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節(jié)省脫氮成本48% 這個(gè)污水廠是怎么做到的？
導(dǎo) 讀：針對(duì)低碳氮比條件下城市污水處理廠碳源不足、生物脫氮成本費(fèi)用較高的問(wèn)題，以山東某城市污水處理廠為例，用某企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的乙酸、乙酸鈉及乙酸乙酯等短分子鏈類復(fù)合有機(jī)液替代葡萄糖作為碳源，并對(duì)其脫氮效果進(jìn)行試驗(yàn)論證；分析缺氧池末端NO3--N與TN的相關(guān)關(guān)系，以大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立缺氧池出口處NO3--N與TN控制比值。采取以上控制方法后，污水處理廠節(jié)省脫氮成本48%，污泥日均產(chǎn)量降低46%，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
1 工程概況
山東省某市政污水處理廠設(shè)計(jì)處理規(guī)模為3萬(wàn)m3/d，采用AAO工藝，出水TN指標(biāo)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。該廠進(jìn)水工業(yè)廢水占比40%，有機(jī)物含量低、可生化性差，絕大多數(shù)情況下，C/N為2.8左右，該廠2019年進(jìn)出水水質(zhì)見表1，具體運(yùn)行參數(shù)如下：厭氧池、缺氧池和好氧池末端溶解氧（DO）分別控制在<0.2mg/L 、0.15~0.3mg/L和2~4mg/L，水力停留時(shí)間（HRT）分別為2.34h、4.56h、19.03h，硝化液回流和污泥回流均控制在100%，污泥齡為10~14d，pH在7~8，水溫12~31℃。
2 成本控制方法分析及應(yīng)用
2.1 優(yōu)化碳源
該污水處理廠在2019年使用50%液體葡萄糖作為外加碳源，細(xì)胞產(chǎn)率高，反硝化利用率低，導(dǎo)致運(yùn)行成本偏高，產(chǎn)泥量大，經(jīng)濟(jì)性差，諸多研究表明，甲醇、乙醇、乙酸、丙酸等更小分子有機(jī)物效果優(yōu)于葡萄糖，且產(chǎn)泥量低，將不同類型碳源對(duì)反硝化效果影響進(jìn)行比較如表2。
甲醇最為適用，但甲醇屬于危險(xiǎn)化學(xué)品管制藥劑，且具有一定毒性，馴化周期長(zhǎng)，使用管理不便，而乙酸或乙酸類有機(jī)產(chǎn)品價(jià)格較高，使得脫氮成本難以降低，而在其他許多行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有大量含乙酸或乙酸等短分子鏈類有機(jī)物質(zhì)的廢液經(jīng)氧化處置后排放，造成有機(jī)資源的浪費(fèi)，若該類有機(jī)廢水能作為碳源使用，既可實(shí)現(xiàn)資源化，也能因其同當(dāng)量?jī)r(jià)格遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)類產(chǎn)品從而降低污水處理廠脫氮成本。該污水處理廠以當(dāng)?shù)啬持扑幤髽I(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的含乙酸、乙酸鈉及乙酸乙酯等混合類有機(jī)液體副產(chǎn)物作為碳源進(jìn)行試驗(yàn)分析，其中乙酸、乙酸鈉及乙酸乙酯含量分別為10.18%、16.36%、3.3%，主要指標(biāo)COD=3.0×105 mg/L，BOD5=2.4×105 mg/L，pH=4.8，首先在試驗(yàn)室對(duì)該復(fù)合碳源的反硝化速率、起始投加濃度及脫氮效果進(jìn)行研究，試驗(yàn)過(guò)程如下：
取缺氧池池進(jìn)口及內(nèi)回流污泥缺氧池污泥混合液各1L分別放入4個(gè)燒杯中，檢測(cè)初始SCOD、MLVSS、DO分別為26mg/L、2 370mg/L、0.11mg/L，pH為6.9，3組燒杯中分別投加200、300、400mg/L的復(fù)合碳源，一組不投加作為對(duì)照組，使用六聯(lián)攪拌機(jī)攪拌，由于復(fù)合型碳源顯酸性，為防止反硝化反應(yīng)的抑制，采用NaOH溶液調(diào)節(jié)初始pH控制在6.5~7.0，分別在0、10、20、30、60、120、240min時(shí)間檢測(cè)TN、NO3--N、NO2--N，繪制不同濃度碳源投加下的反硝化過(guò)程，見圖1。
從圖1可以發(fā)現(xiàn)，該混合類有機(jī)液作為復(fù)合碳源后，生物脫氮效果良好，反硝化速率快，碳源濃度足夠的情況下，反應(yīng)30min內(nèi)NO3--N的去除率
在95%以上，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，乙酸乙酯類反硝化速率低的物質(zhì)起了主要作用，因而有了反硝化速率的減低和TN降解的變化。另外，圖1中反應(yīng)時(shí)間在30min時(shí)存在一個(gè)NO3--N拐點(diǎn)，結(jié)合NO2--N和TN變化情況，認(rèn)為脫氮的途徑并不僅有“NO3-→NO2-→NO→N2O→N2"一種，據(jù)研究表明城市污水處理廠存在復(fù)雜的微生物群落結(jié)構(gòu)和氮素轉(zhuǎn)化途徑，而厭氧氨氧化菌普遍存在各個(gè)單元，但菌群豐度較低，在30min節(jié)點(diǎn)，環(huán)境中有機(jī)物濃度極低，此時(shí)厭氧氨氧化作用顯著，造成30min后的N素趨勢(shì)圖，因?yàn)樵诃h(huán)境中存在少量有機(jī)物時(shí)，厭氧氨氧化菌無(wú)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，所以這也間接說(shuō)明了該復(fù)合碳源的反硝化速率快。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，污水處理廠從4月12日開始使用該復(fù)合碳源投加，選擇起始投加濃度為300mg/L，一次性全部替換葡萄糖，投加點(diǎn)選擇在缺氧池進(jìn)口段，根據(jù)實(shí)際水質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整，對(duì)脫氮效果進(jìn)行持續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)污泥對(duì)該復(fù)合碳源適應(yīng)性強(qiáng)，出水TN指標(biāo)從當(dāng)天開始連續(xù)一個(gè)月穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)每天污泥濃度變化及脫泥量，見圖2。
從圖2可以發(fā)現(xiàn)，2019年4月、5月投加葡萄糖作為外加碳源，日均脫泥量41 t，污泥濃度維持相對(duì)穩(wěn)定，2020年4月、5月投加復(fù)合碳源作為外加碳源，日脫泥量與2019年基本不變的情況下，污泥濃度逐步下降，日均脫泥量調(diào)整為22t后，污泥濃度穩(wěn)定在5 000~5 500mg/L，通過(guò)以上對(duì)比，可從實(shí)際結(jié)果上量化該復(fù)合碳源能降低產(chǎn)泥量46%。
2.2 增加工藝控制點(diǎn)
在AAO工藝的缺氧池末端出水TN在經(jīng)歷反硝化作用變成氮?dú)夂?，剩下的TN一部分以NO3--N形式存在，根據(jù)反硝化程度，NO3--N的占比不同，在工藝穩(wěn)定、進(jìn)水內(nèi)部碳源不足的情況下，反硝化程度主要受到外加碳源量的影響，所以碳源投加量可以控制生化池的反硝化脫氮程度，而使得缺氧池末端NO3--N/TN是在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍，以NO3--N作為出水TN的工藝控制點(diǎn)，在缺氧池末端安裝在線硝態(tài)氮儀表，檢測(cè)缺氧池出口NO3--N，可實(shí)現(xiàn)碳源投加精細(xì)化控制，節(jié)約成本。選擇在缺氧池末端主要有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是能夠及時(shí)表現(xiàn)缺氧池反硝化效果，反饋到出水TN的控制；二是具有及時(shí)調(diào)控性，由于復(fù)合碳源的反硝化速率快，在反硝化能力不足的情況下，增加投加量能夠快速達(dá)到脫氮效果。
該廠2020年4月底在#1生化池安裝在線硝態(tài)氮儀表，經(jīng)過(guò)1個(gè)月的數(shù)據(jù)積累觀察，繪制如圖3。
此過(guò)程中，5月15日開始進(jìn)水氯離子濃度升高，由800mg/L上升至1 400mg/L，對(duì)硝態(tài)氮儀器產(chǎn)生一定干擾，5月28日手動(dòng)調(diào)整氯離子補(bǔ)償后恢復(fù)。從圖3數(shù)據(jù)可以看出，在工藝穩(wěn)定的情況下，NO3--N/TN是在相對(duì)穩(wěn)定范圍內(nèi)，所以可以從硝態(tài)氮儀器數(shù)據(jù)及時(shí)掌握目前TN指標(biāo)數(shù)據(jù)，從而調(diào)整碳源的投加，該水廠出水口TN出水控制在9~12mg/L范圍內(nèi)。
3 經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)
該水廠自4月12日開始采取上述兩項(xiàng)控制方法，實(shí)施精細(xì)化投加，截至7月20日共100 d，在此階段記錄每日的藥劑用量、處理水量及進(jìn)出水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，與去年同期使用葡萄糖時(shí)對(duì)比，以單位水量碳源成本費(fèi)用I（元/t）作為經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，見表3。
式中 I——單位水量成本，元/m3；
M——碳源使用量，kg；
P——碳源單價(jià)，元/t；
W——處理水量，m3。
控制方法應(yīng)用后，碳源成本費(fèi)用I應(yīng)用后=（944 506×800）/（2 077 296×1 000）=0.364（元/t）。
控制方法應(yīng)用前，碳源成本費(fèi)用I應(yīng)用前=（1 107 460×1 419）/（2 250 776×1 000）=0.698（元/t）。
成本降低比例為：100%×（0.698-0.364）/0.364=48%。
該廠實(shí)施策略后，出水TN指標(biāo)控制值提高，在工藝和水質(zhì)基本相同的條件下，使得生物脫氮的噸水成本降低48%，經(jīng)濟(jì)效果明顯。
4 結(jié)論及建議
乙酸、乙酸鈉等短分子鏈類的混合有機(jī)液在醫(yī)藥、染料、農(nóng)藥等多行業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)物或廢液中存在，市場(chǎng)價(jià)格遠(yuǎn)低于同COD當(dāng)量的國(guó)標(biāo)類有機(jī)碳源，該類短分子鏈混合有機(jī)液作為碳源，脫氮效果良好，且產(chǎn)泥量少、反硝化速率快，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以進(jìn)行推廣，同時(shí)在缺氧池末端增加NO3--N工藝控制點(diǎn)，長(zhǎng)期觀察累積NO3--N與TN數(shù)據(jù)，建立相對(duì)穩(wěn)定比值關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)碳源的精準(zhǔn)投加和出水TN指標(biāo)的穩(wěn)定控制，以上可使得在低C/N的條件下，市政污水處理廠能降低生物脫氮成本。但需要注意的是，如果使用的是有機(jī)廢液作為碳源，需要滿足當(dāng)?shù)卣块T的管控要求，也要對(duì)這類非國(guó)標(biāo)類碳源中的其他物質(zhì)，如總氮、總磷、重金屬等進(jìn)行全面的檢測(cè)，避免不利影響。長(zhǎng)期投加短分子鏈類的混合有機(jī)液作為碳源，具有產(chǎn)泥量少的優(yōu)點(diǎn)，但這也是污泥性狀不及投加糖類有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物良好的原因，表現(xiàn)在污泥沉降性變的相對(duì)較差、鏡檢中的微生物明顯變少，建議在使用該類碳源產(chǎn)品時(shí)，參雜投加適量糖類作為營(yíng)養(yǎng)物培養(yǎng)微生物，維持良好污泥性狀，提高沉降性。