论文部分内容阅读
摘要：针对贵阳某生活污水处理厂进水浓度远超设计值、高氨氮、低C/N的现象，进行了相关处理工艺的生产性试验研究，以确定适合的运行参数。通过现场调试，在低温时有针对性地采取了提高污泥浓度、补充碳源，控制曝气池的DO以及灵活调整CASS工艺运行中各工序段等措施，较好地解决了污泥培养困难和因C/N严重失衡引起的污泥沉降性能差、反硝化不彻底而造成出水超标现象，极大提高了氮的去除效果。
关键词： 污水处理厂调试;高氨氮;低碳氮比;硝化;碳源;反硝化
中图分类号]X703[文献标识码]B
贵阳某污水处理厂设计处理规模8000 m3/d，采用“CASS +活性砂过滤”的处理工艺。出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。该厂进水由商贸城、客运站及周边居民生活污水组成。由于该片区人员流动较大，受各种商业活动影响显著，形成了商贸城片区污水处理厂进厂污水的独特性质：所有进水指标均远高于设计值。加上进水量波动大，调试期间水温低，给污水厂的正常调试运行及达标排放带来极大的困难。该厂设计浓度与实际浓度见表1。
笔者于2016年12月至2017年4月对污水处理厂进行了生产性试验，考察了高氨氮、低碳氮比、低温生活污水的调试运行，通过采用先调节控制原水浓度，逐步提高水量和浓度的方式进行污泥培养，高浓度和低温条件下提高污泥浓度、控制溶解氧、灵活调整CASS工艺运行中各工序段、污泥回流、投加营养源等措施来实现上述特点的污水在运行中产生了污泥培养难、氮去除率低等一系列问题。
1工艺概况
CASS生物池分成两组共4个池体，每池独立连续工作。CASS池由生物选择区、兼性区和主反应区组成。CASS池配套两台带变频的风量为27.5m3/min的罗茨风机，一用一备。生化段配套有DO仪、MLSS计、ORP仪。
2调试期间出现的问题及解决措施
设计水量为8000m3/d，实际污水量每日不足2000m3，鉴于水质、水量、电耗等实际情况，调试工作只对第二组生物池进行了调试运行，另外一组作为调节池使用。
CASS工艺以一定的时间序列进行，运行过程包括进水-搅拌-曝气-回流、沉淀、滗水、待机/排泥四个阶段，不同阶段的运行方式可以根据实际需要进行适当调整。本工程由于水量偏少，每天进行2-3个周期，每周期运行5-5.5h，其中进水-搅拌-曝气1h，曝气-回流2-2.5h，沉淀1h，滗水55min，排泥3-5min，进水的同时开启回流和投加淀粉，全程搅拌器开启。
2.1低碳、高氮磷原水条件下污泥培养驯化采取的措施
项目采取新鲜脱水污泥接种法进行污泥培养，但调试过程中出现污泥生长缓慢、颜色泛白、松散、沉降效果差，氮去除率低的现象。SV30及SVI一度高达80%和206，微生物镜检絮体松散且存在少量丝状菌，有膨胀趋向。
正常曝气池中的活性污泥一般呈茶褐色，略显酸性，稍具土壤的氣味并夹带一些臭味，供氧过多营养不足时污泥呈灰白色[1]。在出现上述现象的一段时间里， 污水营养均值比COD∶NH3-N∶TP约为480.29.∶79.45∶8.6≈ 100∶16∶1.8（由于BOD检测周期长，检测数据偏少，碳氮磷比例中碳源以COD计），可见污水中氮磷不缺少，而碳源不足。有研究表明，氮含量太高促使了污泥膨胀[1]。调试期间水温低，实际进水氮磷浓度平均值都在设计值的3倍以上，而且波动幅度较大，从而造成了极大的冲击负荷。经诊断为因原水浓度整体偏高，氮磷含量过高，而碳源不足引起的膨胀。
为此，采取了原水先进入1#CASS池与经处理过的废水混合，降低浓度并使其稳定再转进入3#、4#CASS生化池，逐步提高水量和浓度并根据进水COD的变化情况和池内污泥性状灵活控制玉米淀粉量投加的方式进行污泥培养，同时防止溶解氧过高而导致底物愈发不足。经调试现场证实，在原有MLSS浓度基础上停止投加玉米淀粉，持续几天就出现污泥松散，颜色偏淡泛白、沉降性能变差的现象。显微镜下显示菌胶团细碎、松散且存在丝状菌，此时生物相中以游泳型纤毛虫为主，固着型纤毛虫很少，出水水质变差。为尽可能减少投料费用，投玉米淀粉量调整为按进水COD当量约为100mg/L，根据运行水位高低按该比例相应增减投加量，提高了污泥沉降性能，取得了良好的效果，污泥培养成功，保证了系统的持续运行。
2.2强化去除氨氮的措施及效果
2017年1月，随着春节到来，污水量由1000m3/d减少到200m3/d，进水浓度相应增加，COD由均值479mg/L上升到499.93mg/L，氨氮由均值78mg/L上升到88.98mg/L，BOD5/COD=0.40～0.56，春节之后上班初期，污水厂进水氨氮持续升高，2月8日高达133.9mg/L，出水氮含量持续上升。随着进入生化池氨氮浓度的逐步升高，氨氮的去除率逐渐下降，当氨氮浓度超过70mg/L时，出水氨氮均值由1.52 mg/L升高到8.2mg/L，并有进一步升高的趋势。
一般而言，出水氨氮异常与生物硝化反应有关，影响硝化反应的主要因素有温度、溶解氧、污泥龄等。在出水氨氮持续升高期间，进水其他指标没有出现较大变化且各项运行参数一直保持相对稳定。分析认为，氨氮去除效果变差可能的原因是溶解氧不足和硝化细菌数量不足，同时也认为高浓度氨氮进水对反应池造成的冲击，使池内原有的污泥系统已不能适应变化后的水质，需对池内污泥进行强化驯化以适应高氨氮水质的要求。
考虑到硝化菌硝化过程需氧量高的及世代周期长的特点，采用适当延长污泥龄、提高曝气强度及延长曝气时间来达到强化的目的。氨氮浓度超过70mg/L期间，通过将DO由2.0-2.5 mg/L之间提高到2.5-4.0mg/L之间，MLSS浓度由4000mg/L提高至4800mg/L（池内其它参数控制基本不变），出水氨氮浓度有所降低，浓度均值在3.62-5.3mg/L之间，但加大曝气量提高DO和MLSS浓度值会造成污泥絮体松散，沉降性能变差的现象，曝气阶段结束时上清液COD浓度在21-25mg/L之间。 相同原水条件下，以3、4#CASS池作为对比，进入CASS池NH3-N≤70mg/L时，两池均按原有参数模式运行。当进入CASS池NH3-N>70mg/L时，3#CASS池按原有参数模式运行，4#CASS池按上述参数调整计划模式进行。
调整结果表明，当进入CASS池水氨氮浓度低于70mg/L时，滗水氨氮能够维持在一个较低的水平且相对稳定，而氨氮高于70mg/L时滗水氨氮随之上升。氨氮浓度超过70mg/L时，适当提高溶解氧和污泥浓度对氨氮的去除是有正面作用的。同时在调试中也发现，进一步加大曝气量和提高污泥浓度虽然能进一步降低氨氮浓度，但降幅不很明显且出现污泥老化明显的现象，原因分析为氨氮含量偏高，硝化系统受到了一定影响，代谢能力受到了抑制。有研究表明，过高的进水氨氮浓度对硝化反应有抑制作用，氨氮质量浓度达到80mg/L时，对活性污泥系统有巨大的冲击作用[2]，故建议系统在非持久稳定适应的情况下直接进入生化池的氨氮浓度尽量控制在70mg/L以内，不高于80mg/L为宜。
经过后续的一系列诸如提高污泥浓度、避免水力及氮磷有机负荷冲击等调整和原水适应强化，池内污泥基本具备了对高氨氮的去除能力并进一步适应该厂原水环境。通过减少滗水量从而使进入CASS池的氨氮浓度得到了有效控制，保证了系统的稳定运行，出水氨氮也持续降低。综合考虑，氨氮浓度未超过70mg/L时，调控CASS池曝气阶段的DO在2.0-2.8mg/L之间可以较好地提高对氨氮的去除效率，保证氨氮值低于一级A标准限值。
2.3外加碳源对提高总氮去除率的措施及效果
经上述调整，出水氨氮值能稳定低于5mg/L，但出水TN通常在10～25mg/L，分析认为，反硝化进行不彻底是总氮去除不理想的原因。
废水的脱氮效果很大程度上取决于废水中反硝化碳源的含量及性能[3]。马娟、 彭永臻、王淑莹等研究表明提高C/N有利于总氮的去除[4]，侯红娟等研究表明进水COD高，脱氮效率也高[5]。为查找总氮去除不理想的原因，取CASS池内的泥水混合液两份进行对照实验，实验组补充适量玉米淀粉作为反硝化碳源，试验结果显示，实验组总氮浓度较对照组有较为明显的降低，表明低C/N含氮污水生物脱氮的主要障碍在于反硝化碳源不足。为了提高TN去除率，从两个方面采取措施：一方面是均衡营养盐，每个运行周期均投加淀粉补充碳源，另一方面是工艺调整，在工艺控制及流程上，CASS池滗水完成后COD值已经很低，尽快安排进水，以期最大限度地利用进水的碳源供反硝化作用。同时为保证进水与池内混合液的较快混合，全程回流开启并适当延长沉淀时间。期间对调整全过程反应池内硝化及反硝化跟踪监测。
对上述措施进行灵活控制后，总氮去除率大为提高，说明补充碳源在总氮的去除中起到了重要作用。20d后出水氨氮、总氮指标均稳定达标，处理水质情况见表2。
3结论及建议
（1）由于原水碳源不足，低C/N，高氮磷，通过补充碳源能起到提高污泥的沉降性能和促进反硝化进行的作用，硝化不彻底和反硝化阶段碳源不足是造成TN去除率低的主要因素。
（2）高氨氮、低C /N、在低温情况下运行，让硝化菌能够持续发挥其作用，一方面可以人为的改变硝化菌的生存环境，适当维持生化单元相对较高的污泥浓度来提高系统的抗冲击能力。另一方面通过人为调节控制，降低进入生化池的氨氮浓度，进而减少高浓度氨氮或游离氨对硝化菌的抑制作用，促进硝化反应的进行。
（3）在氨氮含量不超过70mg/L，碳源严重不足的情况下，限制反应池内DO不致过高，控制曝气池的DO在2.5mg /L 左右可以减轻碳源不足的不利影响。
参考文献
[1]高廷耀，顾国维，周琪.水污染控制工程[M]下册.第三版，北京：高等教育出版社，2007.
[2]冯志刚，蒋林时，张洪林，等.水中氨氮含量对活性污泥性能的影响[J].江西师范大学学报（自然科学版），2006， 30（ 4） ： 392-395.
[3]PENG Y，YONG M A，WANG S.Denitrification potential enhancement by addition of external carbon sources in a pre-denitrification process[J].Journal of Environmental Sciences，2007.19（3）：284-289.
[4]馬 娟. 彭永臻.王淑莹，等.CAST工艺处理低C/N生活污水的强化脱氮性能[J]环境工程学报，2009，12，3（2）：234-238.
[5]侯红娟， 王洪洋， 周琪. 进水COD浓度及C/N值对脱氮效果的影响[J] .中国给水排水， 2005， 21（ 12）： 19- 23.
作者简介： 吴沅州（1984-），男，贵州黄平人，本科，工程师，主要从事水污染控制及运营管理。
关键词： 污水处理厂调试;高氨氮;低碳氮比;硝化;碳源;反硝化
中图分类号]X703[文献标识码]B
贵阳某污水处理厂设计处理规模8000 m3/d，采用“CASS +活性砂过滤”的处理工艺。出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。该厂进水由商贸城、客运站及周边居民生活污水组成。由于该片区人员流动较大，受各种商业活动影响显著，形成了商贸城片区污水处理厂进厂污水的独特性质：所有进水指标均远高于设计值。加上进水量波动大，调试期间水温低，给污水厂的正常调试运行及达标排放带来极大的困难。该厂设计浓度与实际浓度见表1。
笔者于2016年12月至2017年4月对污水处理厂进行了生产性试验，考察了高氨氮、低碳氮比、低温生活污水的调试运行，通过采用先调节控制原水浓度，逐步提高水量和浓度的方式进行污泥培养，高浓度和低温条件下提高污泥浓度、控制溶解氧、灵活调整CASS工艺运行中各工序段、污泥回流、投加营养源等措施来实现上述特点的污水在运行中产生了污泥培养难、氮去除率低等一系列问题。
1工艺概况
CASS生物池分成两组共4个池体，每池独立连续工作。CASS池由生物选择区、兼性区和主反应区组成。CASS池配套两台带变频的风量为27.5m3/min的罗茨风机，一用一备。生化段配套有DO仪、MLSS计、ORP仪。
2调试期间出现的问题及解决措施
设计水量为8000m3/d，实际污水量每日不足2000m3，鉴于水质、水量、电耗等实际情况，调试工作只对第二组生物池进行了调试运行，另外一组作为调节池使用。
CASS工艺以一定的时间序列进行，运行过程包括进水-搅拌-曝气-回流、沉淀、滗水、待机/排泥四个阶段，不同阶段的运行方式可以根据实际需要进行适当调整。本工程由于水量偏少，每天进行2-3个周期，每周期运行5-5.5h，其中进水-搅拌-曝气1h，曝气-回流2-2.5h，沉淀1h，滗水55min，排泥3-5min，进水的同时开启回流和投加淀粉，全程搅拌器开启。
2.1低碳、高氮磷原水条件下污泥培养驯化采取的措施
项目采取新鲜脱水污泥接种法进行污泥培养，但调试过程中出现污泥生长缓慢、颜色泛白、松散、沉降效果差，氮去除率低的现象。SV30及SVI一度高达80%和206，微生物镜检絮体松散且存在少量丝状菌，有膨胀趋向。
正常曝气池中的活性污泥一般呈茶褐色，略显酸性，稍具土壤的氣味并夹带一些臭味，供氧过多营养不足时污泥呈灰白色[1]。在出现上述现象的一段时间里， 污水营养均值比COD∶NH3-N∶TP约为480.29.∶79.45∶8.6≈ 100∶16∶1.8（由于BOD检测周期长，检测数据偏少，碳氮磷比例中碳源以COD计），可见污水中氮磷不缺少，而碳源不足。有研究表明，氮含量太高促使了污泥膨胀[1]。调试期间水温低，实际进水氮磷浓度平均值都在设计值的3倍以上，而且波动幅度较大，从而造成了极大的冲击负荷。经诊断为因原水浓度整体偏高，氮磷含量过高，而碳源不足引起的膨胀。
为此，采取了原水先进入1#CASS池与经处理过的废水混合，降低浓度并使其稳定再转进入3#、4#CASS生化池，逐步提高水量和浓度并根据进水COD的变化情况和池内污泥性状灵活控制玉米淀粉量投加的方式进行污泥培养，同时防止溶解氧过高而导致底物愈发不足。经调试现场证实，在原有MLSS浓度基础上停止投加玉米淀粉，持续几天就出现污泥松散，颜色偏淡泛白、沉降性能变差的现象。显微镜下显示菌胶团细碎、松散且存在丝状菌，此时生物相中以游泳型纤毛虫为主，固着型纤毛虫很少，出水水质变差。为尽可能减少投料费用，投玉米淀粉量调整为按进水COD当量约为100mg/L，根据运行水位高低按该比例相应增减投加量，提高了污泥沉降性能，取得了良好的效果，污泥培养成功，保证了系统的持续运行。
2.2强化去除氨氮的措施及效果
2017年1月，随着春节到来，污水量由1000m3/d减少到200m3/d，进水浓度相应增加，COD由均值479mg/L上升到499.93mg/L，氨氮由均值78mg/L上升到88.98mg/L，BOD5/COD=0.40～0.56，春节之后上班初期，污水厂进水氨氮持续升高，2月8日高达133.9mg/L，出水氮含量持续上升。随着进入生化池氨氮浓度的逐步升高，氨氮的去除率逐渐下降，当氨氮浓度超过70mg/L时，出水氨氮均值由1.52 mg/L升高到8.2mg/L，并有进一步升高的趋势。
一般而言，出水氨氮异常与生物硝化反应有关，影响硝化反应的主要因素有温度、溶解氧、污泥龄等。在出水氨氮持续升高期间，进水其他指标没有出现较大变化且各项运行参数一直保持相对稳定。分析认为，氨氮去除效果变差可能的原因是溶解氧不足和硝化细菌数量不足，同时也认为高浓度氨氮进水对反应池造成的冲击，使池内原有的污泥系统已不能适应变化后的水质，需对池内污泥进行强化驯化以适应高氨氮水质的要求。
考虑到硝化菌硝化过程需氧量高的及世代周期长的特点，采用适当延长污泥龄、提高曝气强度及延长曝气时间来达到强化的目的。氨氮浓度超过70mg/L期间，通过将DO由2.0-2.5 mg/L之间提高到2.5-4.0mg/L之间，MLSS浓度由4000mg/L提高至4800mg/L（池内其它参数控制基本不变），出水氨氮浓度有所降低，浓度均值在3.62-5.3mg/L之间，但加大曝气量提高DO和MLSS浓度值会造成污泥絮体松散，沉降性能变差的现象，曝气阶段结束时上清液COD浓度在21-25mg/L之间。 相同原水条件下，以3、4#CASS池作为对比，进入CASS池NH3-N≤70mg/L时，两池均按原有参数模式运行。当进入CASS池NH3-N>70mg/L时，3#CASS池按原有参数模式运行，4#CASS池按上述参数调整计划模式进行。
调整结果表明，当进入CASS池水氨氮浓度低于70mg/L时，滗水氨氮能够维持在一个较低的水平且相对稳定，而氨氮高于70mg/L时滗水氨氮随之上升。氨氮浓度超过70mg/L时，适当提高溶解氧和污泥浓度对氨氮的去除是有正面作用的。同时在调试中也发现，进一步加大曝气量和提高污泥浓度虽然能进一步降低氨氮浓度，但降幅不很明显且出现污泥老化明显的现象，原因分析为氨氮含量偏高，硝化系统受到了一定影响，代谢能力受到了抑制。有研究表明，过高的进水氨氮浓度对硝化反应有抑制作用，氨氮质量浓度达到80mg/L时，对活性污泥系统有巨大的冲击作用[2]，故建议系统在非持久稳定适应的情况下直接进入生化池的氨氮浓度尽量控制在70mg/L以内，不高于80mg/L为宜。
经过后续的一系列诸如提高污泥浓度、避免水力及氮磷有机负荷冲击等调整和原水适应强化，池内污泥基本具备了对高氨氮的去除能力并进一步适应该厂原水环境。通过减少滗水量从而使进入CASS池的氨氮浓度得到了有效控制，保证了系统的稳定运行，出水氨氮也持续降低。综合考虑，氨氮浓度未超过70mg/L时，调控CASS池曝气阶段的DO在2.0-2.8mg/L之间可以较好地提高对氨氮的去除效率，保证氨氮值低于一级A标准限值。
2.3外加碳源对提高总氮去除率的措施及效果
经上述调整，出水氨氮值能稳定低于5mg/L，但出水TN通常在10～25mg/L，分析认为，反硝化进行不彻底是总氮去除不理想的原因。
废水的脱氮效果很大程度上取决于废水中反硝化碳源的含量及性能[3]。马娟、 彭永臻、王淑莹等研究表明提高C/N有利于总氮的去除[4]，侯红娟等研究表明进水COD高，脱氮效率也高[5]。为查找总氮去除不理想的原因，取CASS池内的泥水混合液两份进行对照实验，实验组补充适量玉米淀粉作为反硝化碳源，试验结果显示，实验组总氮浓度较对照组有较为明显的降低，表明低C/N含氮污水生物脱氮的主要障碍在于反硝化碳源不足。为了提高TN去除率，从两个方面采取措施：一方面是均衡营养盐，每个运行周期均投加淀粉补充碳源，另一方面是工艺调整，在工艺控制及流程上，CASS池滗水完成后COD值已经很低，尽快安排进水，以期最大限度地利用进水的碳源供反硝化作用。同时为保证进水与池内混合液的较快混合，全程回流开启并适当延长沉淀时间。期间对调整全过程反应池内硝化及反硝化跟踪监测。
对上述措施进行灵活控制后，总氮去除率大为提高，说明补充碳源在总氮的去除中起到了重要作用。20d后出水氨氮、总氮指标均稳定达标，处理水质情况见表2。
3结论及建议
（1）由于原水碳源不足，低C/N，高氮磷，通过补充碳源能起到提高污泥的沉降性能和促进反硝化进行的作用，硝化不彻底和反硝化阶段碳源不足是造成TN去除率低的主要因素。
（2）高氨氮、低C /N、在低温情况下运行，让硝化菌能够持续发挥其作用，一方面可以人为的改变硝化菌的生存环境，适当维持生化单元相对较高的污泥浓度来提高系统的抗冲击能力。另一方面通过人为调节控制，降低进入生化池的氨氮浓度，进而减少高浓度氨氮或游离氨对硝化菌的抑制作用，促进硝化反应的进行。
（3）在氨氮含量不超过70mg/L，碳源严重不足的情况下，限制反应池内DO不致过高，控制曝气池的DO在2.5mg /L 左右可以减轻碳源不足的不利影响。
参考文献
[1]高廷耀，顾国维，周琪.水污染控制工程[M]下册.第三版，北京：高等教育出版社，2007.
[2]冯志刚，蒋林时，张洪林，等.水中氨氮含量对活性污泥性能的影响[J].江西师范大学学报（自然科学版），2006， 30（ 4） ： 392-395.
[3]PENG Y，YONG M A，WANG S.Denitrification potential enhancement by addition of external carbon sources in a pre-denitrification process[J].Journal of Environmental Sciences，2007.19（3）：284-289.
[4]馬 娟. 彭永臻.王淑莹，等.CAST工艺处理低C/N生活污水的强化脱氮性能[J]环境工程学报，2009，12，3（2）：234-238.
[5]侯红娟， 王洪洋， 周琪. 进水COD浓度及C/N值对脱氮效果的影响[J] .中国给水排水， 2005， 21（ 12）： 19- 23.
作者简介： 吴沅州（1984-），男，贵州黄平人，本科，工程师，主要从事水污染控制及运营管理。