低負荷運行?碳源不足?看北排11座再生水廠怎麼做

北極星水處理網訊:導讀:受新冠肺炎疫情影響，北京市中心城區11座再生水廠長時間處於低負荷運行狀態，汙泥膨脹和出水水質波動風險加劇。各再生水廠通過優化進水碳源分布、改善缺氧環境，實現了生物脫氮效果穩定；通過微生物種群結構檢測、汙泥負荷評估調控，降低了汙泥膨脹風險；通過精準調控、廠網聯動聯調等措施，保障系統穩定、節能降耗、出水水質安全達標。

受新型冠狀病毒引發的肺炎（以下簡稱新冠肺炎，COVID-19）疫情的影響，人口流動、社會活動較往年有所降低，北京市中心城區再生水廠進水量、水質濃度較往年同期出現較大變化，整體處於低負荷運行狀態。低負荷運行易引發生物系統失穩、出水水質波動、能耗效率下降等問題，給運行調控帶來極大挑戰。北京排水集團所屬11座再生水廠通過設備設施優化、微生物種群檢測、精準調控技術、廠網聯動聯調等措施確保生物系統穩定、能耗藥耗下降、出水安全達標。本文介紹了此次疫情期間北京市中心城區再生水廠採取的低負荷應對措施及調控效果。

1 北京市中心城區再生水廠概況

北京市中心城區11座再生水廠設計汙水日處理能力423萬m³/d，出水滿足北京市地方標準DB 11/890要求，主要工藝類型及生物池停留時間如表1所示。根據排放受納水體，按照通惠河、清河、涼水河、壩河進行流域化管理。

表1北京中心城區再生水廠工藝類型及主要參數

2進水水量水質變化分析

2.1進水水量變化

歷年春節期間伴隨人口流動，北京市各再生水廠進水水量均出現一定程度降低，如圖1所示。2019年節前3周進水水量為設計水量的82%，春節期間水量降至設計水量的63%，節後第2周水量開始上升，第3周水量恢復至節前水平。2020年節前水量變化與往年同期一致，節後第2周出現小幅回升，但受春節和疫情疊加影響，節後第3周水量僅恢復至設計的66%，此後保持平穩。與去年同期相比，2020年春節後11座再生水廠每日進水總量減少約50萬m³/d，且持續時間較長。根據復工復產情況進行模擬預測，4月下旬進水水量可恢復至設計水量的75%～80%。

圖1再生水廠進水量變化和預測

2.2進水水質變化

與進水水量變化情況相似，歷年春節期間再生水廠的進水濃度同樣出現一定程度降低，如圖2所示。2019年節前3周進水COD加權濃度和NH3-N加權濃度分別為574 mg/L和41 mg/L，春節期間濃度降至382 mg/L和34 mg/L，降幅分別為33%和17%，節後第4周恢復至假期前水平。2020年節前3周進水汙染物濃度與往年相近，節後第2周COD和NH3-N加權濃度降至最低，分別為314 mg/L和33 mg/L，降幅為41%和15%，C/N由節前10.3降至節後7.7，降幅25%。節後進水COD和NH3-N濃度有小幅回升，但至第12周，其加權濃度僅為352 mg/L和36 mg/L，至4月中旬仍未有明顯回升跡象。其主要原因與城市規模及特徵有關，北京是以服務業為主的特大型城市，餐飲等服務行業發達，在此期間停工停業對進水汙染物濃度帶來一定影響。

圖2再生水廠進水水質變化

綜合考慮水量及水質疊加影響，2020年節後第1周進水COD及NH3-N負荷為設計負荷的45%和50%，此後緩慢上升，至第12周COD及氨氮負荷僅恢復至58%和67%。2020年疫情期間進水汙染物負荷較往年同期明顯降低，且持續時間較長。

3再生水廠低負荷運行調控

由於進水汙染物負荷長時間偏離設計工況，實際運行控制參數的可達性降低，生物脫氮效果受到影響，各再生水廠根據工藝特點進行了調控。

3.1TN調控

溶解氧的存在會對反硝化反應產生抑制。實際運行調控中通常控制缺氧區溶解氧濃度在0.5 mg/L以下，氧化還原電位（ORP）在-150 mV以下。反硝化反應主要通過異養菌代謝完成，實際運行中應控制BOD5/TKN大於5.7，或COD/TKN大於9。疫情期間，再生水廠進水COD/TN平均值7.7，最低值5.5，缺氧區ORP為-30～-60 mV，導致生物脫氮效果降低。針對此現象，再生水廠對曝氣量和回流量進行調減，但受現場條件限制，仍會出現缺氧區ORP偏高現象。各水廠採取了改善缺氧環境和優化進水碳源分布等措施，保證生物脫氮效果，結果如表2所示。

表2再生水廠TN調控措施

以小紅門再生水廠為例，該廠共16組生物池，在冬季採用AO模式運行，缺氧區及好氧區的設計停留時間分別為4 h、6.7 h，內回流比為200%。低負荷運行期間，該廠平均處理水量41萬m³/d，缺氧區及好氧區的實際停留時間分別為5.9 h、10.2 h，內回流比為290%。A系列二級出水TN變化如圖3所示，由於進水低負荷導致運行工況改變，TN濃度從10～15 mg/L上升至18～20 mg/L，超過15 mg/L的內控標準。為確保全廠生物脫氮效率，該廠停運了3組生物池，缺氧區及好氧區的停留時間分別降低至4.7 h及8.3 h，內回流比為240%，氧化還原電位降低130 mV，缺氧環境得到有效改善，出水TN濃度降低3～5 mg/L。

圖3小紅門再生水廠初沉池、生物池聯合調控出水TN變化

該廠共8組初沉池，設計表面負荷為1.315 m³/(m²·h)，停留時間為3 h，低負荷運行期間，表面負荷及停留時間分別為0.82 m³/(m²·h)和4.6 h。為降低顆粒有機物在初沉池的去除效率，該廠停運2組初沉池，表面負荷上升至1.24 m³/(m²·h)，停留時間降低至3.4 h，有機物去除率由35%～45%降低至14%～20%，初沉出水C/N由4.5～5上升至5.5～6，有效改善反硝化反應的碳源條件，出水TN濃度降低4～5 mg/L。

通過以上兩項調控措施，該廠二級處理生物脫氮效果發生明顯改善，二級出水TN濃度降低8～10 mg/L。

3.2汙泥膨脹調控

在低溫低負荷條件下，容易發生絲狀菌引發的汙泥膨脹及生物泡沫問題。汙泥膨脹和生物泡沫常由微絲菌和諾卡氏菌過量生長誘發引起，進水基質中含有長鏈脂肪酸及脂類時對微絲菌生長的影響最為顯著；諾卡氏菌則可以利用水中碳水化合物、胺基酸、脂肪酸等有機物質。

發生微絲菌型汙泥膨脹時易出現二級出水SS升高和亞硝態氮積累問題，相關水質波動會直接影響接觸池中消毒劑的濃度，進而對病原微生物滅活效果產生影響。小紅門再生水廠曾因低負荷發生微絲菌型汙泥膨脹，汙泥沉降性能明顯降低，SVI大於300 mL/g，生物池和二沉池出現嚴重生物泡沫累積。新冠肺炎疫情期間，由於長時間低負荷運行，更需關注汙泥種群結構變化，必要時採取汙泥有機負荷調控措施，抑制微絲菌生長。

小紅門再生水廠在春節假期前，汙泥有機物負荷為0.207 kgCOD/(kgMLSS·d)，汙泥中的絲狀菌以Type 0041為主，豐度為2級，不存在沉降性下降和生物泡沫風險，結果如圖4和表3所示。節後汙泥有機物負荷降至0.07～0.149 kgCOD/(kgMLSS·d)，微絲菌開始繁殖，並達到3級豐度，同時汙泥的沉降性能開始降低，SVI均值達到136 mL/g，微絲菌型汙泥膨脹的風險增加。2月中旬曾出現一次明顯降水過程，進水汙染物負荷顯著升高，汙泥有機負荷達到0.282 kgCOD/(kgMLSS·d)。此後，2月下旬檢測發現微絲菌的豐度僅為1級，汙泥沉降性能也有所改善，其原因應與2月中旬汙泥有機物負荷升高有關。

表3小紅門再生水廠微生物鏡檢結果

圖4小紅門再生水廠生物池重點參數變化

清河再生水廠2019年12月下旬汙泥有機負荷為0.215 kgCOD/(kgMLSS·d)，出現了諾卡氏菌增值，豐度為2級，結果如表4所示。2020年春節後，該再生水廠處於低負荷運行狀態，如圖5所示汙泥有機物負荷降至0.084 kgCOD/(kgMLSS·d)，諾卡氏菌豐度升至6級，但未發現汙泥沉降性能降低，但在生物池出現嚴重的生物泡沫積累。2月中旬的衝擊負荷未對諾卡氏菌產生明顯抑制作用。

表4清河再生水廠微生物鏡檢結果

圖5清河再生水廠生物池重點參數變化

4精準調控系統

北京排水集團自主開發的精準曝氣、精準排泥、精準加藥等調控系統，有利於負荷波動下生物系統的穩定和節能降耗。以高碑店再生水廠為例，介紹優化泵站編組、精準排泥、精準曝氣等措施的在低負荷運行期間的調控效果。

4.1泵站編組優化抽升

疫情期間再生水廠進水量大幅降低，為確保生物系統高效運行，減少負荷波動，穩定出水消毒處理的接觸時間，保障後續消毒單元對病原微生物的滅活效率，高碑店再生水廠進行了泵站編組優化。如圖6所示，節前泵站抽升量為6～12 m³/s，節後水量下降，根據水量變化及泵前池液位優化泵站編組抽升量，控制抽升量為5～9 m³/s，在保證最低抽升相對穩定前提下，降低抽升峰值波動。箱線圖表明，四分位距明顯縮短，抽升量數據分布偏態性降低，抽升量更平穩。通過優化抽升過程，有效緩解生物池水力負荷和消毒池接觸時間波動，降低了泵組開停頻次，實現泵組電耗降低3%～6%。

圖6 高碑店再生水廠泵站編組優化抽升效果

4.2精準排泥

通常初沉池排泥濃度可在1萬～4萬mg/L波動，且波動頻率較快。精準初沉排泥系統是通過監測實時排泥濃度，合理控制初沉池排泥時間，實現穩定濃度排泥，可提高後續汙泥濃縮、消化、脫水系統的工作效率及穩定性。低負荷運行期間，初沉池在較低泥位狀態下運行，易出現排泥濃度過低影響後續工段運行的情況。運用精確排泥系統後，82%排泥濃度控制在設定濃度±25%範圍內，結果如圖7所示，有效實現汙泥穩定排放。

圖7 高碑店再生水廠精準初沉排泥系統應用效果

4.3精準曝氣

精準曝氣系統根據進水量及末端溶解氧控制鼓風機氣量，實現按需供氣。通過精準曝氣系統實現低負荷期間溶解氧的合理調控，可有效緩解水廠因曝氣不均勻引起的能耗藥耗增加問題。設定溶解氧濃度為1 mg/L時，結果如圖8所示，控制區域溶解氧92%以上控制在（1±0.5） mg/L。進水汙染物濃度下降，易造成汙染物消減能耗上升，採用耗氧總汙染物（OCTP）評價水廠運行能耗變化。OCTP消減單耗由節前0.317 kW·h/kg升至節後0.319 kW·h/kg，通過精準曝氣系統實現水廠在進水COD和NH3-N濃度下降40%和15%情況下，維持OCTP消減單耗基本恆定。

圖8高碑店再生水廠精準曝氣系統應用效果

5廠網聯動聯調

除廠內調控外，通過廠網聯動聯調進一步實現出水穩定和節能降耗。以壩河流域為例，酒仙橋再生水廠採用氧化溝工藝，具有抗進水汙染物、水力衝擊負荷能力強和靈活調整轉刷曝氣優勢，採取停運部分系列氧化溝措施，並向北小河和高安屯再生水廠調水，調水量佔兩廠進水13%、21%。調水後有效緩解北小河再生水廠溶解氧偏高和高安屯再生水廠汙泥中心產生板框濾液導致進水C/N不足問題。通過廠網聯動聯調，水廠出水TN下降，同時實現壩河流域電耗降低6.4%（見圖9）。

圖9壩河流域廠網聯調聯動效果

6結論

• 受新冠肺炎疫情影響，北京市中心城區再生水廠整體處於低負荷運行狀態且持續時間較長。

• 疫情期間進水COD和氨氮負荷率降至45%和50%，進水碳源不足、缺氧環境破壞，二級出水TN濃度波動且汙泥膨脹風險加劇。

• 再生水廠通過設備設施優化確保生物脫氮效果，實現再生水廠二級出水TN降低8～10 mg/L；通過微生物種群檢測評估等措施，跟蹤評估汙泥膨脹風險，保障生物系統穩定。

• 通過精準調控系統保障系統穩定，實現低負荷條件下再生水廠耗氧汙染物消減單耗持平，泵組電耗降低3%～6%，通過廠網聯動聯調措施，實現流域內電耗降低6.4%。

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