脫氮工藝在化工污水處理中的應(yīng)用

胡超

（中國(guó)石化巴陵分公司，湖南岳陽(yáng)414000）

隨著化肥、合成洗滌劑及農(nóng)藥等的廣泛使用，水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度不斷升高，而水體中氮、磷是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因之一。自2017年7月1日起，《石油化工污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB31571—2015）全面執(zhí)行，標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定外排污水總氮質(zhì)量濃度必須小于等于40 mg/L。在此背景下，石油化工企業(yè)外排污水總氮能否達(dá)標(biāo)已成為企業(yè)發(fā)展的限制因素之一。

廢水中氮的去除方法有物理法、化學(xué)法和生物法3種，其中生物法脫氮是在微生物的作用下，將有機(jī)氮和氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2和NxO的過程，具有經(jīng)濟(jì)、有效、易操作、無二次污染等特點(diǎn)，被公認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的方法之一，目前在全球污水處理裝置中被廣泛應(yīng)用。巴陵分公司水務(wù)部云溪生化車間厭氧－好氧（A/O）裝置于1998年投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)處理能力為300 t/h，主要處理綜合污水，由于裝置建設(shè)之初未考慮污水的脫氮處理，因此裝置不具備反硝化脫氮功能，必須對(duì)現(xiàn)有的污水生化處理裝置進(jìn)行脫氮功能改造。文章比較了幾種常用的脫氮工藝及優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合生化車間A/O裝置硝化－反硝化改造情況，介紹了裝置硝化－反硝化工藝的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及運(yùn)行效果。

1 脫氮工藝

1.1 傳統(tǒng)生物脫氮工藝

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝是由巴茨（Barth）開創(chuàng)的三級(jí)活性污泥法流程，以氨化、硝化和反硝化3步反應(yīng)過程為基礎(chǔ)建立。該工藝硝化和反硝化過程單獨(dú)處理，每一部分都有自己的沉淀池和各自獨(dú)立的污泥回流系統(tǒng)，除碳、硝化和反硝化均在各自的反應(yīng)器中進(jìn)行，并分別控制在適宜的條件。

該工藝優(yōu)點(diǎn)是好氧菌、硝化菌和反硝化菌三種菌種分別生長(zhǎng)在各自不同的構(gòu)筑物中，均可在自身適宜的環(huán)境下生長(zhǎng)繁殖，所以反應(yīng)速度較快，5日生化需氧量（BOD5）去除和脫氮效果較好。缺點(diǎn)是流程長(zhǎng)、處理構(gòu)筑物多、附屬設(shè)備多，基建費(fèi)用高、因需要補(bǔ)充堿度和碳源導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用較高。

1.2 A/O 脫氮工藝

A/O工藝是一種有回流的前置反硝化生物脫氮流程，其中前置反硝化在缺氧池中進(jìn)行，硝化在好氧池中進(jìn)行。污水先進(jìn)入缺氧池，再進(jìn)入好氧池，并將好氧池的混合液與沉淀池的污泥同時(shí)回流到缺氧池。污泥和好氧池混合液的回流保證了缺氧池和好氧池有足夠數(shù)量的微生物，并使缺氧池得到好氧池中硝化所產(chǎn)生的硝酸鹽。而污水和混合液的直接進(jìn)入又為缺氧池反硝化提供了充足的碳源有機(jī)物，使反硝化反應(yīng)能在缺氧池中進(jìn)行，反硝化反應(yīng)的出水又可在好氧池中進(jìn)行BOD5的降解。

1.3 新型脫氮工藝

1.3.1 短程硝化反硝化工藝

其基本原理是將氨氮氧化控制在亞硝化階段，然后通過反硝化作用將亞硝酸氮還原為氮?dú)?，?jīng)NH4＋–N→NO2－–N→N2完成，整個(gè)過程較全程硝化反硝化大大縮短。短程硝化的標(biāo)志是有穩(wěn)定且較高的NO2－–N積累，即亞硝酸氮積累率較高。

與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比，該工藝有以下優(yōu)點(diǎn)：硝化與反硝化兩個(gè)階段在同一反應(yīng)器中進(jìn)行，簡(jiǎn)化了工藝流程；縮短了水力停留時(shí)間，減少占地面積；氨氮只需要氧化成亞硝酸鹽，可減少25%左右的供氣量，降低能耗；節(jié)省了反硝化過程需要的碳源，同時(shí)硝化產(chǎn)生的酸度可部分地與反硝化產(chǎn)生的堿度進(jìn)行中和，減少了藥劑使用費(fèi)用。

1.3.2 同步硝化反硝化工藝

反硝化在好氧條件下發(fā)生，同樣，硝化反應(yīng)在氧濃度較低時(shí)也能夠發(fā)生。在此過程中，好氧反硝化菌同時(shí)利用氮和氧作為最終電子受體，直接將氨轉(zhuǎn)化為最終氣態(tài)產(chǎn)物。由于許多好氧反硝化菌同時(shí)也是異養(yǎng)硝化菌，能夠直接把NH4+轉(zhuǎn)化為最終氣態(tài)產(chǎn)物而去除。因此，同步硝化反硝化生物脫氮也就成為可能。

1.3.3 厭氧氨氧化工藝

該工藝是在厭氧條件下，微生物直接以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體，以氨氮作為電子供體，將氨氮氧化生成氮?dú)?，硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮?dú)?。厭氧氨氧化是一個(gè)全新的生物反應(yīng)，與硝化作用相比，其以亞硝酸鹽取代氧，改變了電子受體；與反硝化作用相比，其以氨取代有機(jī)物作為電子供體。

目前，絕大多數(shù)污水處理廠脫氮處理采用傳統(tǒng)脫氮工藝，如A/O、厭氧－缺氧－好氧（A2/O）、序批式活性污泥法（SBR）等，雖然這些工藝在運(yùn)行過程中均存在不同的問題，但傳統(tǒng)脫氮工藝運(yùn)行穩(wěn)定、技術(shù)成熟。新型脫氮工藝雖然有占地面積小、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，但新型脫氮工藝不夠成熟，運(yùn)行過程控制不穩(wěn)定，對(duì)自控系統(tǒng)要求較高，裝置很容易出現(xiàn)波動(dòng)，且一旦受沖擊恢復(fù)運(yùn)行需要較長(zhǎng)時(shí)間。因此，傳統(tǒng)脫氮工藝被廣泛使用，且很多新建污水處理裝置仍采用傳統(tǒng)脫氮工藝。

2 A/O 裝置脫氮改造

圖1 A/O裝置改造前流程

圖2 A/O裝置改造后流程

生化車間A/O裝置主要設(shè)備包括：A池、O1池、中沉池、污泥井、污泥回流泵3臺(tái)、剩余污泥泵2臺(tái)、O2池、二沉池，原則工藝流程見圖1。改造方案為：前段采用硝化－反硝化工藝，后段保留原工藝，即A池為缺氧反硝化段，O1池為好氧硝化段，原則工藝流程見圖2。處理流程為：污水先后進(jìn)入缺氧段和好氧段，充分利用缺氧生物和好氧生物的特點(diǎn)，使污水得到凈化。在好氧段，污水中含碳有機(jī)物被活性污泥中好氧生物氧化分解，有機(jī)氮通過氨化作用與氨氮一起在硝化作用下，轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮；在缺氧段，活性污泥中的反硝化細(xì)菌利用硝態(tài)氮和污水中的含碳有機(jī)物進(jìn)行反硝化作用，使化合態(tài)氮（硝態(tài)氮）轉(zhuǎn)化成分子態(tài)氮（N2），含碳有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CO2，同時(shí)去碳和脫氮。

該次硝化－反硝化改造新增了3臺(tái)硝化液回流泵（功率各30 kW），拆除了A池原有的曝氣系統(tǒng)，新增8臺(tái)浮筒式水下攪拌器（功率各5 kW），新增一套酸堿自動(dòng)投加系統(tǒng)。消耗方面，硝化液回流泵1臺(tái)長(zhǎng)期運(yùn)行，8臺(tái)攪拌器長(zhǎng)期運(yùn)行，酸堿投加系統(tǒng)間斷運(yùn)行，按每月30天計(jì)算，電耗增加5萬kW·h /月。對(duì)進(jìn)裝置pH值控制較好，且進(jìn)水總氮濃度較穩(wěn)定，A池及O1池內(nèi)pH值較穩(wěn)定，酸堿消耗較小。

3 硝化－反硝化工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 能耗

考慮到硝化－反硝化工藝需要分別設(shè)置污泥回流系統(tǒng)和內(nèi)回流系統(tǒng)，尤其是內(nèi)回流系統(tǒng)回流比在200%～400%，會(huì)增加投資和運(yùn)行能耗。因此，改造時(shí)所有回流泵均采用變頻控制，根據(jù)去除效果合理控制回流比，減少能耗。

3.2 溶解氧

硝化段溶解氧較高，大量溶解氧會(huì)隨回流進(jìn)入缺氧池，影響反硝化效果。針對(duì)此狀況采取的措施為：嚴(yán)格控制硝化段溶解氧在2～4 mg/L，同時(shí)關(guān)小硝化段末端曝氣量，盡量降低進(jìn)硝化液回流井的溶解氧。在缺氧段，采用水下攪拌器，減少污水與空氣的接觸，同時(shí)利用水下攪拌器對(duì)污水進(jìn)行均勻混合，控制缺氧池內(nèi)溶解氧不高于0.5 mg/L。

3.3 沉淀池污泥

污水中含有一定濃度的硝酸鹽，若運(yùn)行不當(dāng)，污水會(huì)在沉淀池內(nèi)發(fā)生反硝化反應(yīng)，使污泥上浮，水質(zhì)惡化。針對(duì)此狀況采取的措施為：控制硝化反硝化運(yùn)行效果，提高裝置總氮去除率；控制裝置進(jìn)水總氮，降低進(jìn)沉淀池硝酸鹽濃度；根據(jù)裝置設(shè)計(jì)負(fù)荷，控制裝置進(jìn)水水量，控制沉淀池污水上升速度，避免出現(xiàn)污泥上浮。

3.4 硝化菌

硝化菌群增殖速度慢且難以維持較高的生物濃度，特別是冬季低溫時(shí)，易造成系統(tǒng)的水力停留時(shí)間（HRT）較長(zhǎng)，需要較大的曝氣池，增加投資和運(yùn)行費(fèi)用。針對(duì)此問題采取的措施為：當(dāng)硝化菌數(shù)量較低時(shí)，通過投加硝化菌種來提高硝化菌數(shù)量。

3.5 酸及堿消耗

硝化過程中產(chǎn)生的酸度需要投加堿中和，且反硝化過程需要嚴(yán)格控制pH值，需要投加酸、堿調(diào)節(jié)，增加處理費(fèi)用。針對(duì)此問題采取的措施為：通過控制裝置進(jìn)水pH值在7.5～8.5，利用前端反硝化產(chǎn)生的堿度，補(bǔ)充硝化過程的堿度；安裝在線pH計(jì)，同時(shí)安裝酸、堿自動(dòng)投加裝置，及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)硝化反硝化反應(yīng)的pH值。

4 運(yùn)行效果

A/O裝置改造后進(jìn)出水總氮含量見表1。由表1可以看出，通過對(duì)硝化菌、反硝化菌培養(yǎng)馴化，對(duì)硝化液回流比、溶解氧、pH值等運(yùn)行指標(biāo)的摸索優(yōu)化，改造后A/O裝置進(jìn)水總氮質(zhì)量濃度在30.00～70.00 mg/L，出水總氮質(zhì)量濃度小于9.23 mg/L，總氮去除率穩(wěn)定在80%左右，可確保排放污水總氮含量達(dá)到GB 31571—2015中總氮質(zhì)量濃度小于等于40.00 mg/L的排放指標(biāo)。

表1 A/O裝置改造后進(jìn)出水總氮含量

5 結(jié)論

現(xiàn)有脫氮工藝包括傳統(tǒng)生物脫氮工藝、A/O脫氮工藝，以及短程硝化反硝化工藝、同步硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝等新型脫氮工藝。傳統(tǒng)脫氮工藝因運(yùn)行穩(wěn)定、技術(shù)成熟，仍被已建和新建污水處理裝置廣泛使用。采用硝化－反硝化工藝對(duì)A/O裝置進(jìn)行改造時(shí)，需要考慮能耗、溶解氧控制、沉淀池污泥上浮、硝化菌增殖慢、酸及堿消耗等問題。采用硝化－反硝化工藝對(duì)A/O裝置進(jìn)行改造后，裝置進(jìn)水總氮含量在30.0～70.0 mg/L，出水總氮質(zhì)量濃度小于9.23 mg/L，總氮去除率穩(wěn)定在80%左右，可滿足污水總氮達(dá)標(biāo)排放。