东北地区超低温条件下生化系统脱氮除磷稳定性研究

李培根，于永莲，郑小姣

（1.山东美琰环保科技有限公司，山东 济宁 272000；2.山东鲁抗舍里乐药业有限公司，山东 济宁 272000）

随着国家节能环保政策和地方美丽乡村建设举措的推进，农村人口密集区域污水处理设施逐步完善，环境效益得以逐步提升，但是在东北地区的很多小城镇污水处理厂的运行，仍然面临冬季寒冷的气候条件对污水中生物净化产生不利影响的问题[1]，导致冬季运行出水效果不稳定[2]。针对冬季社区生活污水生化系统运行都要求系统进水温度控制在10 ℃以上[3]，但是针对进水温度低于10℃的生化运行情况及控制要点鲜有报道。本研究结合东北地区某实际工程进水长期温度保持在10℃以下的应用情况，进行系统优化改造，改造后超低温环境条件下出水指标保持长时间稳定性，为其他类似工程项目设计、运行和改造提供参考。

1 材料与方法

1.1 原污水处理系统

社区生活污水经过污水管网收集，经过两级格栅的过滤，实现污水中固体颗粒物的固液分离，从集水池利用提升泵提升进入调节池，在调节池内部完成水质、水量的调节，再次利用提升泵提升进入缺氧池（A池）和好氧池（O池）进行生化处理，经过二沉池和三沉池的泥水分离，然后通过溢流进入中间水池，在中间水池通过水泵再次加压经过高效过滤器去除废水中的颗粒物，最终从清水池通过溢流的方式外排出污水处理厂。

集水池的尺寸为5.0 m×6.0 m×6.8 m，调节池尺寸为13.0 m×9.0 m×5.8 m（水力停留时间HRT=24 h），缺氧池尺寸为6.0 m×7.3 m×5.8 m（硝化液回流比100%～120%，污泥回流比100%），好氧池尺寸为7.3 m×13.0 m×5.8 m，二沉池为6.0 m×6.5 m×5.8 m，三沉池尺寸为6.0 m×6.5 m×5.8m，中间水池尺寸为6.0 m×2.5 m×5.8 m，清水池尺寸为6.0 m×2.5 m×5.8 m，污泥池尺寸为6.0 m×3.0 m×5.8 m。集水池有效深度6.0 m，其他有效深度均为5.0 m。处理构筑物采用钢筋混凝土结构，埋地深度5.5 m，顶部全部封闭，但设有1.5 m×1.5 m的检修孔和2.0 m×2.0 m的观察孔。处理构筑物外墙厚度为0.3 m，内墙厚度为0.25 m。由于水温提升需要消耗大量的能源，从而造成污水处理成本的大幅攀升或者需要新增较大的一次性投资，因此基于现实情况，现场没有任何调整系统进水温度或保证系统运行温度的其他措施。

1.2 处理污水水质与检测方法

项目所处理污水为内蒙古自治区东北部某社区生活污水，进水COD为100～300 mg·L-1、NH4+-N为10～50 mg·L-1、TN为10～50 mg·L-1、TP为1～4 mg·L-1、pH为6.5～7.5。

水样经过滤纸过滤后，根据APHA标准方法测定COD、NH4+-N、TN、TP[4]，pH值采用实验室雷磁PHS-3E型台式酸度分析仪测定，DO采用现场安装的哈希溶解氧仪测定，温度采用电子数显温度计测定，MLSS采用重量法测定。

1.3 原污水处理系统运行情况

系统改造前运行情况以2021年2月份的运行情况为例，如图1所示。A/O生化系统在外界环境温度-10～-30℃、系统进水温度4.5～7.5℃、好氧池DO 4～6 mg·L-1，硝化液回流比100%～120%、污泥回流比100%的条件下，出水COD稳定在50 mg·L-1以下，出水NH4+-N稳定在20～30 mg·L-1，出水TN基本稳定在20～30 mg·L-1，出水TP质量浓度在0.5～1.0 mg·L-1之间。

图1 系统改造前系统出水情况

图1表明，低温环境下传统A/O生化系统对生活污水NH4+-N、TN和TP的去除难以持续稳定达标[2]，对TN的去除效率受NH4+-N的去除效率限制[5]，因此TN的进一步去除需要首先强化生化系统硝化能力，提高NH4+-N的去除效率[6]。按照设计要求系统出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002），即COD≤50 mg·L-1、NH4+-N≤5 mg·L-1、TN≤15 mg·L-1、TP≤0.5 mg·L-1，改造前只有COD满足设计标准，NH4+-N、TN、TP均不能持续稳定达标。

1.4 运行过程中系统优化改造内容

分析现有污水处理系统处理数据和基于现有污水处理系统配置，在尽可能降低改造工作量的前提下，采取的改造措施包括：①将污泥回流点从缺氧池（A池）直接改到调节池，污泥回流比设定为100%（污水处理水量与污泥回流量比1∶1）；②将调节池作为预曝池使用，并且在调节池内投加有机碳源（采用碳源相当于800 g·L-1COD）；③在三沉池进水位置投加聚合氯化铝作为除磷剂，增加空气搅拌措施，并在三沉池的出水位置投加一定量的聚丙烯酰胺（PAM），强化除磷剂产生化学污泥的沉降效果。

2 结果与讨论

2.1 改造对系统出水COD和NH4+-N的影响

2021年3月1日至2021年3月12日对该系统进行改造，进水量与改造前大体相同（2021年2月份平均处理水量为510 m3·d-1，2021年3月至4月平均水量为520 m3·d-1），外界环境温度-30～-10℃，进水温度4.5～7.5℃，从3月12日开始在预曝池（调节池）投加有机碳源（投加量基本控制在60 kg/600 m3进水），并保证高溶解氧4～6 mg·L-1运行。系统改造后出水情况如图2所示。经测定污泥浓度MLSS由原来的2 500 mg·L-1左右逐步升高至3 500 mg·L-1以上，在硝化液回流比为100%～120%、污泥回流比为100%的条件下，出水COD质量浓度仍然稳定在50 mg·L-1以下，表明投加的碳源很容易被微生物分解代谢，通过同化作用使得系统内污泥质量浓度MLSS明显提高[5]。

图2 系统改造后系统出水情况

系统内的活性污泥经过14天左右的增长，出水NH4+-N由原来的25 mg·L-1逐步下降至5 mg·L-1以下，表明在投加有机碳源和高溶解氧后可改善微生物之间的群落共生关系，使系统内硝化细菌数量随系统内总污泥质量浓度的提高而逐渐增加[7]。

2.2 改造对系统出水TN的影响

由图2可知，经过30天左右的污泥增长，系统出水TN逐步下降至15 mg·L-1以下，表明在预曝池（原调节池）内投加有机碳源，可提升进水中的碳氮比[8]，为缺氧池（A池）内的反硝化细菌提供了更多的碳源和能量[9]，经过较长时间的连续运行可完成反硝化菌的富集，从而明显提高了TN去除效率。

2.3 改造对系统出水TP的影响

由图2可知，在外界环境温度-30～-10℃、进水温度在4.5～7.5℃的条件下，通过上述改造措施，出水TP基本在0.5 mg·L-1左右波动，于4月10日在二沉池出水口增加末端化学除磷，出水TP很快降低并稳定至0.5 mg·L-1以下，表明在超低温环境下，为保证系统内的污泥质量浓度，系统经常少排泥或不排泥，仅靠生物除磷作用是不能实现系统出水水质稳定达标[10]，但是可以通过二沉池出水化学除磷[11]，来保证外排污水中TP的质量浓度稳定控制在0.5 mg·L-1以下。

3 结论

1）对污水处理生化系统进行每600 m3污水投加60 kg碳源、好氧池溶解氧DO控制在4～6 mg·L-1的优化改造后，可保证该生化系统在外界环境温度为-10～-30℃、系统进水温度为4.5～7.5℃的条件下活性污泥质量浓度持续增长。

2）优化后的污水处理生化系统在低温条件下经过14天左右的连续运行，出水氨氮质量浓度逐渐降低至5 mg·L-1以下，氨氮去除效率从改造前的60%左右上升至95%以上；经过30天左右的连续运行，出水TN质量浓度逐渐降低至15 mg·L-1以下，TN去除效率从改造前的40%左右上升至75%以上，极大地提高了氨氮和总氮的去除效率。

3）超低温条件下，污泥增长速率缓慢，在不排泥或排泥量明显减少的前提下，该污水处理生化系统可以通过二沉池出水化学除磷的手段，实现外排污水中TP质量浓度持续低于0.5 mg·L-1的要求。