節省脫氮成本48% 這個污水廠是怎么做到的？

導 讀：針對低碳氮比條件下城市污水處理廠碳源不足、生物脫氮成本費用較高的問題，以山東某城市污水處理廠為例，用某企業生產過程中產生的乙酸、乙酸鈉及乙酸乙酯等短分子鏈類復合有機液替代葡萄糖作為碳源，并對其脫氮效果進行試驗論證；分析缺氧池末端NO₃^--N與TN的相關關系，以大量數據為基礎，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，污水處理廠節省脫氮成本48%，污泥日均產量降低46%，取得了良好的經濟效益。

1 工程概況

山東省某市政污水處理廠設計處理規模為3萬m3/d，采用AAO工藝，出水TN指標執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。該廠進水工業廢水占比40%，有機物含量低、可生化性差，絕大多數情況下，C/N為2.8左右，該廠2019年進出水水質見表1，具體運行參數如下：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用

2.1 優化碳源

該污水處理廠在2019年使用50%液體葡萄糖作為外加碳源，細胞產率高，反硝化利用率低，導致運行成本偏高，產泥量大，經濟性差，諸多研究表明，甲醇、乙醇、乙酸、丙酸等更小分子有機物效果優于葡萄糖，且產泥量低，將不同類型碳源對反硝化效果影響進行比較如表2。

甲醇最為適用，但甲醇屬于危險化學品管制藥劑，且具有一定毒性，馴化周期長，使用管理不便，而乙酸或乙酸類有機產品價格較高，使得脫氮成本難以降低，而在其他許多行業生產過程中會有大量含乙酸或乙酸等短分子鏈類有機物質的廢液經氧化處置后排放，造成有機資源的浪費，若該類有機廢水能作為碳源使用，既可實現資源化，也能因其同當量價格遠低于國標類產品從而降低污水處理廠脫氮成本。該污水處理廠以當地某制藥企業生產過程中產生的含乙酸、乙酸鈉及乙酸乙酯等混合類有機液體副產物作為碳源進行試驗分析，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COD=3.0×105 mg/L，BOD5=2.4×105 mg/L，pH=4.8，首先在試驗室對該復合碳源的反硝化速率、起始投加濃度及脫氮效果進行研究，試驗過程如下：

取缺氧池池進口及內回流污泥缺氧池污泥混合液各1L分別放入4個燒杯中，檢測初始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的復合碳源，一組不投加作為對照組，使用六聯攪拌機攪拌，由于復合型碳源顯酸性，為防止反硝化反應的抑制，采用NaOH溶液調節初始pH控制在6.5~7.0，分別在0、10、20、30、60、120、240min時間檢測TN、NO₃^--N、NO₂^--N，繪制不同濃度碳源投加下的反硝化過程，見圖1。

從圖1可以發現，該混合類有機液作為復合碳源后，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30min內NO₃^--N的去除率

在95%以上，隨著反應的進行，乙酸乙酯類反硝化速率低的物質起了主要作用，因而有了反硝化速率的減低和TN降解的變化。另外，圖1中反應時間在30min時存在一個NO₃^--N拐點，結合NO₂^--N和TN變化情況，認為脫氮的途徑并不僅有“NO₃^-→NO₂^-→NO→N₂O→N₂”一種，據研究表明城市污水處理廠存在復雜的微生物群落結構和氮素轉化途徑，而厭氧氨氧化菌普遍存在各個單元，但菌群豐度較低，在30min節點，環境中有機物濃度極低，此時厭氧氨氧化作用顯著，造成30min后的N素趨勢圖，因為在環境中存在少量有機物時，厭氧氨氧化菌無競爭優勢，所以這也間接說明了該復合碳源的反硝化速率快。

根據試驗結果，污水處理廠從4月12日開始使用該復合碳源投加，選擇起始投加濃度為300mg/L，一次性全部替換葡萄糖，投加點選擇在缺氧池進口段，根據實際水質情況及時調整，對脫氮效果進行持續觀察，發現污泥對該復合碳源適應性強，出水TN指標從當天開始連續一個月穩定達標，同時統計每天污泥濃度變化及脫泥量，見圖2。

從圖2可以發現，2019年4月、5月投加葡萄糖作為外加碳源，日均脫泥量41 t，污泥濃度維持相對穩定，2020年4月、5月投加復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，日均脫泥量調整為22t后，污泥濃度穩定在5 000~5 500mg/L，通過以上對比，可從實際結果上量化該復合碳源能降低產泥量46%。

2.2 增加工藝控制點

在AAO工藝的缺氧池末端出水TN在經歷反硝化作用變成氮氣后，剩下的TN一部分以NO₃^--N形式存在，根據反硝化程度，NO₃^--N的占比不同，在工藝穩定、進水內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是在一個相對穩定的范圍，以NO3--N作為出水TN的工藝控制點，在缺氧池末端安裝在線硝態氮儀表，檢測缺氧池出口NO₃^--N，可實現碳源投加精細化控制，節約成本。選擇在缺氧池末端主要有以下兩個優點：一是能夠及時表現缺氧池反硝化效果，反饋到出水TN的控制；二是具有及時調控性，由于復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到脫氮效果。

該廠2020年4月底在#1生化池安裝在線硝態氮儀表，經過1個月的數據積累觀察，繪制如圖3。

此過程中，5月15日開始進水氯離子濃度升高，由800mg/L上升至1 400mg/L，對硝態氮儀器產生一定干擾，5月28日手動調整氯離子補償后恢復。從圖3數據可以看出，在工藝穩定的情況下，NO3--N/TN是在相對穩定范圍內，所以可以從硝態氮儀器數據及時掌握目前TN指標數據，從而調整碳源的投加，該水廠出水口TN出水控制在9~12mg/L范圍內。

3 經濟效果評價

該水廠自4月12日開始采取上述兩項控制方法，實施精細化投加，截至7月20日共100 d，在此階段記錄每日的藥劑用量、處理水量及進出水質指標數據，與去年同期使用葡萄糖時對比，以單位水量碳源成本費用I（元/t）作為經濟評價指標，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，元/t；

W——處理水量，m3。

控制方法應用后，碳源成本費用I應用后=（944 506×800）/（2 077 296×1 000）=0.364（元/t）。

控制方法應用前，碳源成本費用I應用前=（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%。

該廠實施策略后，出水TN指標控制值提高，在工藝和水質基本相同的條件下，使得生物脫氮的噸水成本降低48%，經濟效果明顯。

4 結論及建議

乙酸、乙酸鈉等短分子鏈類的混合有機液在醫藥、染料、農藥等多行業生產的副產物或廢液中存在，市場價格遠低于同COD當量的國標類有機碳源，該類短分子鏈混合有機液作為碳源，脫氮效果良好，且產泥量少、反硝化速率快，在實際工程應用中可以進行推廣，同時在缺氧池末端增加NO₃^--N工藝控制點，長期觀察累積NO3^--N與TN數據，建立相對穩定比值關系，可實現碳源的精準投加和出水TN指標的穩定控制，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，如果使用的是有機廢液作為碳源，需要滿足當地政府部門的管控要求，也要對這類非國標類碳源中的其他物質，如總氮、總磷、重金屬等進行全面的檢測，避免不利影響。長期投加短分子鏈類的混合有機液作為碳源，具有產泥量少的優點，但這也是污泥性狀不及投加糖類有機營養物良好的原因，表現在污泥沉降性變的相對較差、鏡檢中的微生物明顯變少，建議在使用該類碳源產品時，參雜投加適量糖類作為營養物培養微生物，維持良好污泥性狀，提高沉降性。

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