高进水TN浓度条件下A2O工艺C/N调控研究
时间：2023-04-24 08:35:05 来源：千叶帆 本文已影响人
王希明
(中通环境治理有限公司，北京 100050)
A2O工艺生活污水处理厂实现出水水质达标需要开展工艺调控，根据实际进水的水质、水量对生化池各项运行参数开展调控是保障出水稳定达标的关键。出水TN指标稳定达标是各污水厂都面临的一个重要课题，要保障出水TN稳定达标通常需要在A2O生化池开展以下调控内容：1)硝化液回流比调控。根据进水TN浓度和出水TN限值计算所需TN去除率后再计算所需的总回流比，扣减内回流比后即为所需硝化液回流比。2)硝化液回流量调控。根据进水实际流量、理论硝化液回流比计算所需的硝化液回流量。3)调控曝气量和好氧区溶解氧。保障好氧区曝气量能够至少满足氨氮完全硝化的需求的同时尽可能降低曝气强度，以降低曝气能耗。4)缺氧区溶解氧调控。应控制回流硝化液中携带的溶解氧，保障缺氧区DO<0.5 mg/L[1]。5)进水C/N调控，在进水C/N数值低、只利用原水中的碳源无法实现TN达标排放的情况下，需要投加外碳源，调控原水C/N。6)其他调控措施。如维持污泥浓度和总泥龄在合理范围内，维持各池内良好的污泥悬浮状态和泥水混合状态等。
污水处理厂常面临进水TN浓度高导致实际需去除的TN量大、进水有机物浓度过低、出水TN不能稳定达标等情况。此时如果仅依靠原水中有机物无法实现出水TN指标达标，就需要开展C/N调控。在工程调试实践中，进水C/N调控主要依靠控制外碳源的投加量来实现。C/N调控既要避免投加外碳源量过大造成药剂浪费、出水COD升高、污泥增殖速率过快等问题，也要避免投加外碳源量过小导致的出水TN无法稳定达标。
在进水水质存在波动的条件下要保障出水TN稳定达标，一方面需要充分利用生化池较长的停留时间具有的缓冲能力，让生化系统的出水水质变化为渐进式的递增或递减，不产生剧烈波动，为开展C/N调控赢得调整外碳源投加量的时间；
另一方面需要选择合适的水质检测指标和检测方法，尽量能够快速出具结果并根据检测结果及时调整外碳源投加量。
通常意义上的C/N为BOD5/TN，生物脱氮过程BOD5/TN理论值为2.86，考虑到生化处理过程中厌氧区也有一定的有机物去除效率，同时好氧池内也会消耗部分有机物，故一般要求BOD5/TN>4[1]462-463或COD/TN>8[2]，方可基本保障生物脱氮效果和出水TN达标。
BOD5顾名思义为五日生化需氧量，其国标检测方法需要检测时间长，结果反馈慢。如果通过检测原水BOD5数值来调控进水C/N，无法满足对进水C/N开展快速调控的要求。在调试实践中只能作为辅助手段，不适宜作为C/N调控过程的主要检测指标，工程调试实践中更多的是依靠COD检测结果开展C/N调控。
COD为化学需氧量，其检测周期短，分光光度法能够在2 h～3 h左右快速出具检测结果，COD快速消解法20 min左右即可出具检测结果，能很好地满足C/N调控过程要求快速出具检测结果的需求。同时由于生活污水的BOD5/COD的比值通常相对固定，一般在0.4～0.65[3]，变化幅度不大，因而以COD作为进水C/N调控的主要控制指标是相对合理和科学的。
实践中以COD指标为基础开展的进水C/N调控的实际效果可能随着地域变化、水质、水量不同而有所变化，因而有必要对此研究方向开展更多的实践和分析研究。
本次研究所在的污水处理厂在调试期间平均进水TN浓度为80.72 mg/L，出水TN要求为15 mg/L，实际需要去除的TN值平均约为65.72 mg/L，按照BOD5/TN=2.86，则理论需要BOD5的量为187.96 mg/L，若假定原水B/C为0.4，则需要的COD量至少为469.9 mg/L，而该水厂的实际进水COD约为200 mg/L～300 mg/L，碳源不足导致只能依靠投加外碳源来保障出水TN达标排放。在此条件下，既要保障出水TN稳定达标同时降低运营成本，开展进水C/N的调控工作就显得更加重要。
通常说的C/N是根据原水水质指标检测结果表征该原水生物脱氮特征的实践经验性数值。由于计算简单因而得到了广泛的使用，但因为原水中有机物并非全部用于反硝化，同时也并非所有的TN都需要完全去除，为了便于更加准确的表征有机物去除与TN去除的关系，后续按照以下两种定义分别对调控过程数据开展分析和研究：
1)C/N：投加外碳源后的总有机物浓度与进水TN浓度的比值，此处有机物浓度以COD浓度作为计算依据。
2)C/NR：投加外碳源后的总有机物浓度与实际需去除TN浓度的比值，此处有机物浓度以COD浓度作为计算依据。
国内北方地区城镇生活污水的主要水质指标：COD一般为200 mg/L～400 mg/L，TN约为40 mg/L～60 mg/L，以COD计量的C/N约为3～5。而出水水质中TN指标根据设计出水水质标准有一定差异，GB 18918中的一级B标准出水TN限值为20 mg/L，一级A标准出水TN限值为15 mg/L，北京市地方污染物排放标准中B标准为15 mg/L，A标准为10 mg/L。设计进出水TN差值为实际需要去除的TN浓度，需要去除的TN浓度绝对数值的大小对进水C/N调控的影响非常大，例如：进水COD=300 mg/L，TN=60 mg/L，出水TN要求分别为20 mg/L，10 mg/L的条件下，理论上需要去除的TN浓度分别为40 mg/L，50 mg/L，虽然以COD计的进水C/N都等于5，但是其达标难度相差很大。根据经验，额外去除10 mg TN/L需要投加的外碳源量约需30 mg BOD5/L～50 mg BOD5/L，同时需要更大的缺氧池池容来维持反硝化脱氮所需的停留时间。
故C/NR相比C/N能够更准确的反映达到不同出水标准中TN限值时，实际待去除TN浓度对应综合需要的有机物浓度的关系，考虑到C/N在日常使用较多且数据获取更加直接，所以在研究过程中对以上两种比值都开展了计算分析。
开展C/N调控主要是通过投加外碳源实现，选择经济合理的外碳源就显得尤为重要。污水处理厂常用的外碳源有甲醇、乙醇、乙酸、乙酸钠、葡萄糖、淀粉、复合高效碳源等[4]，其中，甲醇、乙醇、乙酸会带来防爆风险，较少采用，淀粉、葡萄糖由于碳链过长导致利用速率低，也相对较少选用。乙酸钠是经实践检验效果稳定、性能优良的外碳源，是现在多数污水处理厂外碳源投加的选择。乙酸钠的BOD5当量为0.52 g BOD5/g乙酸钠，COD当量为0.78 g COD/g乙酸钠。
由于外碳源产品质量良莠不齐，在经历配置、运输、储存等过程后其实际的有机物当量数值会产生变化，建议污水处理厂在开展C/N调控前，应检测该批次产品的实际COD当量，以保障投加外碳源的量满足实际需求。
2.1 研究对象的基本情况
开展研究的污水处理厂生化处理单元采用A2/O工艺，设计处理能力为1.2万m3/d，分为两个系列并联运行，单系列设计处理规模为6 000 m3/d。
设计原水水质和出水水质如表1所示。
表1 设计进出水水质表
设计处理工艺流程如图1所示。
管线收集的生活污水首先进入厂区粗格栅及提升泵站，去除20 mm以上的悬浮物后利用提升泵提升至细格栅及旋流沉砂池，细格栅用于去除5 mm以上的悬浮物，沉砂池用于去除原水中的细小砂粒，出水重力进入A2O-MBR综合池，先经过膜格栅过滤截留1 mm以上的纤维、颗粒等后进入A2O生化池进行生化反应，在厌氧区释放磷和吸收VFA转化为PHB，在缺氧区利用原水碳源和外加碳源对回流硝化液中的硝酸盐进行反硝化脱氮，好氧区完成有机物氧化、好氧吸磷以及氨氮的硝化反应，在膜池完成泥水分离和污泥回流。膜产水泵将产水输送至消毒接触及中水回用水池，投加次氯酸钠消毒后，根据中水回用需求进行回用，多余产水溢流排放至大龙河。
生化池排出的剩余污泥进入贮泥池，采用离心式脱水机进行污泥脱水后，产出的80%含水率污泥定期外运至大兴区污泥处置中心。
根据生化池的尺寸和设计计算书，生化池设计参数见表2。
表2 生化池设计参数表
2.2 外碳源投加量估算方法
根据工程调试经验和文献资料[5]，去除1 mg/L TN约需要乙酸钠5 mg/L～6 mg/L(折合COD约3.9 mg/L～4.68 mg/L≈BOD5约2.6 mg/L～3.12 mg/L)，估算需投加的20%液体乙酸钠(16.7万mg COD/L)的体积。
本项目调试过程中乙酸钠的用量估算如下：以1 000 m3/d处理规模、去除1 mg/L TN为例，理论计算所需的20%乙酸钠(16.7万mg COD/L)体积约为23.35 L/d～28.02 L/d。
2.3 C/N调控数据与出水TN
调试初期未投加外碳源时，该污水处理厂出水TN平均约34.9 mg/L，不投加外碳源无法实现出水TN达标。在开展C/N调控过程中，按照以上计算方法投加了液体乙酸钠开展了C/N调控。每日根据检测进水TN数值，调整每日的理论投加量，基本实现了出水TN稳定达标。C/N调控过程中水质检测结果及外碳源投加量见表3。
C/N调控期间的水质数据统计分析如下：
1)平均进水量为1 706 m3/d，最大值为2 426 m3/d，最小值为1 179 m3/d；
其中平均进水量约为设计运行系列处理能力的28.43%，属于低水量负荷工况。
2)进水COD最低值为256.98 mg/L，最高值为378.40 mg/L，平均值为339.39 mg/L，满足设计进水水质的要求。
3)进水TN平均值为80.72 mg/L，最低值为72.50 mg/L，最高值为91.00 mg/L，严重超过设计进水水质的要求。
表3 C/N调控数据表
4)出水TN平均值为13.72 mg/L，最低10.99 mg/L，最高15.68 mg/L，基本实现了出水TN稳定达标。
以进水COD和投加外碳源的COD当量之和作为分子，分别以原水TN检测结果和实际去除TN浓度作为分母，可以得到前述定义的C/N，C/NR的数值，分别绘图如图2，图3所示。
维持出水TN基本稳定达标的条件下，投加外碳源后的总COD和进水TN的比值最高值为6.98，最低值为4.76，平均值为5.90。
维持出水TN基本稳定达标的条件下，投加外碳源后的总COD和实际去除TN量的比值最高值为8.4，最低值为5.62，平均值为7.10。
根据图2,图3中的数据，C/N调控分析结论如下：
1)在维持C/N平均值为5.90，C/NR平均值为7.10时，系统出水基本能够保障达标。
2)C/N数值较小是因为进水TN的数值包含了未去除的出水TN，导致分母数值变大。
3)C/NR数值比相较C/N大，反映了进水及投加外碳源后的总COD与去除TN之间的实际关系，而这种综合因素作用下的实践值能够更加贴合工程实际情况。
4)考虑到原水水质波动以及生化池池容较大具备一定的缓冲能力，建议实际开展C/N调控时，将调控数值控制在平均值至最高值范围内，即将C/N控制在5.9～6.98,C/NR控制在7.1～8.4。
1)基于COD能够快速出具检测结果的特点，采用了以COD作为控制指标的C/N调控措施，通过调控生化池内的各项运行参数及投加适量的外碳源，实现了出水水质TN基本稳定达标的调试效果。2)由于投加的外碳源并不能保障100%用于反硝化脱氮，以进水及投加外碳源的总COD与进水TN的比值为调控控制指标时，建议将C/N控制在5.9～6.98。3)以投加外碳源后的总COD与需要去除的TN的比值开展调控时，根据研究中检测数据分析，建议将C/NR控制在7.1～8.4。4)由于投加外碳源的实际反硝化利用效率、原水水质的B/C均会对以COD为计算指标的C/N调控效果产生影响，建议调试实践时首先将生化系统的硝化液回流量、溶解氧等调控至合理范围后，再根据C/N,C/NR调控值的范围计算外碳源投加量，并根据实际出水TN数值及变化趋势适时调整外碳源投加量。
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