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爱尔斯微课堂|农村生活污水处理工艺——改良型UCT工艺的应用

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爱尔斯微课堂|农村生活污水处理工艺——改良型UCT工艺的应用

2022/08/26
【摘要】:

 

我国农村生活污水处理设施的进水COD往往低于设计水质,因而脱氮除磷过程中碳源不足,同时进水中TN、TP波动较大,导致现有工艺难以稳定实现脱氮除磷。针对这一问题,基于改良型UCT工艺的一体化农村生活污水处理系统应运而生。UCT工艺是类似A2/O工艺的一种新型脱氮除磷工艺,与A2/O工艺相比,UCT工艺将污泥先回流至缺氧池,再将缺氧池部分混合液回流至厌氧池,从而减少回流污泥中硝酸盐对厌氧释磷的影响。该工艺能有效降低污水的COD、SS等指标,并解决同步脱氮除磷过程中聚磷菌和硝化菌在污泥龄上存在的矛盾问题。本次以江苏省常州市某村落为应用地点,梳理了该系统的工艺改进思路、工程设计方案、运行效果及经济性分析,以期为农村生活污水处理工程的实施提供参考。

邹区镇污水处理、垃圾处理等基础设施建设相对滞后,大量废水直接排入河湖道,水生态和水环境状况急剧恶化。根据2017年邹区镇103个断面水质监测结果,水质为优良的断面仅占4.9%,而劣Ⅴ类占54.4%。在29条河流中,有19条不能满足功能区水质要求,超标率为65.5%,其中16条河流达到重度污染级别。自2012年起,这里分3年建设了共计28套的基于A2O工艺的农村生活污水处理设施,但该设施脱氮除磷能力较差且运维难度较大,如何解决这两个主要问题则成了改良型UCT工艺流程的设计思路。

 

 

工艺的设计及应用

#1 设计思路

解决脱氮除磷效果差的问题。UCT工艺是在A2O工艺的基础上,将污泥回流入缺氧池而不是厌氧池,同时增加缺氧池到厌氧池的混合液回流,回流污泥和混合液中的硝态氮至缺氧池中进行反硝化,从而可减少硝酸盐对厌氧释磷的影响,以期实现较好的生物脱氮除磷效果。另外,由缺氧池回流到厌氧池中的回流液硝态氮浓度降低,也削弱了聚磷菌对厌氧释磷的影响,从而解决脱氮和除磷不能同时取得较好效果的问题。针对邹区镇生活污水有机物浓度较低的问题,在UCT缺氧段前增加了预缺氧段,用于回流沉淀池的污泥,并在缺氧池设置回流好氧池混合液的装置,即改良型UCT工艺。这种方式使得污泥脱氮和混合液脱氮完全分开,可保证低C/N下的脱氮效率,从而进一步减少硝酸盐进入厌氧区的可能性,还可解决同步脱氮除磷过程中聚磷菌和硝化菌在污泥龄上的矛盾,最终实现良好的氮磷去除效果。

 

降低运维成本。改良型UCT工艺可发挥聚磷菌生物除磷作用,实现低C/N下系统的稳定运行,碳源投加量低于同类工艺,因此可降低了运维成本。脱氮除磷效果的增强,使得混凝剂和助凝剂的使用减少,加药频次降低还可很大程度地减少运维工作量,从而降低运维成本与难度,对于改进农村生活污水处理设施的长效运维管理作用明显。

 

#2 设计内容

构筑物设计参数。厌氧池:停留时间1.5h,控制ORP、硝酸盐指标及碳源的供应以保持厌氧环境。缺氧池:停留时间4.2h,反硝化负荷0.47,控制ORP以及碳源供应。好氧池:停留时间8.2h。

运行参数。污泥质量浓度4000mg·L-1,外回流比100%,内回流比300%,污泥负荷(每日单位质量MLSS可承受的以COD计耗氧有机污染物的质量)0.48kg·(kg·d)-1,污泥龄17d,曝气量8.5m3·min-1,气水体积比为8:1。

处理规模及设计水质。该系统总处理规模为270m3·d-1,可服务人口1996人,具体规模如表2所示。设计进水水质基于现状监测数据,按较不利的情景来考虑。设计出水水质执行《村庄生活污水治理水污染物排放标准》(DB32/T 3462-2018)一级A标准。出水就近排入附近自然水体,用于河塘生态补水。

设备设计进、出水水质

 

#3 工程建设情况

在邹区镇毛家村、野田村等4个行政村中的14个自然村投建了9套改良型UCT工艺一体化污水处理设施,总处理规模为270m3·d-1,可服务人口1996人,具体规模如表所示。每套设施的服务范围按行政村河流、居住密集度和施工难度等因素进行划分。考虑到后期运维的成本和便利性,按照“分散处理 组团集中”的原则进行了布点。如于家村中3个自然村的分布较为分散,采用集中处理施工难度较大,故在每个自然村分别建设了3套处理设施,处理规模分别为15、20和10m3·d-1;而桥东村的3个自然村居住密集度较大,故合建1套100m3·d-1的处理设施。污水处理设施中的设备埋在地下,地上部分为电控系统。

 

 

设施运行效果

整体运行情况

新建的9套污水处理系统各项出水指标均能满足江苏省《村庄生活污水治理水污染物排放标准》(DB32/T 3462-2018) 中一级A标准。

 

各类污染物的去除效果

以COD计的耗氧有机物的去除效果。如图所示,桥东村进水COD保持在95-240 mg·L-1,波动较大,进水平均COD为153.6 mg·L-1,低于设计水质。运行初期的第1-15天,系统尚未完全稳定,微生物还未培养成熟,在污泥浓度较低的情况下,出水平均COD为39.2mg·L-1。随着系统的逐步稳定,自第30天起,系统出水COD稳定在15-30mg·L-1,出水平均COD为19.23 mg·L-1,可达到《村庄生活污水治理水污染物排放标准》(DB32/T3 462-2018)一级A标准要求。系统稳定后,以COD计的耗氧有机物的平均去除率可达到87.8%。同时,由于改良型UCT工艺采用了多段回流,在系统进水COD波动较大时,仍可保持较高的抗冲击负荷。在稳定运行工况下,通过对好氧区微生物的观察可发现,有大量轮虫出现,可见出水水质良好。

 

NH3-N的去除效果。图为桥东村一体化污水处理系统的NH3-N去除效果。系统启动初期,好氧区硝化菌浓度较低,硝化作用不明显,出水NH3-N较高。随着污泥培养过程的进行,系统逐渐稳定,出水[NH3-N]保持在5mg·L-1以下,平均去除率为92.4%,满足设计要求,较原有A2O工艺设备的NH3-N去除率明显提高。对于改良型UCT工艺,系统中NH3-N去除效率受好氧区DO的影响较大。较高的DO可提高系统硝化效果,但DO过高时,会造成运行成本的增加,且易产生污泥膨胀现象,导致出水悬浮物浓度升高。系统运行的第30-60天,DO可维持在1.02mg·L-1,出水平均[NH3-N]为3.2mg·L-1。第60-90天,DO提高至2.15mg·L-1,出水[NH3-N]下降为1.69mg·L-1。第90天起,为平衡运行成本并减少硝化液回流对除磷效果的影响,将系统DO控制在1.6-1.8mg·L-1,此时NH3-N去除效率基本保持不变。

 

以TN计污染物的去除效果。农村生活污水中,以TN计污染物的去除效果与系统中进水C/N、回流比以及好氧区DO等均有密切关系。如图所示,系统中进水TN波动较大,为29.2-104.9mg·L-1,且进水C/N偏低,碳源严重不足。在系统运行初期(第0-30天),未投加碳源,出水平均TN为24.6mg·L-1,污染物去除率仅为45.1%,脱氮效果一般。系统运行30d 后开始投加少量碳源,C/N维持在3.5:1。第30-60天,以TN计污染物的去除率提高了15.7%,说明有机物对系统脱氮效率有较大影响。系统运行第60-90天,C/N调整为 4.5:1,出水平均TN为15.2mg·L-1,出水水质稳定达标。第90天后,系统C/N维持在3.5:1,通过调节回流比和好氧区DO,出水平均TN为14.6mg·L-1。上述结果表明,改良UCT工艺具有较好的脱氮效果,而碳源投加量低于现有同类工艺,从而也降低了系统的运行成本。 

 

以TP计污染物的去除效果。当地农村生活污水的C/N和C/P普遍偏低,系统中存在固有反硝化细菌与聚磷菌对碳源的竞争,且聚磷菌摄取易降解有机物的能力不如反硝化细菌,从而导致聚磷菌体内贮存的聚羟基烷酸含量不足,出水TP偏高。系统脱磷效果如图所示。系统运行初期的0-30d,未进行化学除磷,设备进水平均TP为3.89mg·L-1,设备出水平均TP为1.78mg·L-1,污染物的平均去除率为 50.65%。随着系统逐渐稳定,在第30-60天,由于工艺的回流设计,硝酸盐进入厌氧区的量减少,使得硝化菌比聚磷菌优先利用环境中的有机物,从而干扰厌氧释磷的正常进行,依靠聚磷菌的生物除磷作用,以TP计污染物的去除率提高至74.2%,但出水仍不能达标。在第60-90天,设备开启同步化学除磷,每天投加铝盐除磷药剂及助凝剂1.5kg,以TP计污染物的去除率提高到83.8%。在90d之后,铝盐除磷药剂日投加量增至2kg,出水平均TP为0.53mg·L-1,已满足相关标准和设计要求。此时,继续增加铝盐除磷药剂投加量,除磷效果基本保持不变。因此,系统铝盐除磷药剂及助凝剂日投加量控制在1.5-2kg。上述结果表明,改良UCT工艺强化了厌氧缺氧的交替环境,为反硝化噬磷菌的生长提供了有利的条件,保证了系统对氮磷相关指标能达标。

 

 

经济性分析

该项目总投资为828.5万元。其中,工程建设费729.3万元,其他相关费用66.1万元,预备费33.1万元。新建一体化污水处理设施吨水建设费用约为4650元(不含土建施工费用),与原有A2O工艺(约4200元·m-3) 相差不大。但在系统运行费用方面,改良型UCT工艺系统吨水运行费用为0.79元,较原有A2O工艺(0.9-1.2元·m-3) 降低了15%。这主要是由于本系统稳定运行所需DO质量浓度低于原工艺,故曝气风机能耗降低,单位水量平均耗电量降为0.313kW·h·m-3;同时,本工艺系统尽可能地发挥了生物除磷作用,减少了混凝剂和助凝剂的投加量,进而降低了本工艺系统的运行成本。

 

 

文章来源:环境工程学报 期刊

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