低温氨氮减排技术的中试试验术

低温氨氮减排技术的中试试验周维奇1，张鑫，周新宇，马艳（上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海200082）摘要：在冬季低温条件下，运用设置在厂区内处理量为100t/d的中试装置进行试验，分别探讨了水温和pH、溶解氧、停留时间与出水氨氮的关系，结果显示：曝气池水温变化范围是11.0～15.5℃，pH保持在7.0～7.5，在曝气充足情况下，未见出水氨氮超标现象，均小于8mg/L。通过提高溶解氧，氨氮去除率可以有效提高，出水氨氮能够稳定达到《城镇污水处理厂污染物综合排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，如果溶解氧降低至1mg/L以下，则会影响出水氨氮。此外，停留时间在10～14h范围内对出水氨氮的影响不明显。最后提出了城镇污水厂实现低温脱氮的优选参数，为污水厂的提标改造提供一定参考。关键词:生物脱氮；低温；溶解氧；停留时间中图分类号：X52文献标识码：B文章编号：Pilot-scaleTestofAmmoniaNitrogenEmissionReductionTechnologyatLow-temperatureZhouWeiqi,ZhangXin,ZhouXinyu,MaYan(ShanghaiMunicipalWaterResourceDevelopmentandUtilizationoftheNationalEngineeringCenterCo.,Ltd,Shanghai200082;)Abstract:Undertheconditionoflowtemperatureinwinter,thepilot-scaleexperimentwasconductedbythetestbaseofcapacityof100t/dinthewastewatertreatmentplant.Therelationshipbetweenthewatertemperature,pH,dissolvedoxygen,residencetimeandeffluentNH4-N+werediscussedrespectively,theresultsshowthattherangeofwatertemperatureinthetestbasewas11.0～15.5℃,andpHmaintainedat7.0～7.5,inthesituationofsufficientdissolvedoxygen,thephenomenonofeffluentammoniaexceedthestandardwasnothappened,theconcentrationofeffluentNH4-N+waslessthan8mg/L.ByincreasingtheconcentrationofDO,theremovalrateofNH4-N+canimprove,theeffluentoftheNH4-N+canstablymeetthefirstgradeAstandardsofUrbanSewageDisposalPlantContaminationIntegratedDischargeStandard(GB18918-2002).IftheconcentrationofDOreducedtounder1mg/L,itwouldaffecttheeffluentNH4-N+.Inaddition,theresidencetimeinrangeof10～14hhaslessinfluenceoneffluentNH4-N+.TheoptimumparametersofurbansewageplantforoperationmanagementwerefinallyputforwardtoovercomethenegativeeffectsonNH4-N+removalunderlowtemperature.Keywords:biologicalremovalofnitrogen;lowtemperature;dissolvedoxygen;detentiontime;pilot-scaletest前言根据上海市《关于本市“十二五”期间城镇污水处理厂执行标准有关要求的通知》(沪环保总〔2013〕11号)的规定，所属位于本市准水源保护区外、现执行二级标准的城镇污水处理厂，到2015年底以前分批执行一级B标准，位于准水源保护区内的城镇污水处理厂执1作者简介：周维奇（1988~），男，助理工程师，主要研究方向为水污染控制，E-mail：[e-mail]行一级A标准。根据上海某污水厂提供的2012年全年-2013年11月的出水水质数据，污水厂的提标改造难点主要集中在冬季低温条件下12月-次年3月，出水平均氨氮高于一级B要求的最高允许排放浓度为15mg/L（水温低于12℃），平均去除率不足50%[1]。污水水温降至15℃左右时,低温对活性污泥硝化反硝化性能的抑制作用开始逐渐增强，并影响出水水质[2,3]。针对于冬季低温条件下，研究人员采用了多种办法克服不利影响，常规的办法有延长停留时间、加大曝气、提高污泥浓度、控制泥龄15～20d[4-7]等。此外，还有投加填料、投加优势低温硝化菌种[8]、改良AAO工艺[9]等手段。这些方案对企业实际运行有一定的指导意见，但不见得都具备可行性或经济性。课题研究的目的是找出本地区冬季硝化效率低的首要因素，并提出适合此厂水质和工艺特征的应对方案。1中试试验1.1试验装置装置主体为不锈钢材料制作，处理规模为100t/d，由集水井、初沉池、合建式生化反应池、二沉池组成。合建式生化反应池水力停留时间共12h，其中厌氧段、缺氧段、好氧段水力停留时间分别为1.4h、2.6h、8h。进水、混合液回流、污泥回流均由无堵塞排污泵进行控制，流量采用EM5000型电磁流量计精确计量。缺氧区和好氧区由搅拌泵使混合液搅拌均匀，好氧池底部设有橡胶膜微孔曝气管，并由罗茨风机供气。1.2试验方案试验进行时间为2013年12月-2013年4月期间，是全年气温最低的几个月。主要考察水温、pH、水力停留时间、溶解氧、对出水氨氮影响[10]。水温和pH通过每日实际测量，分别选取了3组停留时间和3组溶解氧做独立试验，用来考察停留时间和溶解氧的出水氨氮的影响，每个工况连续不间断运行15天。在控制污泥浓度为2.0～3.0g/L，混合液回流比为200%，污泥回流比为100%的条件下，调节进水流量来控制总停留时间。表13种工况下，停留时间的设定值Tab.1Defaultvalueofresidencetimeunder3kindsofoperatingconditions总停留时间（h）厌氧段(h)缺氧段(h)好氧段(h)工况1141.73.09.3工况2121.42.68工况3101.22.26.6在控制停留时间为12h，好氧段停留时间为8h，污泥浓度为2.0～3.0g/L，混合液回流比为200%，污泥回流比为100%的条件下，调节曝气量大小，控制好氧段的溶解氧含量。由于曝气不均匀以及生物量的变化，难以控制溶解氧为一个恒定值。从平均值来看，工况4、5、6好氧段溶解氧为0.9mg/L、2.7mg/L、4.3mg/L（注：工况2与工况5是同一工况）表23种工况下，溶解氧的平均值Tab.2Averagevalueofdissolvedoxygenunder3kindsofoperatingconditions好氧段(mg/L)厌氧段(mg/L)缺氧段(mg/L)工况40.90.10.1～0.3工况52.70.10.1～0.3工况64.30.10.1～0.31.3测试方法与进水水质试验进水取自厂区沉砂池出水,水质情况见图1，图1为进水水质图，试验现场测试指标有pH、溶解氧、水温、。pH的测定点包括集水井、厌氧段、缺氧段、好氧段4个点；溶解氧测定范围包括曝气池好氧末端在内的4个不同测试点以及厌氧段和缺氧段，以保证溶解氧在设定范围内；水温为曝气池水温。每天早中晚各时间段测试1次，并记录。实验室测试指标有COD、BOD、NH3-N、TN、MLSS、MLVSS，均采用国家标准方法分析测定。图1进水水质图Fig.1InfluentqualityfromJan.tomar.in2014由图1可知，进水COD变化幅度在在250～350mg/L、BOD在100～150mg/L之间波动，氨氮、总氮变化幅度较少，平均值分别为24.5和30.8mg/L。平均BOD/COD为0.45，平均值BOD/TN为4.05，属于低碳源水质。2结果与讨论2.1水温与pH变化规律根据实测结果，将每天的数据取平均值，得到水温和pH的变化规律，如图2所示，图2为2014年1-3月水温、进水pH变化图。图22014年1-3月水温、进水pH变化图Fig.2TemperatureandpHofinfluentfromJan.toMar.in2014由图2可知，1月-3月期间，试验基地生化池内水温稳定，维持在11.0～15.5℃,每天早中晚上变化幅度的差异不超过1℃。同一时期，气温变化幅度较大，1月和2月，平均最高温度为10℃，平均最低温度只有3℃，水温比气温高约5℃。硝化反应被认为是所有生化反应中对温度最为敏感的一步[11]，氨氧化细菌的比增长速率（μ）会随水温的降低而下降，不同的研究者得出了不同的公式，其中美国EPA给出的方程是15)-0.09(Te*47.0μ，barnad[12]给出的方程是15)-(T1.27*33.0μ。根据head[13]的研究，当水温突然下降高达20℃的条件下，硝化反应依然可以继续，水温从30℃、25℃、20℃冷却到10℃，硝化反应速率平均下降了82%，71%和58%。水温突然降低10℃的情况下，硝化反应速率会比逐步下降10℃多下降20%。在曝气池内，水温在最极端的天气下，不至于会下降到10℃之下，相对稳定的水温对硝化菌的生化作用提供了保障基础。在这个期间，进水pH维持在7.0～7.5之间。混合液pH从厌氧池到缺氧池，最后到好氧末端，pH的平均值从7.35→7.15→6.99，有少幅度的下降，但均不会对硝化作用造成较大的影响。2.2水力停留时间对出水水质的变化规律在工况1、工况2、工况3这三种运行条件下，经实验室测试，得到出水氨氮和总氮浓度。图3为停留时间与出水氨氮的关系，图4为停留时间与出水总氮的关系。图3停留时间与出水氨氮的关系图Fig.3Relationshipbetweenresidencetimeandinfluentammonianitrogen图4停留时间与出水总氮的关系图。Fig.4Relationshipbetweenresidencetimeandinfluenttotalnitrogen由图3和图4可知，随着停留时间的增加，出水氨氮、总氮浓度均有一定程度的下降，在停留时间为10h时，出水氨氮、总氮的平均值分别为6.8mg/L和15.6mg/L，去除率分别为71.7%和50.9%；停留时间为12h时，出水氨氮、总氮的平均值为5.2mg/L和12.9mg/L，去除率分别为79.5%和56.6%；停留时间为14h时，出水氨氮、总氮的平均值为4.1mg/L和12.6mg/L，去除率分别为83.2%和60.1%；通过提高停留时间，本质为了增加硝化反应的时间，在上述工况条件下，增加4h的停留时间，出水氨氮和总氮值只降低了2.7mg/L和3.0mg/L，可以推断出如果继续提高停留时间，出水氨氮和总氮只会缓慢下降，减排的效果不是十分明显。2.3溶解氧对出水水质的变化规律在工况4、工况5、工况6这三种运行条件下，经实验室测试，得到出水氨氮和总氮浓度。图5为溶解氧与出水氨氮的关系，图6为溶解氧与出水总氮的关系。图5溶解氧与出水氨氮的关系图Fig.5RelationshipbetweenDOandammonianitrogen图6溶解氧与出水总氮的关系图Fig.6RelationshipbetweenDOandinfluenttotalni