低负荷运行？碳源不足？看北排11座再生水厂怎么做
慧聪水工业网导读:受新冠肺炎疫情影响，北京市中心城区11座再生水厂长时间处于低负荷运行状态，污泥膨胀和出水水质波动风险加剧。各再生水厂通过优化进水碳源分布、改善缺氧环境，实现了生物脱氮效果稳定；通过微生物种群结构检测、污泥负荷评估调控，降低了污泥膨胀风险；通过精准调控、厂网联动联调等措施，保障系统稳定、节能降耗、出水水质安全达标。
受新型冠状病毒引发的肺炎（以下简称新冠肺炎，COVID-19）疫情的影响，人口流动、社会活动较往年有所降低，北京市中心城区再生水厂进水量、水质浓度较往年同期出现较大变化，整体处于低负荷运行状态。低负荷运行易引发生物系统失稳、出水水质波动、能耗效率下降等问题，给运行调控带来极大挑战。北京排水集团所属11座再生水厂通过设备设施优化、微生物种群检测、精准调控技术、厂网联动联调等措施确保生物系统稳定、能耗药耗下降、出水安全达标。本文介绍了此次疫情期间北京市中心城区再生水厂采取的低负荷应对措施及调控效果。
1北京市中心城区再生水厂概况
北京市中心城区11座再生水厂设计污水日处理能力423万m³/d，出水满足北京市地方标准DB11/890要求，主要工艺类型及生物池停留时间如表1所示。根据排放受纳水体，按照通惠河、清河、凉水河、坝河进行流域化管理。
表1北京中心城区再生水厂工艺类型及主要参数
2进水水量水质变化分析
2.1进水水量变化
历年春节期间伴随人口流动，北京市各再生水厂进水水量均出现一定程度降低，如图1所示。2019年节前3周进水水量为设计水量的82%，春节期间水量降至设计水量的63%，节后第2周水量开始上升，第3周水量恢复至节前水平。2020年节前水量变化与往年同期一致，节后第2周出现小幅回升，但受春节和疫情叠加影响，节后第3周水量仅恢复至设计的66%，此后保持平稳。与去年同期相比，2020年春节后11座再生水厂每日进水总量减少约50万m³/d，且持续时间较长。根据复工复产情况进行模拟预测，4月下旬进水水量可恢复至设计水量的75%～80%。
图1再生水厂进水量变化和预测
2.2进水水质变化
与进水水量变化情况相似，历年春节期间再生水厂的进水浓度同样出现一定程度降低，如图2所示。2019年节前3周进水COD加权浓度和NH3-N加权浓度分别为574mg/L和41mg/L，春节期间浓度降至382mg/L和34mg/L，降幅分别为33%和17%，节后第4周恢复至假期前水平。2020年节前3周进水污染物浓度与往年相近，节后第2周COD和NH3-N加权浓度降至最低，分别为314mg/L和33mg/L，降幅为41%和15%，C/N由节前10.3降至节后7.7，降幅25%。节后进水COD和NH3-N浓度有小幅回升，但至第12周，其加权浓度仅为352mg/L和36mg/L，至4月中旬仍未有明显回升迹象。其主要原因与城市规模及特征有关，北京是以服务业为主的特大型城市，餐饮等服务行业发达，在此期间停工停业对进水污染物浓度带来一定影响。
图2再生水厂进水水质变化
综合考虑水量及水质叠加影响，2020年节后第1周进水COD及NH3-N负荷为设计负荷的45%和50%，此后缓慢上升，至第12周COD及氨氮负荷仅恢复至58%和67%。2020年疫情期间进水污染物负荷较往年同期明显降低，且持续时间较长。
3再生水厂低负荷运行调控
由于进水污染物负荷长时间偏离设计工况，实际运行控制参数的可达性降低，生物脱氮效果受到影响，各再生水厂根据工艺特点进行了调控。
3.1TN调控
溶解氧的存在会对反硝化反应产生抑制。实际运行调控中通常控制缺氧区溶解氧浓度在0.5mg/L以下，氧化还原电位（ORP）在-150mV以下。反硝化反应主要通过异养菌代谢完成，实际运行中应控制BOD5/TKN大于5.7，或COD/TKN大于9。疫情期间，再生水厂进水COD/TN平均值7.7，最低值5.5，缺氧区ORP为-30～-60mV，导致生物脱氮效果降低。针对此现象，再生水厂对曝气量和回流量进行调减，但受现场条件限制，仍会出现缺氧区ORP偏高现象。各水厂采取了改善缺氧环境和优化进水碳源分布等措施，保证生物脱氮效果，结果如表2所示。
表2再生水厂TN调控措施
以小红门再生水厂为例，该厂共16组生物池，在冬季采用AO模式运行，缺氧区及好氧区的设计停留时间分别为4h、6.7h，内回流比为200%。低负荷运行期间，该厂平均处理水量41万m³/d，缺氧区及好氧区的实际停留时间分别为5.9h、10.2h，内回流比为290%。A系列二级出水TN变化如图3所示，由于进水低负荷导致运行工况改变，TN浓度从10～15mg/L上升至18～20mg/L，超过15mg/L的内控标准。为确保全厂生物脱氮效率，该厂停运了3组生物池，缺氧区及好氧区的停留时间分别降低至4.7h及8.3h，内回流比为240%，氧化还原电位降低130mV，缺氧环境得到有效改善，出水TN浓度降低3～5mg/L。
图3小红门再生水厂初沉池、生物池联合调控出水TN变化
该厂共8组初沉池，设计表面负荷为1.315m³/(m²·h)，停留时间为3h，低负荷运行期间，表面负荷及停留时间分别为0.82m³/(m²·h)和4.6h。为降低颗粒有机物在初沉池的去除效率，该厂停运2组初沉池，表面负荷上升至1.24m³/(m²·h)，停留时间降低至3.4h，有机物去除率由35%～45%降低至14%～20%，初沉出水C/N由4.5～5上升至5.5～6，有效改善反硝化反应的碳源条件，出水TN浓度降低4～5mg/L。
通过以上两项调控措施，该厂二级处理生物脱氮效果发生明显改善，二级出水TN浓度降低8～10mg/L。
3.2污泥膨胀调控
在低温低负荷条件下，容易发生丝状菌引发的污泥膨胀及生物泡沫问题。污泥膨胀和生物泡沫常由微丝菌和诺卡氏菌过量生长诱发引起，进水基质中含有长链脂肪酸及脂类时对微丝菌生长的影响最为显著；诺卡氏菌则可以利用水中碳水化合物、氨基酸、脂肪酸等有机物质。
发生微丝菌型污泥膨胀时易出现二级出水SS升高和亚硝态氮积累问题，相关水质波动会直接影响接触池中消毒剂的浓度，进而对病原微生物灭活效果产生影响。小红门再生水厂曾因低负荷发生微丝菌型污泥膨胀，污泥沉降性能明显降低，SVI大于300mL/g，生物池和二沉池出现严重生物泡沫累积。新冠肺炎疫情期间，由于长时间低负荷运行，更需关注污泥种群结构变化，必要时采取污泥有机负荷调控措施，抑制微丝菌生长。
小红门再生水厂在春节假期前，污泥有机物负荷为0.207kgCOD/(kgMLSS·d)，污泥中的丝状菌以Type0041为主，丰度为2级，不存在沉降性下降和生物泡沫风险，结果如图4和表3所示。节后污泥有机物负荷降至0.07～0.149kgCOD/(kgMLSS·d)，微丝菌开始繁殖，并达到3级丰度，同时污泥的沉降性能开始降低，SVI均值达到136mL/g，微丝菌型污泥膨胀的风险增加。2月中旬曾出现一次明显降水过程，进水污染物负荷显著升高，污泥有机负荷达到0.282kgCOD/(kgMLSS·d)。此后，2月下旬检测发现微丝菌的丰度仅为1级，污泥沉降性能也有所改善，其原因应与2月中旬污泥有机物负荷升高有关。
表3小红门再生水厂微生物镜检结果
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图4小红门再生水厂生物池重点参数变化
清河再生水厂2019年12月下旬污泥有机负荷为0.215kgCOD/(kgMLSS·d)，出现了诺卡氏菌增值，丰度为2级，结果如表4所示。2020年春节后，该再生水厂处于低负荷运行状态，如图5所示污泥有机物负荷降至0.084kgCOD/(kgMLSS·d)，诺卡氏菌丰度升至6级，但未发现污泥沉降性能降低，但在生物池出现严重的生物泡沫积累。2月中旬的冲击负荷未对诺卡氏菌产生明显抑制作用。
表4清河再生水厂微生物镜检结果
图5清河再生水厂生物池重点参数变化
4精准调控系统
北京排水集团自主开发的精准曝气、精准排泥、精准加药等调控系统，有利于负荷波动下生物系统的稳定和节能降耗。以高碑店再生水厂为例，介绍优化泵站编组、精准排泥、精准曝气等措施的在低负荷运行期间的调控效果。
4.1泵站编组优化抽升
疫情期间再生水厂进水量大幅降低，为确保生物系统高效运行，减少负荷波动，稳定出水消毒处理的接触时间，保障后续消毒单元对病原微生物的灭活效率，高碑店再生水厂进行了泵站编组优化。如图6所示，节前泵站抽升量为6～12m³/s，节后水量下降，根据水量变化及泵前池液位优化泵站编组抽升量，控制抽升量为5～9m³/s，在保证最低抽升相对稳定前提下，降低抽升峰值波动。箱线图表明，四分位距明显缩短，抽升量数据分布偏态性降低，抽升量更平稳。通过优化抽升过程，有效缓解生物池水力负荷和消毒池接触时间波动，降低了泵组开停频次，实现泵组电耗降低3%～6%。
图6高碑店再生水厂泵站编组优化抽升效果
4.2精准排泥
通常初沉池排泥浓度可在1万～4万mg/L波动，且波动频率较快。精准初沉排泥系统是通过监测实时排泥浓度，合理控制初沉池排泥时间，实现稳定浓度排泥，可提高后续污泥浓缩、消化、脱水系统的工作效率及稳定性。低负荷运行期间，初沉池在较低泥位状态下运行，易出现排泥浓度过低影响后续工段运行的情况。运用精确排泥系统后，82%排泥浓度控制在设定浓度±25%范围内，结果如图7所示，有效实现污泥稳定排放。
图7高碑店再生水厂精准初沉排泥系统应用效果
4.3精准曝气
精准曝气系统根据进水量及末端溶解氧控制鼓风机气量，实现按需供气。通过精准曝气系统实现低负荷期间溶解氧的合理调控，可有效缓解水厂因曝气不均匀引起的能耗药耗增加问题。设定溶解氧浓度为1mg/L时，结果如图8所示，控制区域溶解氧92%以上控制在（1±0.5）mg/L。进水污染物浓度下降，易造成污染物消减能耗上升，采用耗氧总污染物（OCTP）评价水厂运行能耗变化。OCTP消减单耗由节前0.317kW·h/kg升至节后0.319kW·h/kg，通过精准曝气系统实现水厂在进水COD和NH3-N浓度下降40%和15%情况下，维持OCTP消减单耗基本恒定。
图8高碑店再生水厂精准曝气系统应用效果
5厂网联动联调
除厂内调控外，通过厂网联动联调进一步实现出水稳定和节能降耗。以坝河流域为例，酒仙桥再生水厂采用氧化沟工艺，具有抗进水污染物、水力冲击负荷能力强和灵活调整转刷曝气优势，采取停运部分系列氧化沟措施，并向北小河和高安屯再生水厂调水，调水量占两厂进水13%、21%。调水后有效缓解北小河再生水厂溶解氧偏高和高安屯再生水厂污泥中心产生板框滤液导致进水C/N不足问题。通过厂网联动联调，水厂出水TN下降，同时实现坝河流域电耗降低6.4%（见图9）。
图9坝河流域厂网联调联动效果
6结论
受新冠肺炎疫情影响，北京市中心城区再生水厂整体处于低负荷运行状态且持续时间较长。
疫情期间进水COD和氨氮负荷率降至45%和50%，进水碳源不足、缺氧环境破坏，二级出水TN浓度波动且污泥膨胀风险加剧。
再生水厂通过设备设施优化确保生物脱氮效果，实现再生水厂二级出水TN降低8～10mg/L；通过微生物种群检测评估等措施，跟踪评估污泥膨胀风险，保障生物系统稳定。
通过精准调控系统保障系统稳定，实现低负荷条件下再生水厂耗氧污染物消减单耗持平，泵组电耗降低3%～6%，通过厂网联动联调措施，实现流域内电耗降低6.4%。
