某污水處理廠低負(fù)荷運(yùn)行問題的分析與調(diào)控措施

方佩珍，徐旭東，徐正啟

（浙江建投環(huán)保工程有限公司，浙江杭州 310002）

1 項(xiàng)目概況

污水處理廠位于湖州市南部，采用傳統(tǒng)AAO工藝，建設(shè)規(guī)模為 0.5×104m3／d，實(shí)際運(yùn)行水量為0.33×104m3／d，進(jìn)水中工業(yè)污水和生活污水比例約1∶1。工業(yè)廢水的納管標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《污水排入城市下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ 3082—1999），污水廠出水標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 工藝流程

工藝流程如圖1所示。

1.2 工藝特點(diǎn)及參數(shù)

圖1 污水廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of Wastewater Treatment Plant

由于園區(qū)工業(yè)污水類型多、成分復(fù)雜、處理難度大，因此本工藝在初沉池設(shè)計(jì)了PAC投加點(diǎn)，降低后續(xù)處理單元負(fù)荷，但由于水質(zhì)水量未達(dá)到預(yù)期，從調(diào)試初期至今進(jìn)水超越初沉池進(jìn)入生化系統(tǒng)。設(shè)計(jì)總停留時(shí)間為49 h，總變化系數(shù) Kz＝1.57，其中生化系統(tǒng)停留時(shí)間33.1 h。其中厭氧停留時(shí)間為 8.3 h，缺氧為 8.3 h，好氧為 16.5 h，設(shè)計(jì)污泥負(fù)荷為 0.07 kg BOD5／（kg MLSS·d）供氣設(shè)備采用羅茨風(fēng)機(jī)，供氣量為3 200 m3／h，風(fēng)量可調(diào)。

1.3 設(shè)計(jì)水量、水質(zhì)負(fù)荷與實(shí)際值對比

本項(xiàng)目于2015年啟動調(diào)試，期間由于進(jìn)水負(fù)荷偏低，給污水廠運(yùn)營造成較大困難，統(tǒng)計(jì)2016年全年進(jìn)水 CODCr平均值為 77.2 mg／L，BOD5平均值為32.4 mg／L。實(shí)際水質(zhì)情況遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，如表 1所示。

表1 設(shè)計(jì)與實(shí)際水量、水質(zhì)對比Tab.1 Comparison of Water Quantity and Quality between Design and Practice

1.4 水量、水質(zhì)負(fù)荷偏低的原因分析

為了迎合地區(qū)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)的污水處理廠，在建設(shè)規(guī)劃階段會考慮未來幾年區(qū)域內(nèi)企業(yè)及人口的增長，因此污水處理廠設(shè)計(jì)水量會較實(shí)際值相應(yīng)增加，已滿足未來3～5年的水量增長，導(dǎo)致污水廠投運(yùn)初期水量偏小。

根據(jù)實(shí)際情況造成水質(zhì)偏低的原因有：（1）管網(wǎng)溢流堰設(shè)計(jì)不合理，雨季時(shí)存在不同程度的河水倒灌情況；（2）南方水系發(fā)達(dá)，納管區(qū)域內(nèi)有部分管路穿過河道匯總至截污主干管，該處管道接口施工難度較大，導(dǎo)致部分河水滲漏進(jìn)入管網(wǎng)；（3）納管區(qū)域內(nèi)排水管網(wǎng)多采用雨污合流制，加之南方雨水較多［1］，因此平均水量中含有部分雨水，使污水處理廠的水質(zhì)負(fù)荷問題進(jìn)一步加劇，平均進(jìn)水CODCr濃度進(jìn)一步降低。

設(shè)計(jì)日處理量為 0.5×104m3／d，實(shí)際日處理量為 0.33×104m3／d，水量和水質(zhì)均低于設(shè)計(jì)負(fù)荷，導(dǎo)致進(jìn)水中的有機(jī)物總量偏低，不利于活性污泥微生物培養(yǎng)，嚴(yán)重影響污水處理廠的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行。

2 低負(fù)荷運(yùn)行存在的問題

2.1 溶解氧控制問題

好氧池滿負(fù)荷運(yùn)行停留時(shí)間為18.5 h，目前處理量只能達(dá)到0.33×104m3／d，僅為設(shè)計(jì)值的66%；CODCr實(shí)際負(fù)荷遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致活性污泥耗氧量偏低，因此好氧池DO濃度較高，活性污泥自身氧化速率加快，在日常運(yùn)行中污泥濃度呈逐漸下降趨勢，使出水水質(zhì)難以得到保障。為了盡量降低好氧池DO濃度，將風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整至最低值，但DO濃度無明顯下降。

2.2 污泥老化問題

污水廠污泥負(fù)荷設(shè)計(jì)值為 0.072 kg BOD5／（kg MLSS·d），按照原設(shè)計(jì)污泥濃度應(yīng)控制在3 g／L。污泥濃度是指導(dǎo)工藝運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，調(diào)整污泥濃度需要通過進(jìn)水有機(jī)物濃度、進(jìn)水水量、污泥耗氧速率、污泥沉降性、污泥性狀等多個(gè)工藝參數(shù)綜合考量。根據(jù)以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，污泥濃度控制應(yīng)參考污泥負(fù)荷，當(dāng)BOD5濃度過高時(shí)，應(yīng)提高污泥濃度，增加微生物菌群數(shù)量，將污泥負(fù)荷控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；當(dāng)BOD5濃度過低時(shí)，活性污泥微生物內(nèi)源呼吸速率增加，污泥松散、絮體較小、污泥齡加長、污泥老化活性降低，導(dǎo)致出水指標(biāo)波動。本項(xiàng)目污水廠長期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，污泥增長速度緩慢，污泥老化嚴(yán)重。

2.3 出水TN波動

由于進(jìn)水負(fù)荷較低，導(dǎo)致好氧池末端DO濃度平均值在7 mg／L左右，內(nèi)回流液中的DO回流至缺氧池前端，破壞了缺氧環(huán)境，抑制反硝化細(xì)菌脫氮；回流液中含有7 mg／L左右的DO，回流至缺氧前端會消耗部分進(jìn)水碳源，使反硝化碳源不足的情況加劇。綜上所述，導(dǎo)致出水TN波動，無法穩(wěn)定達(dá)到15 mg／L 以下。

3 措施與方法

3.1 采用間歇曝氣的方式運(yùn)行

在實(shí)際運(yùn)行過程中，對鼓風(fēng)機(jī)的控制進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，由常開狀態(tài)調(diào)整為間歇式運(yùn)行，鼓風(fēng)機(jī)由溶解氧控制改為時(shí)間控制。當(dāng)停止鼓風(fēng)曝氣后，會產(chǎn)生泥水分離，污泥自由沉降，影響出水水質(zhì)效果，并且易堵塞曝氣盤。因此，分別在好氧池廊道內(nèi)布設(shè)推流式攪拌機(jī)，每個(gè)廊道2臺，共4臺推流攪拌機(jī)。本項(xiàng)目污水廠不能以常規(guī)溶解氧作為工藝調(diào)整參數(shù)，而是參照好氧末端氨氮及CODCr濃度，對曝氣時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。由于本工藝停留時(shí)間較長，因此可根據(jù)每天好氧末端出水水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

采用間歇運(yùn)行的方式進(jìn)行曝氣，在好氧池內(nèi)安裝推流攪拌機(jī)防止污泥沉降，生化系統(tǒng)運(yùn)行分為曝氣與靜置兩種狀態(tài)：（1）當(dāng)風(fēng)機(jī)開啟曝氣后，將好氧池內(nèi)的活性污泥充分混合，曝氣孔內(nèi)的浮泥在氣流的作用下迅速擴(kuò)散到四周，防止曝氣孔堵塞。曝氣時(shí)間根據(jù)好氧末端氨氮及CODCr數(shù)據(jù)靈活調(diào)整，目前啟動 0.5 h，靜置 3.5 h。（2）靜置階段，此時(shí)溶解氧會逐漸下降，最終形成缺氧環(huán)境。

運(yùn)行方式改變前后，好氧池DO濃度變化情況如圖2所示。

圖2 好氧池DO濃度日變化曲線Fig.2 Daily Variation Curve of DO Concentration in Aerobic Tank

3.2 降低污泥濃度

生化池污泥濃度設(shè)計(jì)值為3 g／L，通過長期的摸索，當(dāng)MLSS控制在1.5 g／L時(shí)比較適宜，污泥負(fù)荷為 0.03 kg BOD／（kg MLSS·d），并且嚴(yán)格控制排泥量，避免污泥濃度降低。調(diào)整前后，污泥活性明顯改善，活性污泥耗氧速率平均值由 0.08提升至0.097 mg O2／（g MLSS·min）。活性污泥耗氧速率的檢測采用李冰等設(shè)計(jì)的簡易OUR測量裝置［2］。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

3.3 強(qiáng)化反硝化脫氮

3.3.1 回流量控制

在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，內(nèi)回流液中含有大量溶解氧，回流至缺氧池破壞缺氧環(huán)境，同時(shí)消耗碳源，嚴(yán)重影響了反硝化速率［3］。因此，采用關(guān)閉內(nèi)回流，同時(shí)外回流滿負(fù)荷運(yùn)行的方式保證氮的有效去除。當(dāng)前水量為設(shè)計(jì)值的50%左右，當(dāng)外回流滿負(fù)荷開啟時(shí)可達(dá)到200%回流。工藝調(diào)整后，缺氧池缺氧環(huán)境明顯改善，調(diào)整前后ORP與DO變化如圖4所示。

圖3 調(diào)整前后OUR變化趨勢Fig.3 Variation Curve of OUR Before and After Adjustment

圖4 調(diào)整前后缺氧池ORP與DO變化Fig.4 Variation Curve of ORP and DO Before and After Adjustment in Anoxic Tank

3.3.2 增加缺氧時(shí)間

本項(xiàng)目采用間歇運(yùn)行的曝氣方式，好氧池內(nèi)安裝推流器。因此曝氣時(shí)間與缺氧時(shí)間可靈活調(diào)整，當(dāng)TN出現(xiàn)波動時(shí)，通過減小曝氣時(shí)間，延長缺氧時(shí)間，保證反硝化有足夠的停留時(shí)間，通過內(nèi)源呼吸提供的碳源［4］和外加碳源，有效降低TN，使出水穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.3 精確投加碳源

當(dāng)出水TN出現(xiàn)波動時(shí)，最為有效的方式是投加外部碳源，但外加碳源價(jià)格昂貴，使直接運(yùn)行成本提高，對生產(chǎn)運(yùn)行造成較大經(jīng)濟(jì)壓力。通過對缺氧環(huán)境的控制，有效減少了好氧菌對碳源的消耗，增加了反硝化細(xì)菌對碳源的有效利用率。為了確定碳源投加量，達(dá)到精確投加的目的，取缺氧池污泥混合液，投加不同濃度的冰醋酸，并連續(xù)慢速攪拌2 h，檢測TN變化情況，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同濃度碳源投加量對出水TN的影響Fig.5 Effect of Carbon Source Dosage on Effluent TN

當(dāng)投加量為 0 mg／L 時(shí)，TN 從 19.2 mg／L 下降至 18.6 mg／L，僅降低了 0.6 mg／L，因此小試試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間不宜過長，應(yīng)考慮在 2 h內(nèi)使 TN達(dá)到15 mg／L以下，以確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。當(dāng)投加量為 10 mg／L 時(shí)，TN 從19.2 mg／L 降低至16.4 mg／L，未能達(dá)到15 mg／L以下；當(dāng)投加量為20 mg／L時(shí)，TN降低至14.6 mg／L；當(dāng)投加量為30 mg／L 時(shí)，TN 降低至13.8 mg／L，因此通過小試試驗(yàn)確定醋酸最優(yōu)投加量為 20 mg／L。

碳源的投加點(diǎn)不宜設(shè)置在缺氧池前端，盡量減少回流消化液中好氧微生物對碳源的消耗［5］，同時(shí)不宜設(shè)在缺氧池后端，避免反硝化不完全造成碳源的浪費(fèi)。因此碳源投加點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在缺氧池中間位置，保證了反硝化細(xì)菌對碳源的有效利用，做到精確投加。在前中后三個(gè)碳源投加點(diǎn)，分別投加20 mg／L醋酸，出水TN變化如圖6所示。

3.4 調(diào)控前后出水水質(zhì)指標(biāo)對比

為了保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，本項(xiàng)目通過改變現(xiàn)有的曝氣方式，將原連續(xù)運(yùn)行改為間歇式運(yùn)行，有效降低了生化池內(nèi)整體DO水平，使污泥老化問題得到明顯改善；通過降低污泥濃度，從3 g／L降低至1.5 g／L使污泥負(fù)荷相對提高，污泥系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行；通過改變回流方式，精確投加投加碳源，增加缺氧時(shí)間使出水TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。本項(xiàng)目進(jìn)水TP濃度較低，日常生產(chǎn)運(yùn)行當(dāng)二沉池TP大于0.5 mg／L時(shí)，在末端投加PAC藥劑輔助除磷，因此出水TP指標(biāo)相對穩(wěn)定，調(diào)整后出水 TN、TP指標(biāo)情況如圖 7所示。

圖6 不同碳源投加點(diǎn)對出水TN的影響Fig.6 Effect of Different Dosing Points of Carbon Sourre on Effluent TN

圖7 調(diào)整后出水TP、TN指標(biāo)變化情況Fig.7 Changes of Effluent TP and TN after Adjusting

4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

本項(xiàng)目投運(yùn)初期至工藝調(diào)整前，運(yùn)行成本中噸水電費(fèi)0.406元／t；外加碳源采用冰醋酸，噸水藥劑成本0.09元／t。調(diào)整后增加了4臺推流器的總功率22 kW·h，關(guān)閉內(nèi)回流節(jié)省5 kW·h，間歇曝氣節(jié)省了每天 21 h的曝氣時(shí)間，實(shí)際耗電量約50 kW·h，測算后噸水電耗 0.332 元／t；調(diào)整回流方式及改變碳源投加點(diǎn)至缺氧池中間位置后，碳源投加量由原20 mg／L降低至15 mg／L，噸水藥劑成本降低至 0.068 元／t。運(yùn)行總成本降低 0.096 元／t，按照每天處理水量0.5萬t計(jì)算，每年可節(jié)約直接運(yùn)行成本17.5萬元。

5 結(jié)果與討論

（1）本項(xiàng)目污水處理廠位于湖州市南部，長期處于低負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，其主要原因包括市政管網(wǎng)的滲漏；南方雨水較多；河水的倒灌；設(shè)計(jì)水量水質(zhì)未達(dá)到預(yù)期導(dǎo)致。

（2）長期低負(fù)荷運(yùn)行給污水廠運(yùn)行調(diào)控帶來較大困難，在實(shí)際運(yùn)行過程中采取間歇曝氣的方式，安裝推流器使泥水在停止曝氣階段處于完全混合狀態(tài)，保證生化系統(tǒng)內(nèi)活性污泥微生物對污染物的去除相對穩(wěn)定。通過對工藝參數(shù)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，其中包括：污泥濃度由設(shè)計(jì)值3 g／L降低至1.5 g／L左右；關(guān)閉內(nèi)回流，增加外回流至200%；改變碳源投加點(diǎn)至缺氧池中間位置。經(jīng)過工藝優(yōu)化調(diào)整，生化系統(tǒng) DO平均值由 7.2 mg／L降低至1.6 mg／L，缺氧池 ORP 從 70 mV 降低至－60 mV，活性污泥好氧速率從 0.08 提高至 0.097（mg O2／g MLSS·min）污泥性狀得到改善。

（3）噸水成本下降 0.096 元／t，估算年節(jié)約直接運(yùn)行成本17.5萬元。

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