L提高到185 mg/L，多點進水多段AAO工藝仍能保證氨氮、TN、COD、BOD5等均有較好的處理效果。
好氧池低DO條件下，多點進水多段AAO仍能保證出水氨氮和BOD5濃度較低且穩(wěn)定，為污水處理廠節(jié)能降耗提供思路。
提質(zhì)增效后進水SS從192 mg/L提高到205 mg/L，TP從4.52 mg/L提高到5.17 mg/L，高效沉淀池+濾布濾池工藝能保證出水TP和SS在 0.17 mg/L和4.0 mg/L左右，有較好的處理效果。
提質(zhì)增效后污泥脫水系統(tǒng)產(chǎn)能相對不足，需升級改造。
作者：張艷輝、李張卿、紀海霞、程樹輝、高偉楠、張欣蕊；作者單位：北京市市政工程設計研究總院有限公司
來源：給水排水