1、研究背景
2015年國(guó)務(wù)院發(fā)布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》以來(lái)，針對(duì)環(huán)境敏感流域的污水處理廠，相關(guān)地方政府陸續(xù)出臺(tái)了比《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格的地方排放標(biāo)準(zhǔn)。大部分執(zhí)行高排放標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠為保證出水總氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，需要在二級(jí)處理或深度脫氮處理單元投加甲醇、乙酸鈉等外碳源。因此，控制運(yùn)行成本，充分利用污水中的有機(jī)物提高二級(jí)生物處理脫氮效能成為研究的熱點(diǎn)和工程難點(diǎn)。
生物脫氮仍然是目前城鎮(zhèn)污水處理廠的主流脫氮工藝。二級(jí)生物處理設(shè)置缺氧池和好氧池，在好氧池內(nèi)利用硝化菌將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，在缺氧條件下，通過(guò)反硝化細(xì)菌，利用污水中可生物降解有機(jī)物將好氧池內(nèi)回流混合液中的硝態(tài)氮還原成氣態(tài)氮（N2）或N2O、NO。進(jìn)水中易生物降解有機(jī)物相對(duì)較少時(shí)，缺氧區(qū)內(nèi)氧的存在對(duì)反硝化速率有很大影響，反硝化速率會(huì)顯著降低。因此需要最大限度地降低進(jìn)入缺氧池內(nèi)的溶解氧量，以提升污水處理廠的脫氮效率。
傳統(tǒng)脫氮除磷工藝，混合液回流點(diǎn)設(shè)置在好氧池的末端，為防止二沉池內(nèi)發(fā)生缺氧反硝化產(chǎn)生氮?dú)庖鹞勰嗌细�，一般控制好氧池出水的溶解氧不低�?/span>2mg/L。但實(shí)際污水處理廠運(yùn)行中，由于出水氨氮和COD指標(biāo)的不斷提高，同時(shí)受到進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)以及鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制的影響，冬季回流混合液中的溶解氧高達(dá)4~5mg/L。另一方面，為提高脫氮率，設(shè)計(jì)混合液回流比（R）為100%~400%，一般運(yùn)行控制在200%~300%。因此，在一定的內(nèi)回流比（R）和內(nèi)回流混合液溶解氧的濃度（DO）下，內(nèi)回流混合液攜帶進(jìn)入缺氧池的溶解氧量為R×DOmg/L。根據(jù)溶解氧和BOD的相關(guān)性，溶解氧消耗的污水中易生物降解有機(jī)物或外碳源量也為R×DOmg/LBOD。污水中的有機(jī)物可以作為反硝化過(guò)程的電子供體，轉(zhuǎn)化1gNO3--N為N2時(shí)，需要的有機(jī)物（以BOD表示）為2.86g，內(nèi)回流混合液中溶解氧導(dǎo)致工藝系統(tǒng)脫氮能力下降R×DO/2.86mg/L。
缺氧條件指不存在溶解氧的條件，工程中的缺氧指溶解氧不足或沒(méi)有溶解氧但有硝態(tài)氮的環(huán)境狀態(tài)。缺氧池不曝氣充氧，在懸浮活性污泥中，要求溶解氧保持在0.5mg/L以下。缺氧池內(nèi)的溶解氧主要來(lái)源于內(nèi)回流混合液。內(nèi)回流混合液攜帶溶解氧進(jìn)入缺氧池，溶解氧會(huì)與硝酸鹽競(jìng)爭(zhēng)電子供體，迅速消耗進(jìn)水中的易生物降解有機(jī)物或外加碳源，從而影響反硝化脫氮效能，進(jìn)而影響高排放標(biāo)準(zhǔn)污水處理廠的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)和節(jié)能降耗。針對(duì)內(nèi)回流混合液攜帶的溶解氧使工藝系統(tǒng)脫氮效果下降的問(wèn)題，基于強(qiáng)化脫氮和節(jié)能降耗，提出設(shè)置脫氣池的溶解氧控制工程措施。
2、脫氣池的工程應(yīng)用
2.1 脫氣池的工藝方案
脫氣池設(shè)置在好氧池末端，混合液回流點(diǎn)設(shè)置在脫氣池末端，混合液在脫氣池內(nèi)去除溶解氧后，回流到缺氧池。脫氣池內(nèi)設(shè)置水下攪拌器，以防止污泥沉淀和利于回流混合液脫氣。好氧池出水端布置曝氣器，以保證二沉池進(jìn)水的溶解氧含量。脫氣池設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。
脫氣池可設(shè)置在AAO、多級(jí)AO、氧化溝和MSBR等工藝中，結(jié)合生物處理工藝和池形靈活設(shè)置，工藝流程簡(jiǎn)單。脫氣池可有效去除回流混合液中的溶解氧，提高生物脫氮除磷的極限能力，為二級(jí)處理強(qiáng)化脫氮除磷提供新思路和解決方案，應(yīng)用范圍廣。
2.2 脫氣池的工程案例
2.2.1 基于氧化溝改造的脫氣池應(yīng)用
2010年，首次在合肥某污水處理廠提標(biāo)改造工程中設(shè)計(jì)了脫氣池，隨后在我國(guó)新建或提標(biāo)改造的污水處理廠中大范圍推廣使用。
為控制南淝河和巢湖的水污染，合肥市率先提出城市污水處理廠出水主要指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅳ類（其中TN≤5mg/L）標(biāo)準(zhǔn)，并在合肥某污水處理廠提標(biāo)改造工程中進(jìn)行工程實(shí)踐，該工程采用強(qiáng)化二級(jí)生物處理+深度處理工藝，二級(jí)生物處理將氧化溝工藝改造為AAO工藝。由于進(jìn)水的碳氮比較低，為深挖二級(jí)生物脫氮除磷效能，提高反硝化脫氮效果，降低溶解氧對(duì)進(jìn)水易生物降解有機(jī)物的無(wú)效消耗，首次提出在好氧池后設(shè)置脫氣池，以降低回流混合液中攜帶的溶解氧對(duì)反硝化脫氮的影響，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
一期和二期工程的氧化溝改造設(shè)計(jì)中，為充分利用池型，因地制宜設(shè)置了脫氣池。
一期氧化溝有效水深為3.5m，采用轉(zhuǎn)刷曝氣，改造中將氧化溝進(jìn)行分區(qū)，厭氧池出水依次進(jìn)入缺氧池和好氧池，在好氧池后設(shè)一個(gè)脫氣池。含有硝酸鹽的回流混合液經(jīng)脫氣池去除溶解氧后，與污水在缺氧池前端混合，在缺氧池內(nèi)完成反硝化反應(yīng)。每組氧化溝的處理水量為2.5×104m3/d，脫氣池有效容積為1250m3，水力停留時(shí)間（HRT）為1.2h。脫氣池設(shè)雙曲面水下攪拌器，內(nèi)設(shè)硝化液內(nèi)回流泵，將脫氣后的硝化液回流至缺氧池。
基于轉(zhuǎn)刷曝氣氧化溝工藝改造的脫氣池設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。
二期氧化溝有效水深為4.3m，為提高充氧效率，將轉(zhuǎn)刷曝氣改為微孔曝氣。氧化溝改造為推流式的AO工藝，在好氧區(qū)后設(shè)置脫氣區(qū)，脫氣區(qū)水力停留時(shí)間為0.5h。
為降低能耗和提高脫氮效率，運(yùn)行將一期和二期好氧池（區(qū)）出水溶解氧控制在1.5mg/L左右，經(jīng)過(guò)脫氣池（區(qū)）處理后，回流混合液中的溶解氧降低到0.2mg/L左右。2021年5月，監(jiān)測(cè)一期和二期的好氧池出水的溶解態(tài)TN分別為7mg/L和6mg/L，二級(jí)生物處理脫氮效果良好。
2.2.2 基于多級(jí)AO工藝的脫氣池應(yīng)用
多級(jí)AO工藝的脫氣池設(shè)置在第一好氧池之后，形成生物選擇池+厭氧池+第一缺氧池+第一好氧池+脫氣池+第二缺氧池+第二好氧池的工藝流程，回流混合液由脫氣池回流至第一缺氧區(qū)，進(jìn)行反硝化脫氮。
基于多級(jí)AO工藝的脫氣池設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。
脫氣池有別于AAO等各類變形工藝中生物選擇池（預(yù)缺氧池），生物選擇池設(shè)置在厭氧池前，主要目的是降低回流污泥中的硝態(tài)氮和馴化聚磷菌，為厭氧池聚磷菌釋磷創(chuàng)造良好的環(huán)境。脫氣池設(shè)置在好氧池末端，主要依靠微生物自身的耗氧能力，降低回流混合液中的溶解氧，減少溶解氧對(duì)原水中易生物降解有機(jī)物的爭(zhēng)奪，更好地發(fā)揮缺氧區(qū)反硝化脫氮的功能。另外，利用混合液中慢速生物降解有機(jī)物和活性污泥中內(nèi)源代謝產(chǎn)物，在脫氣池中進(jìn)一步去除污水中的總氮，提高系統(tǒng)脫氮效能。
3、脫氣池主要參數(shù)的確定
為優(yōu)化污水處理廠脫氣池的工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理，準(zhǔn)確反映混合液中溶解氧的削減效果，一般可進(jìn)行溶解氧削減試驗(yàn)，通過(guò)分析溶解氧的削減情況，確定脫氣池的水力停留時(shí)間。
試驗(yàn)材料：便攜式溶解氧分析儀（型號(hào)HQ30d）；2L的燒杯�，F(xiàn)場(chǎng)取好氧池末端的混合液，利用燒杯模擬脫氣池，測(cè)定混合液中的溶解氧。
選取2座北方地區(qū)的污水處理廠和1座中東部地區(qū)的污水處理廠，開(kāi)展回流混合液中溶解氧的削減試驗(yàn)。北方地區(qū)的J污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為20×104m3/d，采用氧化溝工藝，取氧化溝末端的混合液為研究對(duì)象，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。北方地區(qū)的Q污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為50×104m3/d，采用多級(jí)AO工藝，取第一好氧池出水的混合液為研究對(duì)象，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。中東部地區(qū)的W污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為30×104m3/d，采用AAO工藝，取好氧池末端的混合液為研究對(duì)象，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。
混合液在停止曝氣30min后，J污水處理廠、Q污水處理廠和W污水處理廠的混合液中溶解氧分別降低了1.24、2.78和1.86mg/L，混合液的平均耗氧速率分別為1.61、2.58和1.03mgDO/（gVSS·h）。Q污水處理廠的混合液停留時(shí)間從30min延長(zhǎng)到50min，溶解氧僅降低0.4mg/L，溶解氧削減速率明顯減慢，W污水處理廠也有相同的規(guī)律。溶解氧削減試驗(yàn)表明：混合液曝氣停止后，活性污泥中的微生物依靠自身的耗氧能力進(jìn)一步消耗溶解氧，混合液中溶解氧快速降低，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，溶解氧的削減速率也隨之下降。
脫氣池的容積與建設(shè)成本呈正相關(guān)，綜合考慮建設(shè)成本和運(yùn)行效果，充分發(fā)揮脫氣池的溶解氧消除能力，脫氣池的設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間宜取0.5h。
4、脫氣池去除溶解氧效果評(píng)估
北方地區(qū)的Q污水處理廠的二級(jí)生物處理由生物選擇池+厭氧池+第一缺氧池+第一好氧池+脫氣池+第二缺氧池+第二好氧池組成，脫氣池的設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為30min。設(shè)計(jì)進(jìn)水和出水TN分別為69mg/L和15mg/L，現(xiàn)況污水處理廠運(yùn)行良好，出水TN達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)公布的2019年3月—2021年2月的污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)，污水處理廠進(jìn)水平均TN為48.9mg/L，出水TN為9.98mg/L，去除率為80%。
在冬季最冷月（2020年12月—2021年1月）評(píng)估脫氣池對(duì)溶解氧的控制效果：污水處理廠進(jìn)水水溫為11.1~13.8℃，BOD5/TN為3.1，碳源略顯不足；脫氣池進(jìn)水的溶解氧為3.01~4.78mg/L，平均為3.97mg/L。脫氣池的溶解氧控制效果見(jiàn)圖7。
可見(jiàn)，脫氣池平均去除溶解氧1.81mg/L，平均MLVSS為1629mg/L，脫氣池混合液的耗氧速率為2.22mgDO/（gVSS·h）。冬季水溫低，脫氣池進(jìn)水溶解氧偏高，出水溶解氧仍然偏高，但從脫氣效果看，已達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。
城鎮(zhèn)污水的成分復(fù)雜，僅有一部分易生物降解的BOD可以作為反硝化碳源，慢速生物降解的有機(jī)物以及活性污泥中內(nèi)源代謝產(chǎn)物的反硝化速率遠(yuǎn)低于易生物降解有機(jī)物作為碳源時(shí)的反硝化速率。溶解氧首先消耗易生物降解的有機(jī)物，換算為甲醇、乙酸或乙酸鈉分別為：1mg/LDO消耗0.67mg/L甲醇、0.94mg/L乙酸或1.28mg/L乙酸鈉。該污水處理廠混合液回流比為3，通過(guò)設(shè)置脫氣池，削減溶解氧，節(jié)約了1.81×3=5.43mg/L的BOD，工藝系統(tǒng)脫氮能力提升了1.9mg/L。為保證TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，該污水處理廠仍然外加乙酸鈉提高脫氮率，通過(guò)設(shè)置脫氣池削減溶解氧，1m3污水節(jié)約結(jié)晶乙酸鈉11.78g（干燥品含量按59%計(jì)），按工業(yè)級(jí)結(jié)晶乙酸鈉2000元/t計(jì)算，消除溶解氧節(jié)約費(fèi)用2.36分/m3。該污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為50×104m3/d，則每年節(jié)約乙酸鈉的費(fèi)用約為431萬(wàn)元。
5、結(jié)論
①依靠微生物自身的耗氧能力，脫氣池可以有效降低回流混合液中的溶解氧濃度，減少溶解氧對(duì)缺氧池內(nèi)易生物降解有機(jī)物的爭(zhēng)奪，充分發(fā)揮各處理構(gòu)筑物的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)反硝化脫氮效能。
②脫氣池可與多種工藝組合，設(shè)置在好氧池的末端，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間（HRT）宜為0.5h，內(nèi)設(shè)攪拌器防止污泥沉降和利于脫氧，混合液回流點(diǎn)設(shè)置在脫氣池末端。（來(lái)源：北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司）
