摘要：简要介绍了因污水处理厂提高出水标准对总氮总磷提出了更高的要求以及目前投加碳源的选择。通过理论分析得出了曝气池末端的溶解氧对反硝化碳源的消耗起到了至关重要的作用，提出了将曝气池出水的氨氮控制在1mg/L左右可有效地的降低溶解氧对缺氧区外加碳源的投加量。同时通过试验得出1g溶解氧将消耗3.1gCOD并归纳出了外加碳源的计算公式，并通过工程实例验证了调控方法的合理性和外加碳源计算公式的准确性。
关键词：外加碳源；溶解氧；总氮；内回流
1 研究背景
自2016年1月1日起，北京市所属污水处理厂的出水标准开始执行DB11-307-2013标准，同时北京周边的部分污水处理厂（例如廊坊市部分污水处理厂）也开始执行该标准，该标准中A排放限值较GB18918-2002中的I级A标准的提出了更高的要求。众所周知，对于污水处理厂的出水水质控制而言，常规指标中的COD、氨氮、SS的指标均可依靠提高污水的深度处理效果实现达标，由于我国污水处理厂的进水碳源不足，虽然可采取一些工艺调控手段提高进水碳源的利用率【1】但仍无法满足出水要求，导致出水总氮和总磷均需要依靠投加化学药剂实现达标。其中出水总磷可以依靠投加化学除磷药剂进行控制，出水总氮则需投加碳源进行降低【2】；受到药剂单价、投配率等因素的影响，相比较化学除磷而言反硝化碳源的投加成本更高，因此通过工艺控制手段降低碳源的投加量以实现更低的运行成本成为污水处理厂运行人员的重要工作之一。
2 利用外加碳源降低出水总氮的现状及分析
目前污水处理厂的外加碳源一般都投加在深度处理区的反硝化生物滤池进水或深度处理区的缺氧区，可供选择的碳源有醋酸、醋酸钠以及甲醇。对于这三种碳源而言，碳源的投加量越大则出水的总氮越低，同时还可适当的降低出水总磷【3】。吴代顺，王淦等人研究发现：外加碳源的投药成本关系为醋酸＜甲醇＜醋酸钠【4】，但由于醋酸及甲醇均属于危险化学品管控风险较高，且醋酸在低温时会发现严重的结晶现象，因此对于污水处理厂而言：虽然醋酸钠投加的成本较高，但为了降低管理风险并减少管控手续，因此目前污水处理厂选择使用醋酸钠作为外加碳源进行投加。目前市场上的醋酸钠主要有三种，分别为液体醋酸钠（醋酸钠含量为20%-30%），结晶醋酸钠（醋酸钠含量为58%-60%）以及纯醋酸钠（醋酸钠含量为99%）；其中纯醋酸钠的单价高且溶解时易结块，而液体醋酸钠如使用30%含量的产品冬季易结晶，而使用20%含量的产品性价比低，因此使用结晶醋酸钠的成本最低，综上：如选用醋酸钠作为外加碳源，则选用结晶醋酸钠的成本最低，本文也主要对醋酸钠进行讨论。
3 外加碳源优化投药方案的理论分析
众所周知，反硝化反应的两个必要条件是碳源和硝酸盐，硝酸盐主要通过二沉池的外回流以及曝气池的内回流入流缺氧区，碳源可依靠进水中的COD以及外加碳源满足，因此在两个必要条件均可满足的情况下如何降低碳源的使用量成为污水处理厂运行人员的重要工作。从宏观上进行分析，除了上述两个必要条件外，保证缺氧区处于缺氧状态是保证良好反硝化的重要因素，李培，潘杨等人研究发现：内回流液中溶解氧含量过高会增大碳源的消耗【5】，同时从微生物学的角度也可验证这一观点：当缺氧区存在大量溶解氧时，好氧异养菌会与反硝化细菌争夺碳源且好氧异氧菌在有氧环境下对碳源的争夺能力强于反硝化细菌，因此反硝化细菌需等溶解氧消耗完毕缺氧区真正进入缺氧环境后方可开始反硝化反应。降低缺氧区溶解氧的方式有以下两种方式：其一是降低内回流量以期减少通过内回流回流到缺氧区的溶解氧，但内回流量如果过低则会导致硝酸盐回流不足，因此内回流量应根据各厂的实际情况进行控制，一般情况下内回流比控制在100%-200%即可【6】；其二是通过降低曝气池的曝气量降低末端的溶解氧，但曝气量降低从则会影响硝化反应导致出水氨氮超标，因此在降低好氧区末端溶解氧的同时应保证出水氨氮达标。根据污水处理厂常规的控制经验：一般曝气池末端的溶解氧控制在2mg/L【6】；但为了更有效地控制溶解氧亦可选择利用曝气池出水氨氮作为控制因子，将曝气池出水的氨氮控制在1mg/L也可实现曝气池出水较低的溶解氧同时也可保证氨氮达标。
综合上述，为了优化反硝化碳源的投加量，应注意如下两点：
3.1 控制合理的内回流比，一般情况下控制出水氨氮在100%-200%；
3.2 控制曝气池出水的氨氮，一般情况下控制在出水氨氮1mg/L即可。
4 设计试验及外加碳源的计算方法
由于除了反硝化所需的必要条件外影响外加碳源的主要因素为曝气池出水的溶解氧，为了得出溶解氧对碳源消耗的系数设计如下试验：
取曝气池混合液1000mL，在通过曝气充氧将溶解氧调整至5mg/L，随后投加碳源并停止曝气开始搅拌，每5分钟取样一次过滤测定滤后液的COD和总氮，同时对曝气池混合液的溶解氧进行不间断测定，使用溶解氧探头测定，具体试验数据如下：
表1 反硝化模拟试验数据表
一般情况下每去除1g总氮消耗约4gCOD【6】。根据上述数据可知：总氮共去除了8.5mg，可计算得到反硝化消耗的COD为34mg；而COD实际消耗了48mg，因此多消耗的14mg COD为溶解氧所消耗，由于溶解氧降低了4.5mg，因此可计算得到每1mg溶解氧可消耗3.1mg的COD。
将上述数据归纳后可得到外加碳源的投加量计算公式如下（选用碳源为结晶醋酸钠，其COD含量为0.47gCOD/g结晶醋酸钠）：
外加碳源（结晶醋酸钠/Kg）={（DO-0.5）×3.1+（TN-X）×4}×Q/470
式中：DO——曝气池混合液中的溶解氧，单位g/m3
0.5——缺氧区溶解氧理论值，单位g/m3
TN——未投加碳源时曝气池混合液总氮，单位g/m3
X ——期望达到的总氮，单位g/m3
Q ——处理水量，单位m3
470——每公斤结晶醋酸钠折算为COD的含量
5 工程实例
以北京某污水处理厂为例，该厂出水标准执行DB11-307-2013中的A标准，即出水总氮为10mg/L，污水处理工艺采用A-A-O+A-O+高效沉淀池工艺，日处理水量4万吨，外加碳源投加在A-O中的A区首端。在未进行工艺调整前，A-A-O区出水的氨氮不大于0.5mg/L，该区域出水溶解氧接近8mg/L，每天需投加结晶醋酸钠4.2吨可保证出水总氮达标。随后该厂对A-A-O区出水的氨氮进行控制，将该区出水氨氮提高到1-1.5mg/L，出水的溶解氧降低到1.5-2.3mg/L，在保证出水总氮仍不大于10mg/L的前提下，外加碳源的投加量降低到每天约3.3吨。因此在保证出水氨氮达标的前提下尽可能降低曝气池的溶解氧不仅可有效地降低外加碳源的使用量，同时还降低了鼓风机的曝气量，降低了污水处理厂的电耗。利用归纳出的公式进行计算：由于溶解氧降低了约6mg/L，计算水量后可节约碳源0.744吨，实际碳源节约了0.9吨，可认为归纳出的公式基本准确。
6 结论
6.1 溶解氧对外加碳源的投加量影响较大，在达到相同曝气池出水总氮的要求时，曝气池末端的溶解氧越低则外加碳源的投加量越低。
6.2 通过设计试验所计算出的数据可知：每g溶解氧约消耗3.1gCOD。
6.3 曝气池末端的溶解氧降低的前提是出水氨氮达标，当出水氨氮设定在1mg/L左右时，出水氨氮即可保证达标同时也可有效地降低通过内回流入流到曝气池缺氧区的溶解氧。
参考文献：
【1】李桂荣，李雪，许文峰，等.解决城镇污水处理厂生物脱氮除磷所需碳源不足的方法综述[J].广东化工，2011，（4）.149-150
【2】邵留，徐祖信，尹海龙. 污染水体脱氮工艺中外加碳源的研究进展[J]. 工业水处理，2007，（12）.10-14（碳源不足-投加碳源）
【3】吴代顺，王淦，涂柽峰. 碳源投加量对除磷脱氮的影响[J]. 宁德师范学院：自然科学版，2012，（3）.254-257（碳源投加越多，效果越明显）
【4】杨敏，孙永利，郑兴灿，等. 不同外加碳源的反硝化效能与技术经济性分析[J].给水排水，2010，（11）.125-128（醋酸-甲醇-醋酸钠）
【5】李培，潘杨.A2/O工艺内回流中溶解氧对反硝化的影响[J].环境科学与技术，2012，（1）.103-106
【6】王洪臣主编.《城市污水处理厂运行控制与维护管理》.
【7】周丹，周雹. 污水脱氮工艺中外部碳源投加量简易计算方法[J]. 给水排水，2011，（11）.38-41（甲醇的计算）
论文作者:张帆
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/15
标签：碳源论文; 溶解氧论文; 曝气池论文; 污水处理论文; 醋酸钠论文; 消耗论文; 结晶论文; 《基层建设》2018年第30期论文;