黃 斌

（長沙市聯(lián)泰水質(zhì)凈化有限公司湖南長沙410219）

城鎮(zhèn)污水處理廠強化低溫硝化案例探討

黃 斌

（長沙市聯(lián)泰水質(zhì)凈化有限公司湖南長沙410219）

硝化反應(yīng)速率受溫度影響較大，低溫使得硝化反應(yīng)速率下降，針對某污水處理廠A2/O工藝在冬季水溫處于10℃左右的情況下出現(xiàn)的硝化效果不好的問題，通過分析研究及優(yōu)化調(diào)整，通過將MLVSS提高至2g/L，生物池好氧段DO提高至3mg/L～4mg/L的措施，在現(xiàn)有條件下可將氨氮去除率提高至80%以上。

城鎮(zhèn)；污水處理廠；低溫硝化；強化

活性污泥法處理污水至今已有100年歷史，幾十年來活性污泥法處理技術(shù)有很快的發(fā)展，已成為城鎮(zhèn)污水采用最為廣泛的處理方法[1]。隨著水體富營養(yǎng)化問題日趨得到重視，污水處理廠相應(yīng)的需增加脫氮除磷功能。由于活性污泥法是自然凈化的強化，對于水量大濃度相對較低的城鎮(zhèn)生活污水來講，相較于其他物理化學方法有著天然的成本優(yōu)勢，因此目前為止，活性污泥法仍然是城鎮(zhèn)污水處理中運用最廣泛最合適的技術(shù)。

但活性污泥法也存在相應(yīng)的問題，本文著重探討的是活性污泥法處理中氨氮的低溫硝化存在的問題，由于硝化菌的消化速率受溫度影響較大，而污水水溫是季節(jié)性變化的，冬季水溫普遍較低，在南方地區(qū)一般會低于10℃，使得冬季運行中出現(xiàn)氨氮去除率較低的的現(xiàn)象，筆者針對所在的污水處理廠運行情況，分析原因并進行工藝調(diào)整，強化了污水處理系統(tǒng)的低溫硝化效果，實現(xiàn)了穩(wěn)定達標排放，同時分享出水水質(zhì)標準要求提高后，現(xiàn)有工藝技術(shù)改造的設(shè)計思路。

1 污水廠概況

某污水處理廠一期設(shè)計規(guī)模30×104m3/d，出水達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級B排放標準，生化工藝采用改良型A2/O工藝，主要特點為在厭氧池前段設(shè)置選擇池，二沉池回流污泥先進入選擇池進行反硝化，避免硝酸鹽對厭氧釋磷的影響，此外，好氧和缺氧段池型設(shè)計為卡魯塞爾氧化溝池型，以微孔曝氣器的分布區(qū)域來區(qū)分好氧段和缺氧段，該設(shè)計的最大好處在于內(nèi)回流比較大，具有完全混合型生物反應(yīng)器的抗沖擊效果好的特點。

2 實際運行中低溫對硝化反應(yīng)的影響

由于污水處理廠地處南方地區(qū)，納污區(qū)排水體制大部分為合流制，導(dǎo)致進水水質(zhì)隨季節(jié)波動較大，雨季濃度低，旱季濃度高，且由于城市建設(shè)的影響，合流制造成了進水SS中無機成分比例較高。

依據(jù)污水廠多年數(shù)據(jù)，夏季水溫可保持在25℃～30℃之間，且由于進水濃度相對較低，污泥負荷低，硝化反應(yīng)效率較高，出水氨氮基本維持在1mg/L以下。但每年進入11月之后，水溫逐步下降，最低水溫出現(xiàn)在次年1～2月，基本維持在9℃～11℃之間，最低水溫曾降至7.8℃，此時反映出來的情況就是硝化反應(yīng)效率持續(xù)下降，出水氨氮持續(xù)上漲。

研究表明，溫度對硝化反應(yīng)的影響很大（見圖1），生物硝化反應(yīng)可以在4℃~45℃的溫度范圍內(nèi)進行，最佳溫度大約為30℃，硝化菌對溫度變化非常敏感，對于同時去除有機物和進行硝化反應(yīng)的系統(tǒng)，溫度低于15℃即發(fā)現(xiàn)硝化速率急劇下降。溫度不但影響硝化菌的比增長速率，而且影響硝化菌的活性[2]。表1所示為不同溫度下亞硝酸菌的最大比增長速率μN值。

表1 不同溫度下亞硝酸菌的最大比增長速率

圖1 溫度對硝化反應(yīng)速率的影響

從污水廠歷年數(shù)據(jù)來看，前期冬季水溫下降到15℃以下并持續(xù)下降時，在不進行任何工藝調(diào)整的情況下，出水氨氮明顯上漲，在水溫下降至10℃左右時，出水氨氮日均值（24h混合樣）由夏季的低于1mg/L逐漸上升至5 mg/L～6mg/L，最高上漲至7.6mg/L，平均去除率由夏季的94%下降至70%左右，最低降至60%左右。

3 現(xiàn)有條件下強化硝化的措施和效果

在充分研究硝化理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合污水廠的實際工藝情況，該廠做了一系列的分析和優(yōu)化措施。

3.1 提高好氧段DO濃度

硝化反應(yīng)必須在好氧條件下進行，一般建議反應(yīng)中DO濃度應(yīng)控制在2mg/L，日常運行中依據(jù)工藝情況進行DO調(diào)整，既要滿足污染物得到有效降解，出水水質(zhì)達標，又要做到盡可能的節(jié)省能源，該廠日常運行中DO一般控制在1.5 mg/L～2.0mg/L之間，夏季最低時維持在1 mg/L～1.5mg/L之間即可滿足生產(chǎn)需要。研究表明，在同時去除有機物和進行硝化反應(yīng)的系統(tǒng)中，硝化菌在活性污泥中的比例約為8%左右，且大部分處于生物絮體內(nèi)部[3]，在這種情況下，DO濃度的增加將提高DO對生物絮體的穿透力，使得內(nèi)部的硝化菌能夠獲得足夠的溶解氧，從而提高硝化反應(yīng)速率。圖2為溶解氧對硝化反應(yīng)速率的影響[4]。

圖2 為溶解氧對硝化反應(yīng)速率的影響

但提高DO濃度也有不利的一面，主要是會影響缺氧區(qū)的反硝化環(huán)境，使得TN的去除率降低，同時也將造成無謂的能源浪費，生產(chǎn)成本的增加。因此，DO濃度應(yīng)控制在一個合理的范圍內(nèi)，既能有效降低出水氨氮濃度，又能不影響反硝化的進行，同時最大程度降低能耗。

3.2 提高污泥濃度

該廠設(shè)計污泥濃度為3.8g/L，設(shè)計BOD負荷為0.11kgBOD5/ kgMLSS·d，氨氮負荷為0.025kgNH3-N/kgMLSS·d。提高污泥濃度以應(yīng)對低溫硝化反應(yīng)主要有以下幾點考慮。（1）研究表明隨著溫度下降至一定程度，硝化速率開始持續(xù)下降，可以理解為單位硝化菌可降解的氨氮量的下降，由于在一個相對穩(wěn)定的系統(tǒng)中硝化菌在活性污泥中占比也相對恒定，此時提高污泥濃度意味著提高整個系統(tǒng)的硝化菌數(shù)量，硝化細菌量的增多無疑能使得系統(tǒng)的總氨氮去除量得以增加，以彌補硝化速率下降帶來的影響。（2）硝化菌是自養(yǎng)菌，其比增長速率比異養(yǎng)菌的比增長速率低得多，且上述提及低溫不僅使得硝化速率降低，同時也使得硝化菌的比增長速率成倍的下降，因此在提高污泥濃度，排泥保持不變的情況下，相當于增加了系統(tǒng)的泥齡，確保系統(tǒng)中有足夠的硝化菌。（3）研究表明當F/M值高，污泥絮體外層的耗氧速率將會增加，從而使得絮體內(nèi)部形成缺氧區(qū)，那么需要更高的DO才能提高溶解氧對生物絮體的穿透力，這無疑會增加很大一部分能耗，而污泥濃度的提高同時也降低了系統(tǒng)F/M值，在低F/M值的條件下，由于生物絮體外部耗氧量需求的下降，使得整個生物絮體能夠保持好氧狀態(tài)[4]，即處于絮體內(nèi)部的硝化菌在同等DO濃度下能夠獲得更多的溶解氧，從而提高整體的硝化反應(yīng)速率。

需要注意的是，污泥濃度的提高需要考慮在一個合理的范圍，由于生物除磷原理是依靠聚磷菌超量吸收磷的作用，將磷富集于聚磷菌體內(nèi)，隨著系統(tǒng)剩余污泥的排走而排出系統(tǒng)的，而污泥齡過長會使得超量吸收的磷未能及時從系統(tǒng)內(nèi)排走，此外有研究認為污泥齡過長會發(fā)生污泥的“自溶”，即污泥死亡解體，使得聚磷菌吸收的磷又重新回到液相中[5]，從而影響系統(tǒng)的除磷。另外，還需考慮污泥濃度過大時，系統(tǒng)是否有足夠的攪拌功率確保生物池不發(fā)生沉泥現(xiàn)象。

3.3 工藝優(yōu)化效果

在結(jié)合實際生產(chǎn)情況，該廠以出水水質(zhì)指標為導(dǎo)向，進行了污泥濃度和溶解氧的調(diào)整，平均污泥濃度控制在6g/L左右，相對污水廠普遍水平來說較高，這主要是由于上述提及的該廠進水SS無機物含量較高，加上污泥齡較長，使得生物池的污泥MLVSS/ MLSS值較低，平均只有30%～40%，從微生物負荷的角度來講，實際上MLSS并不是一個嚴謹?shù)目刂茀?shù)，活性污泥中只有有機成分部分，即MLVSS，才是真正發(fā)揮生物化學反應(yīng)的有用部分，因此該廠通過研究試驗，最終控制的目標是MLVSS需達到2g/L左右，在此基礎(chǔ)上，合理控制DO濃度，將好氧段平均DO濃度提高至3 mg/L～4mg/L之間，短時間提高至5mg/L左右，即可確保出水氨氮濃度得到有效降低，穩(wěn)定達到2mg/L~4mg/L左右，去除率提高到80%以上，這樣出水氨氮指標即遠離超標危險區(qū)，也最大程度地節(jié)約了能耗。

4 提標改造的工藝技改對策

隨著國家對環(huán)境保護的重視程度越來越高，現(xiàn)有的污水處理廠已逐步進入水質(zhì)提標階段。筆者所在污水處理廠主要出水水質(zhì)指標已確定提高至地表準IV類水（TN≤10）水質(zhì)，其中氨氮的指標從原來的8mg/L提高至1.5mg/L，從該廠歷年運行數(shù)據(jù)來看，此標準一年中只有雨季的時候能夠穩(wěn)定達到，冬季很難達標，且隨著城市管網(wǎng)的完善，可以預(yù)計進水濃度將逐步上漲，以目前的工藝系統(tǒng)是完全無法滿足新標準的要求的，工藝的升級改造勢在必行。MBBR（移動床生物膜反應(yīng)器）工藝是向現(xiàn)有生物池投加比重接近于水的填料，作為微生物附著生長的載體，利用填料表面附著生長的生物膜和原有生物池中的懸浮活性污泥協(xié)同處理污水[6]，是一種活性污泥法和生物膜法相結(jié)合的工藝，附著的生物膜生物量非常大，可使系統(tǒng)總污泥濃度大幅度提升，同時系統(tǒng)中懸浮污泥泥齡和生物膜污泥的泥齡實現(xiàn)了完全分開控制，可解決傳統(tǒng)脫氮除磷工藝在污泥齡上存在不可調(diào)和的矛盾，因此該工藝能夠很好的解決原有系統(tǒng)池容不足、負荷能力不足的問題。MBBR工藝在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)也有眾多成功案例，較為成熟，例如青島團島污水處理廠，該廠采用MBBR工藝改造后的運行數(shù)據(jù)顯示，氨氮的平均去除率可高達97.19%[7]，是一種穩(wěn)定可靠的工藝型式。

通過對各種升級改造工藝的研究了解，筆者所在污水廠的提標改造最終確定采用MBBR工藝，改造時好氧段部分廊道投加固定填料，填料投加比60%，單格投加填料容積2600m3，填料孔隙率大于95%，有效比表面積大于200m2/m3。計算生化池提標改造后總有效當量池容和當量停留時間較原系統(tǒng)提高了15%。目前項目正在進行中，具體實際運行情況有待后續(xù)繼續(xù)研究。

5 結(jié)語

對于城鎮(zhèn)污水處理廠，硝化過程受水溫影響很大，水溫低于15℃時硝化速率開始出現(xiàn)下降，水溫越低，硝化速率下降得越明顯。適當?shù)靥岣呶勰酀舛纫约叭芙庋跄苡行У靥岣呦趸磻?yīng)速率，是活性污泥法應(yīng)對低溫的強化硝化措施當中最直接、快速、經(jīng)濟的方法，可確保低溫環(huán)境下出水水質(zhì)達標。MBBR則是升級改造時可選擇的較為成熟及節(jié)省的一種工藝方式。

[1]張自杰.廢水處理理論與設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2003,298.

[2]馬勇,彭永臻.城市污水處理系統(tǒng)運行及過程控制[M].北京:科學出版社,2007,213.

[3]張雷,李明,汪恂.沙湖污水處理廠低溫脫氮問題診斷與優(yōu)化[J].中國給水排水,2014,30(23):65-68.

[4]李亞新.活性污泥法理論與技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2007.224-225.

[5]許保玖,龍騰銳.當代給水與廢水處理原理（第二版）[M].北京:高等教育出版社,2000,536-537.

[6]王文浩,李文超,何巖,黃民生,王國華,鄒偉國.城鎮(zhèn)污水處理廠低溫硝化強化研究進展[J].工業(yè)水處理,2016,36(6):7-11.

[7]韓萍,許斌,宋美芹,張晶晶，吳迪.團島污水廠MBBR工藝的升級改造及運行效果[J].中國給水排水,2014,30(12):110-114.

黃斌（1982——），男，漢，廣東汕頭，工程碩士，環(huán)境保護工程師，研究方向：環(huán)保水處理。