我用12天 搞定了冬季污水厂的总氮提标改造！
一、污水处理厂规模及工艺
该污水处理厂上游很多工业厂，偷排情况较为严重。前处理单元分别包括粗格栅及进水泵房、细格栅及曝气沉砂池等一组系统。曝气沉砂池出水进入主生化段。主生化段采用AA/O（设置预缺氧）生化反应工艺。后深度处理系统包括二沉、转盘滤池及次氯酸钠消毒，同时采用地埋式结构设计，并对生活污水产生的臭气进行集中收集处置。该厂设计10000m3/d，目前实际运行水量约为8000m3/d左右。出水总氮18-20mg/l，其他指标满足《城镇污水厂污染物排放标准》一级A排放要求。目前进、出水数据见下表（未投加碳源）。政府要求限期整改，15天内由一级A标准，提高至总氮特排标准（出水总氮小于10mg/l）。但水厂目前处于系统冲击恢复期，总氮去除率低，短期时间内，无法满足特排出水标准。实际数据见下表：
二、调试过程
1、准备工作
12月2日，正式入驻水厂，对现场详细考察与评估后，在不影响厂方正常生产的前提下，对原有碳源投加体系进行了改造与优化：生化池新铺设30余米输送管道、新增设置计量控制的碳源投加点2个。
当日下午，正式开始投加复合碳源，开始控制、测定全流程点位条件指标及工况；整理并确认现场工艺及水质数据。
2、生产性投加试用过程
调试周期：12月2日—12月13日
1）碳源投加初期（12月2日-12月7日）
12月3日早，到厂检测二沉池出水硝酸盐氮，相比较前一天数据无明显变化。取生化池污泥，进行反硝化反应小实验，结果显示其脱氮效率很差，生化系统内的反硝化细菌量很少，需进行培菌，富集反硝化细菌。
对其生化系统操作如下：降低内回流流量（2倍回流比），增加缺氧区实际停留时间，严控PH、溶解氧，配合投加碳源来富集反硝化细菌，强化脱氮能力。同时，控制碳源投加量在400公斤/天（100万COD当量）。
观察镜检及SV30：镜检只发现魔门虫与钟虫，菌胶团伸出丝状菌，魔门虫躯壳较多。SV30发现上清液含有部分悬浮细碎污泥絮体。考虑目前恢复期，正处于富集反硝化细菌的培养阶段，降低好氧末端溶解氧至2.5-3mg/l，尽量减少操作，避免操作造成生化系统的波动。
12月5日，反硝化实验明显发现反硝化气泡增多，脱氮效率明显提升，生化系统培菌有初步效果。
12月7日，系统出水的化验总氮数据已经较低至13mg/l，并持续降低中。
2）工艺改动阶段（12月8日-12月13日）
12月8日，镜检观察到部分丝状菌伸出菌胶团，可见魔门虫、钟虫、累枝虫、轮虫、聚缩虫及游泳型纤毛虫等，微生物种类较以往丰富。沉降比30%，MLSS2700mg/l，活性污泥中生物种群在丰富，生物活性在增强，处理效率在提高，暂停排泥，保障生物繁殖和适应。将碳源投加量提升至500公斤/天。
12月10日，生化系统出水总氮保持在9mg/l，停止了降低趋势。查找原因得知当前缺氧区停留时间仅有3小时。将系统的内回流出口调整至厌氧区，以扩大缺氧区，强化系统的脱氮能力。
12月11日，生化系统出水总氮降低趋势恢复。
12月13日，测得生化缺氧区末端硝酸盐氮已经低于1mg/l，提升内回流流量，将原有2倍回流比，提升至2.5倍。
12月14日，系统出水总氮，已经达到5mg/l。
3、数据汇总
1）进出水数据曲线
（1）总进出水COD、TN指标
（2）系统进出水总磷
2、调试之前生化系统污泥生物相
3、调试之后生化系统污泥生物相
投加碳源后，镜检观察到菌胶团更为紧实，伸出的丝状菌量减少，微生物种类增多，低等至高等微生物皆可见，且活性很好。
四、数据分析
1、本次生产性试用期间为冬季低温期，最低气温接近0℃，水温在16℃左右（现13℃）；
2、试用期间进水负荷略有波动， COD维持在140—180mg/L ，总氮在32—45mg/L间波动；TN由20mg/L降低到5mg/l水平，证明外加碳源基本完全被生化系统充分利用，总氮去除达到预期效果。
3、调试期间可观察到，虽然培养时间较短，但系统出水的总磷，仍然出现下降趋势，显现出较强的辅助除磷能力。1个月后，对水厂进行考察时，总磷浓度已经降低到0.1mg/l。
4、调试期间，在较低水温条件下，生化系统污泥浓度、生物种群、生物活性、生物胶团状态、沉降性能及污泥产量都得到相对稳定的维持。
五、调试运行问题的探讨
按照冬季低温低碳源的水质条件（13℃），8000吨/日的处理水量，根据实验得出结论预估：系统出水TN控制在6mg/L左右时，生化池需要投加碳源最大量约500公斤/日。
1、碳源投加点的选择及投加量合理性判断
外加碳源的投加使用需要根据外加碳源的性能做投加点的相应调整。投加点的靠前（反应停留时间延长）是对反硝化进行的彻底性有利的。投加点选择基于以下几个条件的综合评判：
A、反应停留时间
B、硝态氮浓度（进水、回流消化液流量和浓度等）
C、溶氧状态（选择溶氧稳定低于0.3mg/l）
D、混合状态（均匀混合并流态清晰）
E、脱氮和除磷的兼顾（释磷菌与反硝化细菌对碳源的抢夺调配）
F、原水内碳源利用情况（生化段进水COD利用降解梯度）
结合污水厂系统的工艺及实际运行情况，进水与外回流混合后溶液的硝态氮浓度高于8mg/l，预缺氧溶解氧过高，无法发挥反硝化作用。厌氧段未添加外加碳源的情况下，厌氧出水硝态氮浓度维持在8mg/l左右，表明厌氧段反硝化作用缺失，给缺氧段反硝化脱氮带来压力。因此，调试过程中，考虑设置硝化液回流至厌氧段，选择溶解氧较低且硝酸盐氮浓度较高位置进行碳源补充，利用厌氧段的停留时间及高效的碳源来促进厌氧区硝态氮还原，降低厌氧出水硝态氮浓度。未充分消耗的碳源流入缺氧段，继续用于反硝化脱氮及释磷反应。（实际使用情况表明，厌氧出水硝态氮浓度明显降低）。更改硝化液回流点及外碳源投加点的操作，是尽量提前碳源的加入点，延长反硝化时间，强化反硝化反应的脱氮效率，增加脱氮的绝对数量，从而整体降低好氧末端的出水硝态氮（或TN）浓度。
合理调整内外回流的回流量，回流量的调整变化导致缺氧段水力流速的变化，以及回流至缺氧段的硝态氮绝对数量。停留时间、碳源投加量、水力流速及反应速率和效率的最优调整将能确定厌氧、缺氧区硝态氮的绝对去除量。根据试验期各种调整的数据，大致可以判断：经过12天实验，碳源投加到厌氧区，实现强化反硝化的情况下，内回流比以200%-250%左右为综合最优。
投加量合理性判断：根据前馈、中馈和后馈综合判断。COD及硝酸盐氮的过程指标数据来判断。缺氧末端硝态氮≤1mg/l，厌氧区硝酸盐氮3-4mg/l，好氧末端硝态氮<8mg/l为合理投加量。
2、按照现有工艺系统脱氮除磷状况，增加厌氧段反硝化反应，强化缺氧区释磷能力的碳源投加优化方案
厌氧段由于内回流混合液的流入，导致其空间内硝酸盐氮浓度升高，反硝化细菌与释磷菌产生竞争，厌氧反应区主要发挥了反硝化脱氮的作用。而缺氧区因为厌氧区脱氮在前，使缺氧反应区内硝酸盐氮浓度降低，受到完全混合式反应器的影响，只要回流比控制得当，缺氧区出水硝酸盐氮在小于1mg/l，也保障了缺氧区相对充足的碳源和工况条件有利于释磷反应，而高品质碳源（完全可降解利用的BOD及生物所需的微量元素）能丰富好氧段生物种群，提高生物量和生物活性，强化聚磷反应。因此，强化生化系统的除磷可采用在倒置AAO的方式进行。
3、发挥碳源最佳作用要求的生化池各种参数组合
内、外回流比与进水水量相关，实际运行中精确控制宜采用回流量指标来界定。回流量高则硝化液回流带入反硝化系统的绝对硝酸盐氮量高（反硝化前段的硝态氮浓度相应增高），为脱氮还原硝态氮从而去除总氮提供了条件；但，同时，回流量的增大会生化系统厌氧、缺氧和好氧段水力流速加快，降低缺氧状态的单次停留时间和提高反硝化区域的溶氧，使反硝化细菌在低溶氧状态的优势培养和反应时间缩短，对反硝化的彻底性造成负面影响。因此，合适的内外回流量也是能否高效精准降解污染负荷的关键参数。从污水厂调试期的实际运行状态摸索，我认为，在低水温、基本满负荷进水，以碳源作为外加补充碳源的条件下外回流保持单台回流（70-100%），内回流能控制一台变频（回流比约200-250%）为最佳----准确控制好氧出水硝态氮在8mg/l以下。
溶氧的控制：厌氧、缺氧段DO控制越低，对反硝化脱氮的进行越有利。
高有效污泥浓度对反硝化进行是有利的，但污泥浓度过高会造成系统的其他问题（运行电耗的增加，溶氧控制的难度增加、沉降比增高、二沉池压力等）。因此，合理污泥浓度以综合效率为指导。污水厂在低水温条件下维持4000-4500mg/l左右的污泥浓度和较高的MLSS是合理准确的，从脱氮除磷效率和COD、氨氮降解的情况判断，剩余污泥的排放和泥龄的控制也是合理准确的。
4、碳源投加点设定及投加量准确性判断
碳源投加点及投加量设定与进水水质、工艺及运行情况密切相关。条件允许的情况下根据流程污染负荷降解情况多点投加将有利于碳源的精准利用。在低水温条件、反硝化菌群相对丰富、溶氧控制合理条件下碳源作为反硝化电子供体完全反应的停留时间与乙酸钠相当（反硝化速率略低），但停留时间越长反硝化越加彻底，因此，建议反硝化区停留时间>3h。
就污水处理厂目前水质及总体运行情况而言，出水总氮是否接近并小于内控指标、缺氧出水硝酸盐氮是否<1mg/l，好氧末端出水是否<8mg/l是判断水厂运行是否合理的参考标准。