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反應(yīng)器中同時發(fā)生，系統(tǒng)不需要明顯的缺氧時間段或缺氧分區(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，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）。考慮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），瞬時最低負(fù)荷僅為設(shè)計值的30%。不同月份水量差異也較為明顯，最低負(fù)荷僅為設(shè)計值的53%（見圖3c）。
再生水廠結(jié)合來水時變化及日變化規(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，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，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)
