城镇生活污水处理厂直接承担着净化生活污水的功能，而我们日常生活中各类用水活动所产生的污水中的含氮污染物是引发水体富营养化的主要物质之一，越发突出的环境污染和水体富营养化问题迫使国家和各省、市制定越来越严格的城镇污水处理厂含氮污染物排放标准。因此，研究和挖掘高效、经济的深度脱氮工艺，已成为污水处理厂关注的热点和难点。
今天，针对这一问题，小编将带领大家走进东莞市最大的生活污水处理厂，一起来探究如何深度挖掘生物池的脱氮潜力——市区厂“深度脱氮降耗”记。
市区污水处理厂概况
市区污水处理厂（以下简称“市区厂”）是东莞市水务集团净水有限公司下属污水厂，位于南城街道滨河路旁的一个狭长形的小岛上，岛的两边顺流而下的是东江和东莞运河。市区厂还是目前东莞市规模最大的城市生活污水处理厂，整体分三期建设完成。其中，一期工程采用厌氧-氧化沟工艺（A/O工艺），二期、三期采用厌氧、缺氧、氧化沟工艺（A2/O工艺），总设计处理规模达到40万m³/d。2020年4月29日，市区厂提标项目投产运行，采用硝化+反硝化+高效沉淀池+滤布滤池+紫外消毒（次氯酸钠辅助消毒）工艺，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）》一级A标准、广东省地方标准《水污染物排放限值》（DB44/26-2001）第二时段的一级标准及《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类水体标准中的较严值。
A2/O工艺：“厌氧-缺氧-好氧”，是传统活性污泥工艺、生物硝化及反硝化工艺和生物除磷工艺的综合。
工艺原理：在该工艺流程内，BOD、SS和以各种形式存在的氮和磷将一并被去除。该系统的活性污泥中，菌群主要由硝化菌、反硝化菌和聚磷菌组成。在好氧段，硝化细菌将入流中的氨氮及由有机氮氨化成的氨氮，通过生物硝化作用，转化成硝酸盐；在缺氧段，反硝化细菌将内回流带入的硝酸盐通过生物反硝化作用，转化成氮气逸入大气中，从而达到脱氮的目的；在厌氧段，聚磷菌释放磷，并吸收低级脂肪酸等易降解的有机物；而在好氧段，聚磷菌超量吸收磷，并通过剩余污泥的排放，将磷去除。
市区厂提标项目运营后，市区厂的出水总氮标准从原来的20mg/L提高到10mg/L。随着市区厂配套污水管网运维逐步完善，生活污水收纳比率稳步提升随着污水管网运营日渐成熟，在市区厂处理水量同比提升22%的同时，来水总氮浓度亦逐步升高。污水处理过程生物脱氮包括氨化、硝化和反硝化三个过程，其中，反硝化是实现彻底脱氮的关键环节，而反硝化细菌属于异养型微生物，需要外界碳源为其提供反硝化过程所需营养物质以及反硝化所需的电子，达到一定的碳氮比（C/N）。但是，市区厂进水中的有机碳源不足，严重影响污水脱氮效果，补充外加碳源已成为实现市区厂总氮达标排放的主要方法！
总氮，是硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮与有机氮的总称。水中的氨氮在氧的作用下，由硝化菌转化生成亚硝酸盐，并进一步形成硝酸盐，此过程成为硝化反应，接着在缺氧条件以及反硝化菌的作用下，由硝化菌产生的硝酸盐和亚硝酸盐被还原为氮气，从水中溢出，这一个过程即反硝化过程。通过这两个反应作用，即可将水体中的营养素--氨氮，转化为氮气。若水体中反硝化反应未能及时完成氮循环，过多含氮化合物，使水中氨氮养分造成大量藻类、浮游植物繁殖旺盛，出现水体富营养化状态。因此，总氮是反映水体富营养化的主要指标。
“深度脱氮”之初尝试
市区厂提标项目运行初期，乙酸钠作为补充碳源，投加在反硝化池进水处，为反硝化反应提供条件，加强脱氮效果。在丰水期（2020年4月至2020年9月），脱氮效果显著，总氮去除率同比（提标项目未投产前）增长16%－35%；但在枯水期（2020年10月至2021年2月），随着来水量的降低及进水浓度的提高，同时受气温下降的影响，需要提高碳源（乙酸钠）投放量（环比上涨64%），以维持反硝化反应的稳定性，保证出水达标排放。
数据证明，初期采用的单点投放单一碳源的方法，虽能稳定控制总氮的去除量，但随之带来的问题就是生产成本的陡升。不断增加碳源的投放量以促进反硝化反应降低总氮的做法是市区厂选用的下策，并不利于厂区的可持续发展，亟需进一步优化碳源投加方式和工艺，寻找更适合的替代药剂，有效控制生产成本上升，找到解决困局的出路。
目前，绝大多数市政的污水厂基本都是以活性污泥法中的微生物作为核心的污水处理方式，在这种处理方式下，保证微生物本身的生长需求是首要问题。碳源，作为微生物的营养源，为微生物的生长代谢提供细胞活动所需的能量。当污水处理厂原水中的碳源无法满足微生物需求，特别是无法满足缺氧反硝化阶段对碳源的需求，将导致反硝化过程受阻，并抑制厌氧好氧菌增殖，使得氨氮同化作用下降，大大影响了污水处理厂脱氮效果。因此，在污水处理中，一般选择外加碳源，以补充碳源的方式提高反硝化速率，大量的实践证明，投加碳源是污水处理厂解决这类问题的重要手段。常见的碳源有：甲醇、乙酸钠、乙酸、复合碳源等。
“深度脱氮”之寻突破
相对于简单直接的单点投放单种碳源（乙酸钠）方法，虽然能保障出水总氮达标，但由于乙酸钠是单一性碳源，其代谢途径只有一种，使用过程中会出现让其中一种微生物大量繁殖而抑制了另一种微生物的吸收营养的情况，这就意味着在促进反硝化的同时，同时对其他菌种造成负面影响，从而导致系统抗冲击能力下降。因此，碳源既无法得到高效利用，也不能保证稳定的总氮去除率。为高效利用碳源的同时减少碳源药剂成本费用，净水有限公司东江下游片区集结技术骨干力量，深度剖析碳源材料的应用，尝试多点投加的效益。
经综合研究发现，复合碳源成分丰富，代谢途径多样化，在提升微生物活力和抗冲击力的同时，又满足了反硝化脱氮的需求，而且复合碳源药剂成本较乙酸钠低，是一种“性价比”更优的碳源材料。
确认使用复合碳源后，在什么地方投药，需设多少投药点，是否采用一种碳源等难题摆在了技术员面前。进一步研究试验发现，复合碳源在水中被微生物利用所需停留时间较乙酸钠长，如投加在反硝化池进水端并不能保证出水BOD（生化需氧量）指标达标。经深入探讨后，通过采用“反硝化池内投加乙酸钠，生物池投加复合碳源”的方案，发现脱氮效益有了很大的提升。
生化需氧量（常记为BOD）是指在一定条件下，水环境中的微生物分解可生化降解的有机物反应过程中所消耗的溶解氧的数量，即微生物对氧气的需求量，BOD常用来衡量水体的污染程度，同时也能确定在自然界的微生物作用下，污染能得到净化的程度。
2021年2－3月，市区厂提标尝试减少在反硝化池内投加乙酸钠，并开始向前端生物池中投加复合碳源。经过两个月的反复试验，在保证单位碳源去除总氮效率保持不变的情况下，基于补充碳源有一半是使用了复合碳源，因此成本较以往使用乙酸钠的情况有所降低。
为了进一步摸清两种碳源投加比例，更精准地控制生产成本，市区厂在2021年3月底组织技术骨干对生物池脱氮效果进行了一次摸底排查，对比监测生物池不同碳源投加点对脱氮效果的影响，并及时对两种碳源的投药比例进行适当调整，在减少乙酸钠投加量的同时增加复合碳源的投加量。另一方面，通过科学分散投加碳源的方式，最终对比结果得出单位碳源去除总氮的效率有明显提升，整体上减少了碳源的投加量，最终做到了量变与质变齐步提升的效果。
“深度脱氮”之见成效
经过增加碳源投加种类、优化投加点位以及调整碳源投加比例等方案优化后，得到的数据我们分析得出：
（一）处理水量有提升。增加复合碳源采用并多种碳源同步投加后，乙酸钠药剂在反硝化池内的投加量降低，直接缓解了原先由于药剂大量投加造成的反硝化池内菌落生长速度过快导致的通量降低情况，既提高了通量，又降低了反洗频次，进而减少了反冲洗导致的水量损失，市区厂整体处理水量相对于单一投加乙酸钠时期提升了16%。
（二）生产成本有下降。在调整碳源投加点后，市区厂单位碳源去除总氮效率相比投加单一碳源时期总体提升33%，总氮削减量得到显著提升。由于复合碳源价格比乙酸钠低，相比单一投加乙酸钠的成本降低了约32.7%，大大缓解了生产运营成本压力。2021年第二季度开始，经过碳源投药点和投药量的科学调控，市区厂每削减1吨总氮所投加碳源量同比降低11%-17%，2021年全年碳源单耗同比下降7.6%，在实现出水总氮指标稳定达标排放的同时，显著降低了碳源药剂的投入成本。
结 语
加强成本控制、挖掘城镇生活污水处理厂各生产环节节能降耗的潜力，是当下各地城镇生活污水处理厂面临的新课题。为切实推动污水处理项目提质增效，东莞市水务集团净水有限公司市区污水厂通过系列试验和研究，发扬不断创新、不断尝试的精神，探索优化碳源投加点，对生物池脱氮潜力进行了更深一步挖掘，在保证出水达标的前提下，更进一步实现了减排降耗的目标。接下来，东江下游片区将全面总结市区厂的探索经验，积极调动运营管控手段，以效益为导向，找准发力点，在保证出水达标且提升处理水量的基础上，继续探索和研究污水处理厂提质增效的方式方法，推动各污水处理厂最终实现经营发展双提升。
加强成本控制、挖掘城镇生活污水处理厂各生产环节节能降耗的潜力，是当下各地城镇生活污水处理厂面临的新课题。为切实推动污水处理项目提质增效，东莞市水务集团净水有限公司市区污水厂通过系列试验和研究，发扬不断创新、不断尝试的精神，探索优化碳源投加点，对生物池脱氮潜力进行了更深一步挖掘，在保证出水达标的前提下，更进一步实现了减排降耗的目标。接下来，东江下游片区将全面总结市区厂的探索经验，积极调动运营管控手段，以效益为导向，找准发力点，在保证出水达标且提升处理水量的基础上，继续探索和研究污水处理厂提质增效的方式方法，推动各污水处理厂最终实现经营发展双提升。
供稿：净水公司东江下游片区分公司
编辑：净水公司办公室
