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中國給水排水2021年固廢資源化大會邀請函0322.doc
中國給水排水2021中國垃圾滲濾液處理大會邀請函暨征稿啟事0224.doc
研究季節(jié)性氣候變化條件下污水處理廠運行性能和活性污泥特性對科學、高效運行具有重要意義。以我國北方某城市污水處理廠改良AAO工藝系統(tǒng)為研究對象,基于2年完整的運行數(shù)據(jù),分析了污染物去除量及污泥特性變化規(guī)律。結(jié)果表明,COD和TN去除量存在季節(jié)性周期變化趨勢;MLVSS/MLSS值在水溫15 ℃以下相對穩(wěn)定,在15 ℃以上時,MLVSS/MLSS值隨著水溫升高而降低,主要受內(nèi)源呼吸作用的影響。提出了季節(jié)性氣候變化下確定污泥濃度的新方法,支撐大型污水處理廠運行管理的穩(wěn)定性和可控性,為污水處理過程精確調(diào)控提供基礎(chǔ)。
我國北方大多屬于溫帶季風氣候,四季分明,雨熱同期,季節(jié)性溫差較大。溫度不僅影響微生物種群的代謝活動,而且還可以影響細菌群落的多樣性。較高的溫度能提高微生物活性,有助于提高污染物去除效率。而低溫環(huán)境往往影響生物酶功能的發(fā)揮,進而影響出水水質(zhì)。為了抵抗低溫造成的不利影響,往往采取多種措施,如加大曝氣量、增加污泥濃度、曝氣方式、延長污泥齡、增加填料等措施,以提高城鎮(zhèn)污水處理廠運行水平、改善水環(huán)境質(zhì)量。盡管人們對污水處理過程的理解和認識有了很大的提高,然而進水水質(zhì)波動、季節(jié)變化等多因素對污水處理廠性能的認識仍不夠深入,對活性污泥特性認識值得進一步探討。
本文以我國北方某市政污水處理廠為研究對象,探討了季節(jié)性變化下污染物去除量變化及污泥特性,并給出運行調(diào)控建議,以期提高污水處理廠運行穩(wěn)定性,同時也為實現(xiàn)污水處理廠科學運營起到支持作用。
1 材料與方法
1.1 污水處理廠簡介
我國北方某市政污水處理廠(簡稱A廠),采用改良AAO工藝+膜超濾系統(tǒng)(見圖1),設(shè)計規(guī)模為3萬m/d,進水主要為生活污水,出水達到北京市地方標準《水污染物綜合排放標準》(DB 11/307-2013)B標準。
該廠生化池的選擇區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)的停留時間分別為0.5 h、1 h、5 h、9.6 h,生化池總有效容積為20 125 m,內(nèi)回流比300%,外回流比100%,混合液回流至缺氧池,外回流污泥回流至選擇區(qū)。進水至選擇區(qū)與缺氧區(qū)的分配比例大約10%和90%,進水TN濃度高時,投加25%濃度的乙酸鈉溶液作為外碳源促進脫氮。污泥齡控制在15~25 d。
1.2 研究方法
1.2.1 數(shù)據(jù)收集
收集了2017年1月1日至2018年12月31日A廠運行數(shù)據(jù),進水出水標準及進水水質(zhì)情況,見表1。每年2月份水溫最低,約10 ℃,然后水溫逐漸上升,一直到8月份,最高約26 ℃,此后水溫逐漸下降,直到下一個年度的2月份,之后水溫持續(xù)升高,再周而復始變化。
1.2.2 計算方法
污染物去除量根據(jù)式(1)確定:
2 結(jié)果與討論
2.1 污泥特性與水溫變化
2017年1月1日至2月1日,水溫先從14.1 ℃下降至最低值9.8 ℃,而后水溫逐漸升高至15.0 ℃,MLVSS/MLSS值一直比較穩(wěn)定,平均值為0.66。自2月1日至8月20日,水溫逐漸升高至25.2 ℃,MLVSS/MLSS值逐漸減小,最低值在0.45左右。8月20日至12月31日 ,水溫逐漸下降至12.8 ℃,特別是10月8日(水溫20.1 ℃)以后,MLVSS/MLSS值逐漸增大。從2017年11月28日至2018年3月23日,水溫從15.7 ℃下降再回升到15 ℃過程中,MLVSS/MLSS值同樣一直比較穩(wěn)定,平均值為0.62。同樣地,在2018年3月23日以后,升溫過程時的MLVSS/MLSS值均表現(xiàn)出與2017年相似的變化趨勢。整體上看,在季節(jié)性水溫變化過程中,15 ℃是一個關(guān)鍵節(jié)點,超過此溫度,微生物活性顯著提高,MLVSS/MLSS值隨著水溫升高而降低;低于此溫度時,MLVSS/MLSS值處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),即使有5 ℃的溫差,MLVSS/MLSS值依然波動較小,主要原因是污泥中耐冷菌在低溫環(huán)境中有較高的活性,在一定程度上彌補了其他細菌活性的降低。在冬季低溫時,正是MLVSS/MLSS值的相對穩(wěn)定,為保障污水處理廠運行穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。
由于生長或內(nèi)源能量需要,所有微生物都會經(jīng)歷某種形式生物量的減少,這一過程發(fā)生在生物體完全利用外部基質(zhì)后,其MLVSS降低并繼續(xù)消耗氧氣;钚晕勰嘀械奈⑸镄玛惔x功能與生物酶系統(tǒng)有很大關(guān)系。微生物體內(nèi)合成、催化生物化學反應時,生物酶在傳遞電子、原子和化學基團的過程中發(fā)揮重要作用。生物酶催化各種生物化學反應,促進生物體新陳代謝。而生物酶對環(huán)境條件的變化比較敏感,溫度的改變會使活性發(fā)生改變。溫度低時,微生物的代謝活力相應減弱,生物酶的活性降低導致酶促反應變慢,微生物體內(nèi)基質(zhì)的氧化和微生物自身的氧化速率也會降低,表現(xiàn)為微生物的內(nèi)源呼吸作用減弱。研究表明,單位質(zhì)量的MLSS的內(nèi)源呼吸速率(即比內(nèi)源呼吸速率)與MLSS無關(guān);而溫度對比內(nèi)源呼吸速率的影響十分顯著,比內(nèi)源呼吸速率隨著溫度的降低而降低。因此,在降溫過程中,內(nèi)源呼吸明顯減弱,胞內(nèi)物質(zhì)的消耗速率顯著降低,導致MLVSS/MLSS值升高。
2.2 污染物去除量變化
該廠配套管網(wǎng)比較完善,進水量相對穩(wěn)定,水量變化系數(shù)為0.94~1.17。水量及水質(zhì)波動屬于季節(jié)性正常變化。2月COD去除量較低,為17萬~20萬kg/d,然后去除量逐漸上升,一直持續(xù)到5月、6月,COD去除量高達41萬kg/d,約是2月去除量的2倍。7月開始,COD去除量逐漸下降,9月去除量與2月幾乎相當。10月開始,COD去除量逐漸上升,持續(xù)到下一年度1月。TN去除量逐月變化趨勢與COD相似。全年來看,COD及TN去除量出現(xiàn)先增加后降低再增加的變化,呈現(xiàn)出季節(jié)性周期變化趨勢。春季氣溫上升,人們生產(chǎn)活動增加,排放到管網(wǎng)中的污染物濃度增加,夏季雨水以及洗浴水增多,污染物濃度有所下降,但是水量較大,污染物去除量增大,造成污染物去除量隨著季節(jié)規(guī)律性變動。
2.3 污泥去除負荷變化情況
由圖4可以看出,COD污泥去除負荷波動較小,全年在0.136 kg/(kgMLVSS·d)上下波動。TN污泥去除負荷變化趨勢,可以分為兩類,分別是3月至11月,平均值為0.015 kg/(kgMLVSS·d),12月及下一年度1月、2月,TN污泥去除負荷平均值為0.012 kg/(kgMLVSS·d),比其他月份降低15%~30%,平均值下降20%。
COD污泥去除負荷與TN污泥去除負荷在不同的季節(jié)中具有一定的可比較性,表明微生物種群可以適應溫度逐漸變化的環(huán)境。這可能是部分微生物的功能冗余,不同群落的細菌能適應不同的生長環(huán)境,當環(huán)境條件變化時,一部分細菌的活性受到抑制,而另一部分細菌卻能更好的繁殖,從而在一定程度上補償溫度變化帶來的負面影響,保障污水處理廠運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)。在一定程度上補償溫度變化帶來的不利影響,從而為出水穩(wěn)定達標提供保障。也有觀點認為,活性污泥微生物群落隨著季節(jié)性溫度變化發(fā)生了演替,新的優(yōu)勢菌群的出現(xiàn),從一定程度上彌補了活性污泥在低溫條件下代謝能力的不足。
2.4 運行調(diào)控策略探討
水溫是影響微生物活性的重要因素之一。在低溫時,氨氧化菌的活性很容易受到抑制,進而影響出水水質(zhì)。在實際運行過程中,為了使出水達標需要采取措施,如增加污泥齡、提高生物池污泥濃度等,以減弱溫度對污水處理廠性能的負面影響。Ju等研究發(fā)現(xiàn),在一個采用活性污泥法的城市污水處理廠中,生物相互作用是決定細菌群落組成的主要因素,而環(huán)境條件(主要是污泥停留時間和無機氮)部分解釋了微生物種類和數(shù)量變化,間接影響細菌群落組成。微生物的冗余功能可以在一定程度上補償溫度變化的不利影響。當前,污水處理廠主要任務(wù)已從去除COD轉(zhuǎn)向營養(yǎng)物去除,特別是生物法TN的去除效率已成為污水處理廠運行優(yōu)劣判斷的重要指標。而氨氧化菌和反硝化菌易受溫度的影響,恰當?shù)腗LVSS是出水達標的重要條件之一。TN污泥去除負荷可以作為確定MLVSS的重要依據(jù)。出水總氮值按排放標準限值的75%~80%考慮,根據(jù)進水水量、TN濃度、生化池容積以及TN污泥去除負荷目標值可計算出所需的MLVSS。為了更明確調(diào)控方法,特舉一例闡述。具體調(diào)控步驟如下:
①計算當天TN污泥去除負荷:根據(jù)進水在線TN儀表獲取TN值,出水總氮值按排放標準限值的80%考慮,計算出TN污泥去除負荷A0;
②基于移動平均值法確定TN污泥去除負荷目標值A(chǔ)T:計算出當天之前2周內(nèi)TN污泥去除負荷平均值A(chǔ)1,以及同期TN污泥去除負荷平均值A(chǔ)2,A1與A2比較取較大值作為目標值A(chǔ)T;
③判斷是否需要排泥:若A0>AT,表明污泥濃度偏低,有出水TN超標的風險;若A0≤AT,表明污泥濃度偏高,可適當排泥,直到A0與AT值接近;一般A0與AT值范圍在±10%內(nèi)均可;
④采用類似的方法用COD污泥去除負荷校核污泥濃度,確保MLVSS同時滿足去除有機物及TN,從而為工藝精細化調(diào)控提供了基礎(chǔ)。
隨著污水處理廠市場化運營,運行成本也成為水務(wù)公司需要考慮的因素。出水達標的前提下,還需要進一步降低能耗。由圖5可見,單位需氧量所需的電耗隨著污泥濃度的增加而呈指數(shù)增長。在滿足污泥去除負荷的前提下,污泥濃度低時,能夠有效降低電耗。當污泥濃度高時,必須提高曝氣強度才可起到較好的攪拌作用,泥水氣三相混合,避免活性污泥沉降。污泥的濃度基本決定了污泥的粘度,污泥溫度對粘度的影響相對較小。高污泥濃度使得污泥的粘度增加,從而增加了氣體在污泥中上升的阻力,勢必需要提高曝氣量。在一定的污泥濃度下,必然存在一個最佳的曝氣強度,既能夠滿足微生物生長的需求,又可節(jié)約曝氣能耗。因此,控制合適的污泥濃度對降低能耗具有重要意義。
單位需氧量所需的電耗隨季節(jié)的變化見圖6。2017年夏季的EOD最低,為0.48 kW·h/kg需氧量,其他三個季節(jié)均在0.60 KW·h/kg需氧量左右,冬季稍高。2018年前三個季度EOD普遍高于同期數(shù)值,特別2018年秋季該廠的EOD比同期增加75%。由圖4可以看出,2018年9月、10日,COD及TN的污泥去除負荷相比同期有所降低,表明該時期的污泥濃度明顯較高,需要盡快降低生化池污泥濃度。按2017年秋季EOD平均值作為2018年秋季的EOD依據(jù),計算得出2018年秋季MLVSS平均值為2 800 mg/L降至1 800 mg/L滿足污泥去除負荷需求,在這個污泥濃度條件下的出水可以達到排放標準。當然,在實際運行過程中,生化池內(nèi)污泥濃度控制還受到污泥出路的影響,當污泥出路受阻時,生化池內(nèi)污泥濃度升高是短時間不得已的辦法。從水務(wù)行業(yè)的角度,完善污泥處置路線是污水處理可持續(xù)發(fā)展的必然要求。
需要指出,影響生物脫氮的因素很多,包括進水水質(zhì)、工藝類型、污泥齡、生化池溶解氧水平、外加藥劑等,對一個具體的污水處理廠,認真分析污水處理效果,根據(jù)進水條件、所需的污泥去除負荷以及環(huán)境條件,確定合理的MLVSS值,從而保障足夠的活性微生物的量,為污水處理廠的高效運行提供保障條件。只有經(jīng)過長時間摸索,深入了解污水處理過程的變化規(guī)律,實行靈活而高效的管理,提高污水處理廠運行管理的穩(wěn)定性和可控性,才能真正發(fā)揮出其經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。
3 結(jié)論
(1)對于進水量在設(shè)計規(guī)模上下浮動較小時,COD及TN去除量有明顯的季節(jié)性周期變化規(guī)律,春季及秋季去除量較小。夏季及冬季去除量較大,隨著月份循序變化。
(2)MLVSS/MLSS值在15 ℃以上時,MLVSS/MLSS值與水溫存在顯著反比關(guān)系。在水溫15 ℃以下MLVSS/MLSS值相對穩(wěn)定,在低溫條件下一部分耐冷優(yōu)勢細菌能更好的繁殖,在一定程度上補償溫度變化帶來的負面影響,為維持污水處理廠運行穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。
(3)以TN污泥去除負荷可作為確定MLVSS的重要依據(jù)。根據(jù)進水TN等水質(zhì)信息和排放標準限值,采用移動平均值法確定MLVSS值,并用COD污泥去除負荷校核,為實現(xiàn)出水水質(zhì)達標前提下的精細化調(diào)控提供基礎(chǔ)。
(4)本研究提出了季節(jié)性氣候變化下確定污泥濃度的新方法,充分考慮進出水水質(zhì)及環(huán)境條件變化對污泥濃度和能耗的影響,為污水處理廠高效運行管理提供技術(shù)支持和借鑒作用。
免責聲明:以上內(nèi)容轉(zhuǎn)載自北極星電力新聞網(wǎng)