低负荷改良型A2/O工艺强化脱氮调控研究
唐天鹤
肇庆市肇水污水处理有限公司 广东肇庆 526040
摘要：本文对某改良型A2/O工艺污水处理厂的运行过程及调控方式进行分析，讨论了该厂脱氮效果差以及投加碳源利用率低的问题，其原因主要为内回流比过高及末端DO过高。以进水氨氮值、缺氧末端硝酸盐氮值对内外回流比及碳源投加作为调整依据，在特定条件下关闭内回流，利用外回流进行硝态氮回流脱氮，同时降低好氧区末端供气量。调整后总氮的去除率及投加碳源利用率有效提高。
关键词：改良型A2O；低负荷；脱氮；DO；内外回流
1.引言
某污水处理厂采用改良型A2/O（预缺氧-厌氧-缺氧-好氧）工艺，一期第一阶段设计处理规模为2.5万吨/天，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）》的一级A标准和广东省地方标准《水污染物排放限值（DB44/26-2001）》中的一级标准（第二时段）的较严值。2019年日平均污水处理量约1.4万吨/天，处理负荷约为56%。
1.1工艺说明及设计参数
改良型A2/O工艺是针对A2/O工艺的缺点进行改进，于厌氧区前增加一个预缺氧区作为选择区，能够降低回流污泥对厌氧区的不利影响，提高除磷效率。原水先经过预处理后按需分配对预缺氧区、厌氧区、缺氧区进行多点进水，回流污泥进入预缺氧区。
在预缺氧区分配碳源进行反硝化反应，能降低回流污泥中硝态氮对厌氧区除磷的不利影响；厌氧区中聚磷菌利用BOD释磷，污水磷浓度升高；缺氧区中反硝化菌以有机物为电子供体，把回流液中的硝态氮、亚硝氮还原为氮气，总氮及有机物浓度下降；好氧区中有机物被大幅度降解，氨氮经硝化反应转化为硝态氮，硝态氮浓度升高。聚磷菌在好氧条件下过量吸磷，总磷浓度下降。
工艺设计参数如表1所示：
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停留时间（h）
|
f
MLVSS/MLSS
|
BOD5污泥负荷
kgBOD5/（kgMLSS.d）
|
|
预缺氧区
|
厌氧区
|
缺氧区
|
好氧区
|
|
|
|
0.5
|
1
|
3
|
10.5
|
0.65
|
0.10
|
|
VSS
（g/L）
|
MLSS
（g/L）
|
污泥最大回流比
|
混合液内回流比
|
总泥龄
d
|
BOD5容积负荷
kgBOD5/（m3.d）
|
|
2.25
|
3.5
|
100%
|
150~250%
|
18
|
0.25
|
|
剩余污泥产率
（kgMLSS/kgBOD5.d）
|
内源呼吸系数
（d-1）
|
理论产率系数
（mgVSS/mgBOD5）
|
|
0.80
|
0.05
|
0.5
|
表1 生化池设计运行参数
1.2进水情况
1.2.1长期低碳源低负荷
2019年处理负荷仅达到设计值的56%，个别月份低于40%；进水COD普遍偏低，与设计值存在一定差距（见表2）。
表2 2019年运行数据与设计参数对比
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处理量
（万吨/天）
|
COD
（mg/L）
|
BOD
（mg/L）
|
可生化比
|
F/M
[kgBOD/（kgMLSS.d）]
|
|
实际值
|
1.44
|
121
|
55
|
0.45
|
0.01
|
|
设计值
|
2.50
|
350
|
180
|
0.51
|
0.10
|
1.2.2进水水质波动大
由于该厂接纳部分工业废水且部分污水管网雨污分流不完善，进水污染物浓度波动幅度大，且呈现出进水TN高则COD低的规律（见图1），导致在进水TN平均值比较低时，仍出现部分时段碳源不足的情况。期间出水TN不稳定，需经常投加碳源进行脱氮。
表3 2019年实际运行进水数据
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污染物名称
|
COD
|
氨氮
|
TN
|
TP
|
SS
|
|
范围值（mg/L）
|
45~385
|
1.25~28.5
|
3.35~33.45
|
0.32~2.72
|
24~244
|
|
平均值（mg/L）
|
121
|
18
|
25
|
0.98
|
83
|
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图1 进水COD、总氮趋势图
2.强化脱氮调控方式
2.1调控前的运行方式
利用改良型A2/O生化池按需调节进水的特点能够较为灵活地对进水碳源进行分配。该厂在出水TN较高的情况下，为了提高脱氮的处理效率，主要采用调整进水量、增加内回流量以及投加碳源的方式进行调控。由于该厂的进水TP比较低，且能够在好氧区末端投加PAC作为除磷的保证，故在脱氮效果不佳的情况下，将进水方式调整为全部由缺氧点进水，并提高内回流比，在C/N比较低时辅助投加碳源至缺氧区。
但在进行调控的过程脱氮效果并没有得到有效提高，甚至出现脱氮效率不升反降的情况。在碳源的脱氮利用率上，也远低于理论计算值。
2.2影响脱氮效率原因分析
2.2.1好氧溶解氧浓度的影响
由于进水水量以及COD浓度、氨氮浓度较低，导致设计的鼓风量超出生化池好氧区需氧量，即使在开启最低频率的鼓风量的情况下，生化池DO仍难以控制。
未调整前，好氧区平均DO值为2.28mg/L，由于在线DO监测仪安装在好氧区的中部，好氧区末端DO值远高于在线DO监测值，经检测好氧末端DO值在6~8mg/L的范围内，大量的溶解氧通过内回流进入缺氧区，影响了缺氧区的脱氮效率[1]。同时过量的曝气，降低活性污泥利用胞内有机聚合物PHB作为反硝化碳源[2]的可能性，从而影响了脱氮效果。
2.2.2内回流比的影响
改良型A2/O工艺中内回流的主要作用就是将好氧末端的硝态氮、亚硝氮回流至缺氧区，利用进水的碳源进行反硝化反应，实现脱氮。但在好氧区末端的DO值较高的情况下，内回流混合液夹带着的溶解氧对脱氮效果影响非常大，其影响程度与好氧区末端DO、内回流量呈正相关。
因此内回流比需要控制在一个合理区间内，虽然该厂的内回流比一直控制在160%~320%之间，但由于该厂三台内回流泵并未加装变频器，内回流流量只能调节为1080、2160、3240m3/h的固定值，导致内回流比难以精确调控。虽然内回流比能够控制在设计值（150~250%）内，但通过检测缺氧池DO及硝态氮发现无法精确控制内回流比对反硝化的影响依然十分大，甚至出现缺氧区内反硝化效率几乎为零的情况。
此外，内回流比虽然不影响生化池的水力停留时间，但会影响缺氧区的实际停留时间。当进水流量为700m3/h时，经计算可发现在进水碳源较低的情况下，随着内回流比的增大，缺氧区实际停留时间减少明显，最低值为0.9h（见图2），降低碳源的脱氮利用率。
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图2 缺氧区实际停留时间示意图
2.3强化脱氮实施调控
2.3.1降低好氧区供气量
好氧区末端DO过高会直接影响到脱氮的效率，控制好氧区末端DO可作为该厂强化脱氮的第一个策略。由于该厂进水水量负荷过低，设计的鼓风量超出生化池好氧区需氧量，即使在开启最低频率的鼓风量的情况下，生化池DO仍难以控制。因此通过出风管外接支管引流放气实现生化池末端的DO值进行控制。该方法可降低好氧区供气量，取得了一定效果，但更合理的方法是在好氧区末端安装推流器，建立消氧区。当好氧区末端DO过高时，将末端原有的曝气管阀门全部关闭并开启推流器，建立消氧区。这种方式不但可以降低好氧区DO，减少能耗，还可避免出现部分区域污泥沉降堆积的现象。
2.3.2改变硝态氮的回流方式
改良型A2/O工艺中，假设在碳源足够、不考虑固氮，好氧区末端硝化反应程度及缺氧区的反硝化程度足够高的情况下，出水TN浓度的理论预计值应为：
Nlde=Q进*Nte/（Q进+Q内+Q外）
Nlde：出水TN浓度mg/L
Nte：进水凯氏氮浓度mg/L（该厂以氨氮主）
Q进：进水流量m3/h
Q内：内回流流量m3/h
Q外：外回流流量m3/h
根据公式可知，碳源充足时提高回流量能够提高总氮处理效果，但在进水浓度较低的情况下，由于上述2.2中讨论的原因，过高的回流量反而会影响脱氮的效果[3]。通过统计分析该厂的进水氨氮累积浓度分布25mg/L发生在90%以上，经计算，当外回流比采用100%时，出水TN预计为12.5mg/L，可以符合一级A标准；而且该厂的水量负荷比较低，若将外回流比提高至200%，二沉池的表面负荷以及停留时间依然能够满足设计要求。
因此该厂改变了原来的硝态氮回流方式，一般情况下不再利用内回流的方式回流硝态氮，而是利用外回流的方式回流硝态氮（即关闭内回流，适当增大外回流的措施），活性污泥混合液经过二沉池后进行回流，降低了回流液的溶解氧，提高了脱氮效率。
在进水碳源充足时，碳源未能在预缺氧区和厌氧区完全消耗，此时缺氧区的ORP值会处于一个较低的范围内（-150mV~-50mV）。同时对一台内回流泵补充配置了变频器，此时可以合理的开启内回流，对缺氧区补充硝态氮避免碳源浪费，提高脱氮效率。而当ORP>50mV时，不建议开启内回流。
3.总结分析
本文通过关闭内回流，同时降低好氧区末端DO值，利用外回流作为硝态氮回流这种方式，相当于将改良型A2/O工艺调整为不考虑TP处理的倒置A2/O工艺运行[4]，不但降低了回流液中溶解氧的影响，还提高了缺氧区的水力停留时间，增加反硝化反应时间。尤其在进水碳源不足的情况下，这种调控方式脱氮效果明显。通过该方式运行后，平均总氮的去除量提高3mg/L，同比提高率约30%，大幅降低了碳源的投加率。改变回流方式后，可将预缺氧区、厌氧区、缺氧区都视为反硝化区，提高反硝化反应的停留时间，避免碳源进入到好氧区，提高了碳源的脱氮利用率。
参考文献：
[1]李柏林.A_A_O氧化沟工艺强化脱氮调控技术研究[D].重庆大学.2018
[2]王红武.胞内有机聚合物PHB为反硝化碳源的研究[A].中国环境科学学会2009年学术年会论文集（第二卷）[C].2009
[3]给水排水设计手册 第05册.城镇排水P302
[4]给水排水设计手册 第05册.城镇排水P322