為提高大型mbr再生水廠生物脫氮效率,降低外加碳源成本,從物料平衡的角度出發(fā),研究同步硝化反硝化、生物合成、缺氧反硝化等因素對于生物脫氮的貢獻(xiàn)。并結(jié)合配水優(yōu)化、水力負(fù)荷控制、內(nèi)回流消氧等多種工藝管控手段,對某大型mbr再生水廠脫氮過程進(jìn)行全面優(yōu)化。結(jié)果表明,某水廠總氮的去除主要通過剩余污泥排放和缺氧反硝化兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn);以氨氮為指示物并配合進(jìn)水閘門改造工作,能夠明顯提高生物池配水均勻度;建立物料平衡模型,并結(jié)合運(yùn)行管控手段,某水廠在進(jìn)水bod5/tn均值為2.75的情況下,系統(tǒng)脫氮效率為77%,進(jìn)水總氮去除率為89%,并實(shí)現(xiàn)了2021年零碳源投加脫氮。
引言
北京市某再生水廠投產(chǎn)于2016年,處理規(guī)模為60萬m3/d,主體工藝采用aao-mbr工藝。污水由管網(wǎng)匯集進(jìn)入廠前,經(jīng)過30 mm粗格柵和10 mm中格柵后由提升泵提升至地下,流經(jīng)4 mm細(xì)格柵、曝氣沉砂池、初沉池及1 mm膜格柵,然后進(jìn)入生物池及mbr膜池。設(shè)計(jì)出水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(db 11/890-2012)b標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。
本文從物料平衡的角度出發(fā),對某水廠脫氮過程的關(guān)鍵控制因素進(jìn)行研究,并結(jié)合配水優(yōu)化、水力負(fù)荷控制、內(nèi)回流消氧等多種工藝管控手段,開展某大型全地下mbr再生水廠低碳氮比下零碳源投加脫氮工作的探索與實(shí)踐。
1 mbr系統(tǒng)氮物料平衡研究
污水生物脫氮是指在活性污泥微生物的新陳代謝作用下,將污水中的含氮化合物轉(zhuǎn)化為n2而最終逸出到大氣的過程。一般來說,再生水廠氮的去除主要包括剩余污泥排放、好氧區(qū)同步硝化反硝化(snd)以及缺氧反硝化等方面。氮在污水處理系統(tǒng)內(nèi)的平衡見式(1):
物料平衡可以更好地從數(shù)據(jù)層面分析污水處理系統(tǒng)氮的平衡轉(zhuǎn)換情況,為更好地實(shí)現(xiàn)污水脫氮過程提供依據(jù)。
1.1 剩余污泥排放
微生物在生長繁殖過程中,會攝取污水中一部分氮來合成自身細(xì)胞組分,采用《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》(cj/t 221-2005)第49章中的方法對剩余污泥中氮含量進(jìn)行檢測,檢測時(shí)間為2020年,檢測結(jié)果見表1。
從檢測結(jié)果來看,剩余污泥組分的含氮量平均值約為4%。通過核算每日系統(tǒng)中排放的剩余污泥干固量,基本能夠確定從系統(tǒng)中排出的tn的含量。
1.2 同步硝化反硝化(snd)
同步硝化反硝化(snd)技術(shù)指的是硝化和反硝化過程在同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)發(fā)生,系統(tǒng)不需要明顯的缺氧時(shí)間段或缺氧分區(qū)而能將總氮脫除的技術(shù)。目前主要有3種理論來解釋:宏觀缺氧理論、微觀缺氧理論和微生物學(xué)理論,通過檢測生物池好氧段進(jìn)出水總氮濃度變化,可近似得出系統(tǒng)內(nèi)snd對于脫氮的貢獻(xiàn)。
再生水廠以3.75萬m3/d規(guī)模生物池為研究對象,控制該生物池污泥濃度為6 500 mg/l、水溫23 ℃、混合液回流比為500%、生物池好氧區(qū)前、中、后段do分別為1.5 mg/l、1.2 mg/l以及0.5 mg/l。對好氧段進(jìn)出水的總氮濃度變化進(jìn)行檢測,結(jié)果如圖1所示。
由檢測結(jié)果可知,再生水廠好氧段進(jìn)出水tn差值的平均值為0.6 mg/l,基本不存在snd效果,主要原因?yàn)椋?/p>
mbr系統(tǒng)由于其特殊性,污泥絮體常年較為松散,中位徑為41.43 μm(見圖2),無法滿足微觀缺氧環(huán)境;
生物池好氧區(qū)基本為完全混合狀態(tài),進(jìn)水端至出水端do基本處于1~2 mg/l,難以形成宏觀缺氧環(huán)境。
因此,在研究本廠生物脫氮時(shí),不考慮snd的貢獻(xiàn)。
1.3 缺氧區(qū)反硝化脫氮
一般認(rèn)為,反硝化脫氮主要受溫度、進(jìn)水bod5/tn及回流比等因素的影響。再生水廠主要構(gòu)筑物均為地埋式,冬季水溫可基本保證在15 ℃以上,反硝化效率受溫度的影響不大。因此,內(nèi)回流比及進(jìn)水bod5/tn成為影響反硝化效果的主要因素。
生物池內(nèi)回流比大小直接決定脫氮效率。在假設(shè)生物硝化及反硝化效率均為100%的前提下,脫氮效率隨著內(nèi)回流比的增大而增大,脫氮效率edn計(jì)算見式(2):
式中 r——內(nèi)回流比。
然而在實(shí)際運(yùn)行過程中,受回流液中do濃度的影響,反硝化效率很難達(dá)到理論值。如表2所示,再生水廠2021年1月至5月進(jìn)水bod5/tn的平均值為2.75,低于2.86的理論值。日常該水廠生物池內(nèi)回流比為350%左右,按照式(2)計(jì)算理想狀態(tài)下的脫氮效率為78%,在未投加外加碳源的情況下生物系統(tǒng)實(shí)際反硝化脫氮效率為77%(見表3)??紤]剩余污泥排放中攜帶的氮含量,進(jìn)水總氮平均去除率為89%。
在進(jìn)水bod5/tn低于理論值的情況下,本廠仍能實(shí)現(xiàn)較高的脫氮效率,主要原因有以下兩個(gè)方面:
因采用mbr工藝,污泥濃度日??刂圃? 000~8 000 mg/l,污泥泥齡為40 d以上。較高的污泥濃度及污泥泥齡為內(nèi)源反硝化提供了條件;
對于運(yùn)行參數(shù)控制較為嚴(yán)格,通過控制水力負(fù)荷、回流液do濃度、優(yōu)化配水均勻度等方式,提高碳源利用效率,該部分內(nèi)容將在后文詳細(xì)闡述。
2 水廠實(shí)際運(yùn)行過程中影響因素控制
再生水廠在實(shí)際運(yùn)行中,受到內(nèi)回流比、回流液do濃度、進(jìn)水配水不均、水力負(fù)荷波動等因素的影響,脫氮過程并不能按照理想狀態(tài)發(fā)生,導(dǎo)致出水tn出現(xiàn)波動。因此,除了從物料平衡的角度研究脫氮過程,還需考慮配水均勻度、進(jìn)水負(fù)荷等因素的影響,全方位把控脫氮過程。
2.1 水力負(fù)荷控制
受城市生產(chǎn)活動的影響,污水處理廠在實(shí)際運(yùn)行過程中不同時(shí)段、季節(jié)來水水量呈規(guī)律性波動。水力負(fù)荷過低或水量時(shí)變化系數(shù)過大對回流液do濃度、內(nèi)回流比等脫氮重點(diǎn)指標(biāo)控制會帶來一定困難。以再生水廠2020年來水情況為例,水量峰谷差值比例超過50%(見圖3a),瞬時(shí)最低負(fù)荷僅為設(shè)計(jì)值的30%。不同月份水量差異也較為明顯,最低負(fù)荷僅為設(shè)計(jì)值的53%(見圖3c)。
再生水廠結(jié)合來水時(shí)變化及日變化規(guī)律,通過生物池及膜池間歇停運(yùn)的方式(見表4),提高日水力負(fù)荷至70%以上。并充分利用上游污水管網(wǎng)調(diào)蓄功能,控制瞬時(shí)最低抽升量不低于運(yùn)行曝氣池負(fù)荷的60%(見圖3b)。
生物池停運(yùn)期間,還應(yīng)加強(qiáng)對池內(nèi)正磷酸鹽濃度變化的檢測。再生水廠在生物池停運(yùn)期間,生物池內(nèi)出現(xiàn)正磷酸鹽濃度升高的現(xiàn)象。主要發(fā)生時(shí)間為停運(yùn)后的24~48 h內(nèi),停運(yùn)生物池內(nèi)正磷酸鹽濃度出現(xiàn)快速上升。在生物池恢復(fù)攪拌并投加一定濃度的聚氯化鋁(pac)后,生物池的正磷酸鹽濃度逐步恢復(fù)正常,隨后恢復(fù)產(chǎn)水。
分析主要是由于此座生物池停運(yùn)期間,好氧區(qū)曝氣系統(tǒng)、內(nèi)回流泵等設(shè)備均處于關(guān)閉狀態(tài),池體內(nèi)部攪拌不充分,導(dǎo)致生物池出現(xiàn)“無效釋磷”現(xiàn)象。已有研究表明,在沒有以vfa形式存在的能源可供微生物吸收時(shí),所釋放的磷不能通過再曝氣得到微生物的重新吸收。在生物池恢復(fù)攪拌及回流后,正磷酸鹽快速下降,分析是由于重新開啟了曝氣及水下攪拌器等設(shè)備,富含pac的化學(xué)污泥對停運(yùn)期間釋放的正磷酸鹽重新進(jìn)行吸附和網(wǎng)補(bǔ)作用,使池內(nèi)正磷酸鹽濃度迅速降低。
建議其他水廠在進(jìn)行生物池停運(yùn)工作時(shí),應(yīng)適當(dāng)開啟攪拌器、推進(jìn)器或微量曝氣,保證生物池一定的攪拌效果,停運(yùn)時(shí)間不宜超過48 h,且應(yīng)在停運(yùn)生物池水質(zhì)達(dá)標(biāo)后再恢復(fù)產(chǎn)水。
2.2 生物池配水優(yōu)化
在實(shí)際運(yùn)行過程中,由于施工誤差、水力流態(tài)等因素影響,各池組之間存在配水不均問題。配水不均現(xiàn)象在大部分水廠運(yùn)行過程中均有發(fā)生,大型水廠受到的影響更為突出。
某水廠生物池采用aao工藝(見圖4),配水不均導(dǎo)致各池組水力負(fù)荷及污染物負(fù)荷不一致,影響生物池脫氮效率。解決配水不均問題,提高生物池配水均勻度,有助于提高脫氮效率,降低運(yùn)行成本。
在不考慮厭氧區(qū)和缺氧區(qū)氨氮濃度變化的情況下,以氨氮作為指示物,在固定回流量的前提下,化驗(yàn)缺氧一段出水氨氮濃度,能夠確定定每座生物池進(jìn)水比例。為方便運(yùn)行人員開展配水作業(yè),水廠將原有普通電動閘門改造為帶有刻度顯示的auma電動頭,并將開度信號上傳至遠(yuǎn)程中控室上位機(jī),實(shí)現(xiàn)閘門開度的精確調(diào)整。
如圖5所示,開展配水優(yōu)化工作后,各生物池間進(jìn)水均勻度明顯提升,同一系列各生物池間進(jìn)水比例差值由33%降低至15%左右。
2.3 內(nèi)回流溶解氧濃度控制
一般認(rèn)為,在保證缺氧反硝化環(huán)境的前提下,適當(dāng)增大內(nèi)回流比可以獲得更低的出水總氮濃度,但受配水不均、水力負(fù)荷波動大等因素的影響,生物池好氧區(qū)末端do難以穩(wěn)定控制在0.5 mg/l以下(見圖6a),導(dǎo)致內(nèi)回流攜帶大量do破壞缺氧區(qū)反硝化環(huán)境。提高內(nèi)回流比反而會導(dǎo)致回流至缺氧區(qū)do含量增多,需要更多的cod來抵消掉多余的do,影響脫氮效率。
通過配水優(yōu)化、抽升控制、生物池倒運(yùn)等方式,穩(wěn)定生物池水力負(fù)荷。優(yōu)化后,生物池do穩(wěn)定性明顯提高(見圖6b),末端do濃度基本低于0.5 mg/l,滿足反硝化對于do濃度的要求,同時(shí)大大降低了回流液中的do對于進(jìn)水碳源的浪費(fèi)。
3 物料平衡體系在實(shí)際運(yùn)行中的應(yīng)用與反饋
在滿足脫氮要求的前提下,內(nèi)回流比對于脫氮的影響可以通過式(3)來表征。
式中 a——內(nèi)回流比;
tn出水1——當(dāng)日出水tn,mg/l;
tn進(jìn)水——當(dāng)時(shí)進(jìn)水tn,mg/l;
tn出水2——次日出水tn,mg/l;
δtn——進(jìn)水有機(jī)物及外加碳源等有機(jī)物對于脫氮的貢獻(xiàn),mg/l。
以再生水廠2020年2月份的實(shí)際出水tn與物料平衡方程模擬出水tn進(jìn)行對比,結(jié)果如圖7所示。
結(jié)果表明,模擬結(jié)果與實(shí)際出水tn濃度較為接近,相關(guān)性為0.67,在實(shí)際水廠運(yùn)行中具有較強(qiáng)的相關(guān)性,該平衡方程式能夠較好的預(yù)測出水tn變化情況,并為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。
通過對脫氮過程的物料平衡研究與運(yùn)行優(yōu)化控制,再生水廠的碳源利用率有明顯提升,逐步降低生化系統(tǒng)甲醇投配率并于2021年實(shí)現(xiàn)了低進(jìn)水c/n比下的零碳源脫氮(見圖8)。
4 結(jié)論
(1)在大型mbr系統(tǒng)中,氮主要通過缺氧區(qū)反硝化和剩余污泥排放去除。某水廠剩余污泥中tn含量約為4%,每日剩余污泥排放中攜帶的tn含量約為8 mg/l。氮的去除主要在缺氧區(qū)通過反硝化過程去除,脫氮效率為77%。因泥齡較長,污泥絮體較松散,活性污泥絮體常年較為松散,中位徑為41.43 μm,基本不存在snd效果。
(2)再生水廠在實(shí)際運(yùn)行過程中,應(yīng)綜合考慮配水均勻度、水力負(fù)荷變化、內(nèi)回流溶解氧濃度對脫氮過程的影響,通過優(yōu)化生物池配水、生物池倒運(yùn)、降低內(nèi)回流溶解氧濃度等方式,提高脫氮效率。
(3)在再生水廠實(shí)際運(yùn)行過程中,通過建立tn物料平衡方程式,能夠根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)近似模擬出水tn濃度。物料平衡模擬結(jié)果與實(shí)際出水tn濃度較為接近,相關(guān)性為0.67,對實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。
(4) 通過建立氮的物料平衡模型,對工藝運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行過程控制,再生水廠甲醇投配率逐漸降低,于2021年實(shí)現(xiàn)了碳源零投加。
來源:北極星水處理網(wǎng)