低温环境下污水处理厂工艺改造及运行结果分析.pdf

第49卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.49 No.10Oct.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT低温环境下污水处理厂工艺改造及运行结果分析低温环境下污水处理厂工艺改造及运行结果分析崔天怀，程军（陕西省水务集团有限公司，陕西 西安 710021）摘摘 要要:冬季低温是污水处理厂稳定运行的最大挑战之一，通常会引起出水超标、污泥膨胀、处理水量不足等严重问题，污水处理厂一般采取工艺参数调整加以应对，然而实际结果表明当水温低到一定程度时常规手段仍难奏效。以陕西省某县城污水处理厂工艺改造为例，提出了通过深挖系统潜能强化脱氮除磷，同时结合芽孢杆菌优势菌种的改造思路，实现了在进水温度仅有5、持续时间超过40 d的极限条件下的稳定处理。实际运行结果表明，该污水处理厂在进水温度13.2 条件下仅用12天启动调试成功，随着水温进一步降低系统保持稳定，平均出水COD、NH4+-N、TN、TP分别为：19.49、0.095、11.24和0.188 mg/L，稳定达到 陕西省黄河流域污水综合排放标准 A类；吨水处理能耗和药剂成本分别降低约12%和60%。达到了良好的处理效果，为同类型污水处理厂的提标改造提供了参考和借鉴。关键词关键词:县城污水处理厂;低温脱氮;芽孢杆菌;工艺改造;BBR生物转盘;节能降耗开放科学开放科学（资源服务资源服务）标识码标识码（OSID）:中图分类号中图分类号:X703.1 文献标识码文献标识码:B 文章编号文章编号:10003770(2023)10-0141-005我国幅员辽阔，各地区气候条件及生活习惯差异较大，相应的污水处理工艺及水质指标具有明显的地域特点，尤其在我国西北部一些地区普遍存在进水水质高、水温变化大、污泥产量高、药剂量大、能耗高等特点。特别是对于部分城镇污水处理厂冬季低温期间的稳定运行成为最大的挑战之一。一般认为当温度低于13 时，活性污泥系统处理效果会急速下降，当水温低于10 时，活性污泥微生物代谢速率明显下降，停止增殖并处于休眠状态，严重影响污水处理效果，当水温低于4 时，大部分污泥失去活性，几乎无处理效果1-2。其中，硝化细菌对于温度的变化非常敏感，有研究表明，温度在30 时的硝化和反硝化速率分别是5 时的28和4.9倍2，因此冬季低温对于氨氮、总氮指标的影响非常明显3；同时，低温环境下亲和力更强的丝状菌在与菌胶团菌对底物的竞争中往往处于优势地位并大量繁殖，造成污泥膨胀、生化池浮泥泡沫、二沉池跑泥等问题4-5；此外，低温环境下污染物降解速率降低，污水处理能力下降，出水水质受到严重影响6-7。为有效应对低温的影响，污水处理厂通常采用适当提高污泥浓度、提高曝气量、增大回流比、降低处理负荷、投加低温菌种等调整措施及保温加盖、增加深度处理、引入其他热源等工程措施加以解决8-11。大量工程案例表明，这些措施虽能一定程度上缓解低温对处理效果的影响，但是当进水水温低于8 以下甚至35 时，出水水质几乎都会受到严重影响。随着出水标准的不断提高，冬季低温期间如何稳定达标排放成为污水处理行业关注的热点。本文以陕北某县城污水处理厂为例，详细介绍了该污水处理厂工艺改造过程及运行结果分析，提出了以“生化池挖潜+芽孢杆菌优势菌种”的组合策略应对低温的改造思路，可以为相似污水处理厂的技术改造提供参考和借鉴。1 污水处理厂现状污水处理厂现状1.1污水处理厂概况污水处理厂概况陕西省某县城位于榆林市中南部，属中温带半干旱气候，全年干旱少雨，年平均气温8.5，极端最高气温38.2，极端最低气温-25.5。该县城现DOI:10.16796/ki.10003770.2023.10.027收稿日期：2022-08-23作者简介：崔天怀（1967），男，高级工程师，研究方向为水文水资源、污水处理及资源化利用等；电子邮件：141第 49 卷 第 10 期水处理技术水处理技术有污水处理厂1座，设计规模近期1万 m3/d，远期2万 m3/d，服务人口 6.4万人。污水处理主体工艺采用AA/O微曝气氧化沟工艺，于2009年建成投入使用，出水执行“一级B”排放标准。工艺流程为：粗格栅及提升泵房细格栅旋流沉砂池初沉隔油池微曝气氧化沟二沉池消毒出水。2018年进行提标改造，将原有初沉隔油池改造为调节池，新增高效净水器、曝气生物滤池、滤布滤池，现状工艺流程如图1所示。1.2进出水水质及水量进出水水质及水量污水处理厂实际进水量约为0.61.1104 m3/d，进出水水质日均值见表 1。实际出水总氮严重偏高，COD、氨氮指标不够稳定。污水处理厂冬季进水温度仅有58，是典型的低温、高浓度城镇污水处理厂。1.3主要构筑物及设备参数主要构筑物及设备参数预处理工艺段：设计规模2104 m3/d，总变化系数1.57，设备设施运行正常。调节池：1座2格，尺寸：36.45 m13.2 m4.0 m，有效水深4 m。安装提升泵4台，2用2备，单台流量Q=200 m3/h，扬程H=10 m，功率：15 kW。高效净水器：2套，直径10 m，高8 m，内置斜管及中心刮泥机。AA/O-微曝气氧化沟：1座2格，总尺寸：30.0 m58.9 m6.0 m，有效水深5.25 m。采用微孔曝气管曝气，安装中速潜水推流器14台，单台功率4 kW。其中：厌氧区容积：772 m3，缺氧区容积：1 520 m3，好氧区容积5 700 m3，通过回流门控制回流。二沉池及污泥泵房：2座，采用中进周出幅流式二沉池，直径20 m，表面负荷0.66 m3/（m2 h）。污泥泵房安装污泥回流泵3台，单台流量Q=110 m3/h，扬程H=6.5 m，功率：4 kW。曝气生物滤池：1座4格，单格过滤面积15 m2，平均滤速6.94 m/h，采用上向流设计，滤床深度2.0 m，均质陶粒滤料，粒径35 mm。滤布滤池：1座2格，过滤面积144 m2，平均滤速2.89 m3/（m2 h）。2 工艺改造设计工艺改造设计2.1设计进出水水质设计进出水水质根据近两年水质统计数据，取 90%保证率值，出水执行 陕西省黄河流域污水综合排放标准（DB 61/2242018）A 类，设计进出水水质指标见表2。分析现状实际出水水质，COD、NH4+-N、TP指标需要进一步强化，BOD、TN指标为此次工艺改造的重点。2.2主要存在的问题主要存在的问题1）在高效净水器投加大量PAC、PAM用于前置除磷，造成原水碳源的大量消耗，生化池进水营养成分严重失衡，出水总氮偏高。长期大量投加外加碳源，成分过于单一，污泥活性不佳、沉降性差，出水悬浮物高。药剂成本远高于正常水平。2）污水处理厂冬季进水温度低，最低时仅有5 左右，且持续时间长，约40天，严重影响污泥微生物活性，各项指标均连续超标。3）内回流无法准确控制，缺氧停留时间仅有3.5 h，反应时间不足，溶解氧控制不佳，反硝化反应进水粗格栅+提升细格栅+沉砂池微曝气氧化沟二沉池中间提升滤布滤池接触消毒池出水污泥浓缩池阳光晾晒棚PACNaClO外运曝气生物滤池叠螺压滤机高效净水器PAC+PAM乙酸钠调节池+提升污泥泵房曝气外部辅热 图1污水处理厂工艺流程图Fig.1Process flow chart of the wastewater treatment plant表2污水处理厂设计进出水水质Tab.2The designed water quality of the wastewater treatment plant指标CODBODNH4+-NTNTPSS设计进水水质/（mg L-1）50018060758300设计出水水质/（mg L-1）3061.5（3）150.310去除率/%9596.797.58096.396.7注：括号中数字表示水温低于12 时的指标表1污水处理厂进出水水质Tab.1The influent and effluent water quality of the wastewater treatment plant指标进水范围进水平均出水范围出水平均COD/（mg L-1）129.71606.27382.510.1067.9826.15BOD/（mg L-1）65.3208.5103.2623.68.65（NH4+-N）/（mg L-1）18.280.352.40.085.991.08（TN）/（mg L-1）31.510660.3411.4636.6423.13（TP）/（mg L-1）1.2311.495.360.0161.170.217（SS）/（mg L-1）766782874228.78142崔天怀等，低温环境下污水处理厂工艺改造及运行结果分析不彻底。4）外回流偏小，二沉池污泥不能及时排出，出水悬浮物高。2.3技术改造方案技术改造方案该项目改造的重点在于低温脱氮。以芽孢杆菌为优势菌种的BBR生物转盘工艺是一种基于芽孢杆菌耐酸碱、耐盐、耐低温、低氧的生物特性而开发的污水处理技术12，在我国西北地区部分污水处理厂得到应用，在低温脱氮、COD去除、消除恶臭等方面具有良好的性能13-14，因此拟采用该BBR技术。2.3.1改造思路改造思路1）取消前端化学除磷，原水超越高效净水器，最大限度保留原水碳源用于反硝化脱氮；2）将现状调节池改造为前置缺氧池，在氧化沟末端增设硝化液回流泵回流到前置缺氧池，有效扩大缺氧池容积，同时优先利用原水碳源进行反硝化；3）生化池保温加盖，在前置缺氧池增设BBR生物转盘，应对低温环境；4）封堵原硝化液回流渠，增设穿墙泵以准确控制内回流，确保运行参数合理可控；5）增加污泥回流泵1台，回流到前置缺氧池；6）氧化沟出水堰加高300 mm，有效提高容积利用率，延长停留时间；7）将后端曝气生物滤池改造为反硝化滤池，强化总氮及悬浮物去除。具体改造方案如图2所示。2.3.2设计参数设计参数前置缺氧池：有效容积1 924 m3，水力停留时间4.61 h，扩容后缺氧总停留时间延长到8.46 h，硝化液回流比 200%，污泥回流比 50%。增设 BBR 生物转盘10套，单套配置30个盘片，采用立体网状结构，主要成分为聚偏二氯乙烯（PVDC），盘片厚度50 mm，直径2 m，比表面积750 m2，入水深度0.6 m。单位体积生物膜上附着污泥质量约50 g/L。新增潜水搅拌器4台，单台功率4.5 kW。AA/O 微曝气氧化沟：加高出水堰后有效容积8 449 m3。停留时间：厌氧 1.96 h，缺氧 3.85 h，好氧 14.45 h。原 有 污 泥 回 流 利 旧 保 留，回 流 比50%；新增穿墙泵 2 台：单台流量 550 m3/h，扬程0.6 m，变频控制。在好氧末端增设硝化液回流泵2 台：流量 400 m3/h，扬程 8 m，2 用 1 冷备。生化池 平 均 污 泥 质 量 浓 度 4 000 mg/L。核 算 BOD负荷为：0.044 kgBOD/（kgMLSS d）；氨氮和总氮负荷分别为：0.025 kgNH3-N/（kgMLSS d）和 0.053 kgTN/（kgMLSS d）。污泥回流泵房：新增污泥回流泵2台，流量200 m3/h，扬程13 m，1用1冷备。曝气生物滤池：滤池利旧，按照反硝化生物滤池方式运行，在前端中间提升泵房配备碳源投加装置，作为总氮去除辅助设施。平均滤速6.94 m3/（m2 h），强制滤速9.24 m3/（m2 h），理论总氮去除量23 mg/L。3 项目改造应用项目改造应用3.1改造施工方案改造施工方案为尽可能缩短改造周期减少污水溢流，制定了完善的施工方案：1）完成DN900进水管、DN300污泥回流管、2条DN450硝化液回流管的室外铺设，预制水下安装部分管道及管件。新增采购设备全部进场；2）通过超越管将水直接导入生化池，超越调节池，进行调节池清淤、拆除及设备安装，完成BBR生物转盘安装；3）改造生化池设备，包括安装穿墙泵、硝化液回流泵、污泥回流泵；封堵回流门，更换曝气管、推流器等；同时完成新增管道与池体的碰口作业；4）完成生化池加盖保温施工。3.2调试运行及结果分析调试运行及结果分析改造结束后，于2021年11月16日进水，启动调试采用系统原有活性污泥并投加芽孢杆菌菌种3.5 t二沉池二沉池新增污泥回流管(R=50%)新增硝化液回流管(R=200%)原有污泥回流管利旧(R=50%)污泥回流泵房配水井原进水管新增进水管调节池改造为前置缺氧池AA/O微曝气氧化沟二沉池及污泥回流泵房利旧接深度处理接预处理新增BBR生物转盘10套集水渠新增硝化液回流泵新增硝化液回流泵封堵原有回流门新增穿墙泵新增穿墙泵好氧厌氧缺氧好氧厌氧缺氧出水区 图2AA/O工艺生化池改造示意图Fig.2The schematic diagram of AA/O process transformation.143第 49 卷 第 10 期水处理技术水处理技术进行驯化培养。调试初期进水温度13.2，进水量控制在150 m3/h，连续曝气2天后污泥颜色、气味恢复正常，生化池水位达到正常水位。联动运行之后，氧化沟配水井水位上升0.45 m，前置缺氧池出水堰跌水0.08 m，系统运行稳定流畅；之后合理控制回流、曝气、污泥浓度等参数，到11月23日各项指标已经全面达标。随后逐渐提高进水负荷，到11月28日处理水量达到6 800 m3/d，各项指标稳定达标，表明系统启动调试成功。BBR生物转盘挂膜与系统调试运行同步开展，期间共投加芽孢杆菌生物菌种5 t，挂膜前15天BBR生物转盘有部分活性污泥附着，20天后生物膜逐渐成熟，呈现光滑、透明的黏性泥膜形态，整个冬季运行期间生物膜增长较为缓慢，到次年3月份生物膜已完全填充整个生物盘片，达到预期效果。系统稳定运行6个月，实际进水量维持在6 8009 200 m3/d。出水水质日均值及进水温度变化如图3所示，数据分析见表3。综上可知，经过改造系统出水水质稳定达到 陕西省黄河流域污水综合排放标准 A类。在调试初期，出水COD、氨氮指标迅速降低，在10天时间内已经达到出水标准，在此期间进水温度维持在12 左右。该阶段BBR生物转盘还未发挥作用，说明污染物的降解主要得益于生化系统的改造。沿程水质检测结果表明，经过前置缺氧反应池之后出水总氮在1216 mg/L，氨氮48 mg/L，说明前置缺氧池很好地利用原水碳源去除了大部分总氮。从12月中旬开始，进水水温快速降低到10 以下，出水COD、TN指标略有升高，随后逐渐降低保持稳定，这可能是由于生物膜逐渐成熟、污泥驯化适应低温起到关键作用。从1月底进水温度快速降低到5 左右，出水COD、TN指标发生明显波动，为确保出水水质指标，采取了降低进水负荷、覆盖保温棉、暖气升温等措施，基本保持生化池水温在78 左右，确保了系统稳定达标。低温持续时间约40 d，在此期间BBR生物转盘及活性污泥中芽孢杆菌起到了关键作用。3月份之后水温持续升高，系统运行更加稳定。运行期间反硝化滤池未投加碳源，仅作过滤用。在运行能耗方面，由于取消了前端二次提升，同时更换曝气盘提高充氧效率，吨水能耗较之前降低约12%。在药剂投加方面，通过延长缺氧停留时间、优化缺氧环境从而最大限度利用原水碳源进行反硝化，碳源投加量从平均 130 mgCOD/L 降低到 36 mgCOD/L以下，随着水温升高，碳源投加量将会进一步降低；同时取消了前端除磷及生化池二次加药，除磷剂从0.7 t/d降低到0.25 t/d；在增加BBR营养液约0.05 mg/L的情况下，综合药剂成本降低达60%以上。3.3经济效益分析经济效益分析该污水处理厂改造前，出水执行 城镇污水处理厂污染物综合排放标准“一级 A”标准，且冬季低温期间不能稳定达标。运行成本 3.56元/t，年运行成本 1 300万元。采用该改造方案，项目估算投资3 443.65万元。改造费用相较常规的减产扩容改造方案节省投资约44%左右；项目投入运行后，在0501001502000102030405060708090 COD TN TP时间/dCOD、(TN)/(mgL-1)(TP)/(mgL-1)-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.40.50.60.7（a）COD、TN、TP（b）NH3-N、进水温度图3实际出水水质及进水水温变化图Fig.3The graph of actual effluent quality and influent water temperature variation表3实际进出水水质统计表Tab.3The actual water quality statistics of the wastewater treatment plant指标进水平均出水范围出水平均COD/（mg L-1）404.87.2328.5719.49BOD/（mg L-1）121.5495.25（NH4+-N）/（mg L-1）49.650.050.820.095（TN）/（mg L-1）66.533.0516.2411.24（TP）/（mg L-1）5.410.040.280.188（SS）/（mg L-1）2634166.5144崔天怀等，低温环境下污水处理厂工艺改造及运行结果分析极限低温情况下出水水质仍然符合 陕西省黄河流域污水综合排放标准 A标准且稳定达标，实际平均运行成本2.13元/t，年实际运行成本777万元/年，实际运行成本较改造之前降低40.2%，具有十分明显的经济效益。4 结论结论此次改造的重点和难点在于要实现低温脱氮，事实证明，该改造技术方案从根本上解决了问题，取得了良好的处理效果，为同类型污水处理厂提供了指导和借鉴。总体来说，该改造项目具有以下4个亮点：1）在现有设施的基础上依托传统理论，深挖系统潜力，最大限度利用原水碳源实现了低温、低碳氮比废水的稳定脱氮，大幅度降低运行成本；2）打破常规，提出了在常规A2/O微曝气氧化沟工艺之前增设超长前置缺氧停留时间的设计思路，取得了良好的脱氮效果；3）采用强化脱氮除磷与低温优势菌种相结合的方式，实现了在进水温度仅有5 且持续时间超过40 d的极限环境下的稳定、高效处理；4）验证了以芽孢杆菌为优势菌种的BBR生物转盘工艺在低温废水处理中的可行性。参考文献：1李亚新.活性污泥法理论与技术J.北京:中国建筑工业出版社,2006.2姜体胜,杨琦,尚海涛,等.温度和pH值对活性污泥法脱氮除磷的影响J.环境工程学报,2007,1(9):10-14.3CHOI E,RHU D,YUN Z,et al,Temperature effects on biological nutrient removal system with weak municipal wastewaterJ.Water SCIence and TEChnology,1998,37(9):219-226.4高春娣,韩颖璐,程丽阳,等.温度冲击引起的丝状菌污泥膨胀菌群特征J.中国环境科学,2022,42(6):2680-2689.5郝二成,袁星,阜崴.污泥膨胀原因及控制措施研究J.环境工程,2017,35(7):18-22.6王文浩,李文超,何岩,等.城镇污水处理厂低温硝化强化研究进展J.工业水处理,2016,36(06):7-11.7钱程,任丽波,姚瑶.寒冷地区冬季低温对污水处理厂运行效率的影响研究J.环境科学与管理,2008(05):84-86.8张智,陈杰云,李勇,等.处理低温低碳源污水的倒置A2/O工艺强化脱氮研究J.中国给水排水,2010,26(1):6-8.9陈翰,马放,李昂,等.低温条件下污水生物脱氮处理研究进展J.中国给水排水,2016,32(8):37-43.10 王兆星,王广智,赵庆良,等,水解/AICS工艺冬季保温工程设计及处理污水效能J.中国给水排水,2015,31(3):120-123.11 李文伟,高寒区铁路机务段污水的微生物复合处理工艺及其机理分析D.兰州:兰州交通大学,2016.12 柴建中,梅华.BBR系统低温脱氮简析J.青海环境,2016,26(1):38-42.13 侯继燕,聂楠.BBR工艺在污水处理工程中的应用J.给水排水,2020,46:412-417.14 黄敏,郑宋成,马光忠.BBR工艺在平凉市天雨污水处理厂提标改造及扩建工程中的应用J.中国市政工程,2021,218(5):38-41.Process Transformation and Analysis of Operating Effect for a Municipal Wastewater Treatment Plant under Low Temperature in a County TownCUI Tianhuai,CHENG Jun(Shaanxi Water Affair Group Co.,Ltd,Xian 710021,China)Abstract:Low temperature in winter is one of the biggest challenges for the stable operation of wastewater treatment plants(WWTP),which usually causes serious problems such as excessive effluent,sludge bulking,and quantity reducing.In this case,some adjustment measures of the conventional process were adopted.However,the actual results showed that when the water temperature is low to a certain extent,the conventional means are still difficult to be effective.The process transformation for a municipal wastewater treatment plant in Shaanxi Province was taken as an example,the transformation scheme of enhancing Nitrogen and Phosphorus removal combined with Bacillus dominant bacteria by exploring potential of the original system was suggested in this paper.A stable operation performance was proposed,which realizes stable treatment under the limiting conditions that the temperature of the influent water is only 5 and the duration is more than 40 d.The actual operation results showed that the biological system was successfully started in 12 days under the condition of an influent temperature of 13.2.With the further reduction of the water temperature,the system was reliable and the effluent concentration of COD,NH4+-N,TN,TP was 19.49,0.095,11.24 and 0.188 mg/L respectively,which accords with the Grade A of the Integrated wastewater discharge standard of Yellow river basin in Shaanxi province(DB61/224-2018).Furthermore,the energy consumption and the chemical cost demands were reduced by about 12%and 60%,respectively.A good treatment effect was achieved,which provides a reference and basis for the upgrading and reconstruction of the same type of wastewater treatment plants.Keywords:county town wastewater treatment plant;low temperature denitrification;bacillus;process transformation;BBR rotating biological contactor process;energy saving and consumption reduction145