對A/O 工藝處理酸洗磷化廢水中脫氮工藝的優(yōu)化應(yīng)用研究

摘要：碳鋼酸洗磷化廢水含有較高濃度的硝酸鹽和一定濃度的氨氮。常規(guī)的A/O 工藝，內(nèi)回流混合液中溶解氧濃度較高，會破壞反硝化池的反硝化環(huán)境，進(jìn)而影響總氮處理的效果。通過增加碳源投加、降低內(nèi)回流、降低好氧池溶解氧、用外回流替代內(nèi)回流等方式，對浙江省某碳鋼酸洗磷化加工企業(yè)的污水處理站進(jìn)行生化調(diào)試。結(jié)果表明，采用外回流替代內(nèi)回流的方式，可明顯消除回流液中的溶解氧濃度，使反硝化池的反硝化反應(yīng)正常進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：A/O 工藝；酸洗磷化廢水；溶解氧；反硝化；內(nèi)回流；外回流；脫氮

由于金屬表面的酸洗和磷化處理過程，都會涉及硝酸或硝酸鹽的使用，因而受常規(guī)物化預(yù)處理工藝不能去除廢水中的氨氮和硝酸鹽影響，需在酸洗磷化廢水完成物化預(yù)處理之后，進(jìn)行A/O 生化工藝的硝化和反硝化生化處理，才能使廢水達(dá)標(biāo)排放。

在A/O 生化工藝中，O 段好氧池中的溶解氧濃度對氨氮的去除至關(guān)重要，但A 段反硝化池中的溶解氧既會與反硝化爭奪碳源又會抑制硝酸鹽還原酶的合成[1] ，從而影響脫氮效果。因此，為保證生化系統(tǒng)的正常運行和廢水的達(dá)標(biāo)排放，需保證好氧池溶解氧和混合液回流，并控制反硝化池的溶解氧濃度。

本研究對浙江省某碳鋼酸洗磷化加工企業(yè)的污水處理站進(jìn)行生化調(diào)試，通過增加碳源投加、降低內(nèi)回流、降低接觸氧化池溶解氧、用外回流替代內(nèi)回流等方式，提升含高硝態(tài)氮廢水的處理效果，找出最佳的運行方案。

1 廢水處理工藝與進(jìn)出水水質(zhì)

1.1 廢水處理工藝

浙江省某碳鋼酸洗磷化加工企業(yè)（下稱“案例企業(yè)”）原有的1 座污水處理站，采用絮凝沉淀工藝對廢水進(jìn)行處理，后因環(huán)保要求提升，總氮和氨氮未能達(dá)標(biāo)排放，故新建1 套生化脫氮設(shè)施，即A/O 生化系統(tǒng)，其工藝流程如圖1 所示。車間的生產(chǎn)廢水經(jīng)石灰絮凝沉淀除磷后流入中間水池。為提高廢水的可生化性，生產(chǎn)廢水在中間水池與生活廢水混合后，通過輸送泵提升至新建的A/O生化脫氮系統(tǒng)。

案例企業(yè)的生產(chǎn)廢水量約為80 m3/d，生活廢水量為20 m3/d，因此新建了A/O 生化系統(tǒng)的生化段設(shè)計水量為100 m3/d。其中，反硝化池有效池溶為150 m3，采用雙曲面攪拌混合，無生物填料，停留時間為36 h；好氧池安裝有生物填料和微孔曝氣盤，有效容積為80 m3，停留時間為19.2 h；沉淀池采用豎流式，設(shè)計表面負(fù)荷為0.5 m3/m2·h，停留時間為6 h，總停留時間為49.2 h。

1.2 進(jìn)出水水質(zhì)

在投加活性污泥后，對生化系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，控制污泥回流比為50%、內(nèi)回流比為200%。為了讓反硝化反應(yīng)順利進(jìn)行，通過投加復(fù)合碳源將碳氮比控制為5∶1（一般污水脫氮要求進(jìn)水BOD5∶總氮gt;4[2]），反硝化池溶解氧為0.3～0.5 mg/L，接觸氧化池控制溶解氧為3.0～4.0 mg/L。調(diào)試進(jìn)行40 d 后，各項指標(biāo)趨于穩(wěn)定，活性污泥顏色正常，MLSS為6000 mg/L 左右，廢水鹽度為4000 mg/L 左右。進(jìn)、出生化處理系統(tǒng)的水質(zhì)主要污染物檢測指標(biāo)如表1 所示，其中進(jìn)水水質(zhì)是指中間水池的混合廢水水質(zhì)。

從表1 可知，總氮去除率為32.8% 左右，反硝化池脫氮容積負(fù)荷為50～70 mg/m3·d，廢水中的總氮未能達(dá)到排放要求。分析原因，可能是好氧區(qū)回流至缺氧區(qū)的混合液攜帶的溶解氧影響了缺氧區(qū)反硝化效果。因此，可通過增加碳氮比、降低內(nèi)回流、降低接觸氧化池溶解氧、用外回流替代內(nèi)回流等方式，尋求最有效且最優(yōu)的總氮脫除方式。

2 各生化段水質(zhì)的分析方法

調(diào)整控制參數(shù)，待生化系統(tǒng)穩(wěn)定后，對各生化段的COD、溶解氧、氨氮、總氮、硝態(tài)氮等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測，確認(rèn)針對案例企業(yè)污水處理站生化調(diào)試有效的脫氮工藝。各生化段水質(zhì)的檢測指標(biāo)和分析方法如表2所示。

3 生化調(diào)試措施與效果

3.1 增加碳源投加量提高脫氮效果

通過增加碳源投加量來提高脫氮效果是基于2 個方面的考慮。一方面由于碳源主要為易生化的有機(jī)物，碳源增加后，生化池的有機(jī)負(fù)荷上升，因此反硝化池的溶解氧會相應(yīng)的下降；另一方面反硝化池內(nèi)的溶解氧會爭奪反硝化反應(yīng)的碳源，投入過量的碳源，可減少因碳源不足對反硝化的影響。

通過投加額外的復(fù)合碳源，將5∶1 的碳氮比提升至6∶1，其余條件不變。調(diào)整后反硝化池溶解氧降低到0.3～0.4 mg/L。反硝化池和接觸氧化池的關(guān)鍵性水質(zhì)參數(shù)如表3 所示，反硝化效果有所上升，反硝化容積負(fù)荷由原先的50～70 mg/m3·d 上升至80～90 mg/m3·d，但距離水質(zhì)達(dá)標(biāo)還有較大差距。說明碳源不是反硝化的主要限制因素，并且增加碳源投加后，也增加了運行成本，出水COD 有超標(biāo)風(fēng)險。

3.2 降低內(nèi)回流提高脫氮效果

由于大部分溶解氧是由內(nèi)回流的混合液攜帶入反硝化池，因此擬通過降低內(nèi)回流比例來降低反硝化池內(nèi)的溶解氧濃度，以提高反硝化池的脫氮效果。將原系統(tǒng)200% 內(nèi)回流比調(diào)整為100%，其余條件不變。調(diào)整后反硝化池溶解氧控制在0.2 mg/L 及以下，反硝化池和接觸氧化池的關(guān)鍵性水質(zhì)參數(shù)如表4 所示。總氮去除效率較常規(guī)調(diào)試階段有所上升，這可能是由于內(nèi)回流減少，降低了反硝化池的溶解氧，從而提高了反硝化處理效率，反硝化池除硝態(tài)氮的平均容積負(fù)荷約為125 mg/m3·d。但總氮指標(biāo)仍不能達(dá)到排放要求，其中約15～20 mg/L 的總氮是由回流不充分，以及氨氮或有機(jī)氮轉(zhuǎn)化的硝態(tài)氮沒有回流至前段引起的。

3.3 降低接觸氧化池溶解氧提高脫氮效果

減少風(fēng)機(jī)曝氣，將原系統(tǒng)接觸氧化池的溶解氧控制在0.8～1.2 mg/L，其余條件不變，內(nèi)回流仍為200%。通過降低接觸氧化池溶解氧來降低內(nèi)回流液溶解氧，從而實現(xiàn)降低反硝化池溶解氧的效果。調(diào)整后反硝化池溶解氧下降至0.10～0.15 mg/L。反硝化池和接觸氧化池的關(guān)鍵性水質(zhì)參數(shù)如表5 所示，由于接觸氧化池溶解氧降低，反硝化池中的溶解氧也相應(yīng)降低，從而提高了反硝化效果。反硝化池的除硝態(tài)氮的容積負(fù)荷約為138 mg/m3·d。但氨氮去除效率卻迅速下降，去除效率僅為35%左右，這是由于接觸氧化池溶解氧濃度較低，填料的菌膜內(nèi)部氧氣含量更低，從而限制了硝化反應(yīng)的進(jìn)行。在現(xiàn)行污水處理中，一般維持硝化池溶解氧濃度不低于2.0 mg/L[3]。而經(jīng)過接觸氧化池處理，廢水中的硝態(tài)氮不升反降，這可能是由于接觸氧化池溶解氧降低后，填料負(fù)載的菌膜內(nèi)部氧氣含量更低，因此進(jìn)行了部分反硝化反應(yīng)。

3.4 用外回流替代內(nèi)回流提高脫氮效果

廢水進(jìn)入沉淀池后停留6 h，在沉淀池內(nèi)由于沒有曝氣和攪拌廢水中的溶解氧被好氧微生物利用，因此溶解氧濃度較低（﹤0.5 mg/L）。日常運行中，污泥回流泵回流量由時間繼電器控制。起始運行時，污泥回流泵為運行5 min，停止35 min，回流量約為進(jìn)水的50%。為提高回流比，將污泥回流泵調(diào)整為運行20 min，停止20 min，回流量約為進(jìn)水的200%。關(guān)閉內(nèi)回流泵的運行，其余條件不變。調(diào)整后，反硝化池溶解氧≤0.05 mg/L。反硝化池、接觸氧化池和沉淀池的關(guān)鍵性水質(zhì)參數(shù)如表6 所示，通過將內(nèi)回流改為外回流后，反硝化池的溶解氧顯著下降，脫氮效果明顯上升，反硝化容積負(fù)荷達(dá)到約186 mg/m3·d，廢水的氨氮和總氮指標(biāo)已達(dá)到排放要求。

為進(jìn)一步提高去除效果，嘗試將外回流量調(diào)整為進(jìn)水的100%（ 污泥回流泵運行10min，停止30 min）、300%（污泥回流泵運行30 min，停止10 min）、400%（污泥回流泵連續(xù)運行），并與200% 外回流比作比較。不同外回流比時總排放口氨氮、硝態(tài)氮和總氮濃度如表7 所示，當(dāng)外回流比為100% 時，廢水中的總氮濃度仍有超標(biāo)風(fēng)險；當(dāng)外回流比從100% 提升至200% 后，排放口的總氮濃度迅速下降，這是由于外回流比提高后，在接觸氧化池轉(zhuǎn)化的硝態(tài)氮更多地回流至反硝化池進(jìn)行脫氮；當(dāng)外回流比達(dá)到200% 后，再作進(jìn)一步提高，脫氮效果雖有提升，但不是特別明顯?？傮w而言，外回流比提升至≥ 200%后，氨氮和總氮都可穩(wěn)定達(dá)到排放要求。

3.5 合理控制溶解氧濃度提高反硝化效果

溶解氧對反硝化的影響，主要包括對反硝化碳源的競爭和抑制反硝化菌體內(nèi)還原酶的合成。反硝化菌一般為異養(yǎng)兼性厭氧菌，只有在無分子態(tài)氧且存在硝酸鹽或亞硝酸鹽時，才能進(jìn)行反硝化[4]。如果反應(yīng)池內(nèi)溶氧濃度較高，反硝化細(xì)菌將直接利用氧氣進(jìn)行呼吸作用，并抑制反硝化菌體內(nèi)硝酸鹽還原酶的合成，阻礙硝酸鹽和亞硝酸鹽的還原。一般認(rèn)為，為使生化池能正常進(jìn)行反硝化反應(yīng)，應(yīng)將反硝化池溶解氧控制在0.5 mg/L 以下，但針對案例企業(yè)污水處理站生化調(diào)試的高硝態(tài)氮廢水處理，需將溶解氧濃度控制在0.1 mg/L 以下，才能獲得較高的反硝化效果。根據(jù)各階段調(diào)試的數(shù)據(jù)整理，反硝化池內(nèi)的溶解氧與反硝化速率如表8 所示。

當(dāng)硝酸鹽gt; 2 mg/L 時，對反硝化速率影響較小[5]，在案例企業(yè)污水處理站生化調(diào)試中，不是生物脫氮的限制因素，但因投入的碳源過量，可認(rèn)為反硝化速率的主要控制因素為溶解氧?；谔荚闯渥銞l件下的調(diào)試數(shù)據(jù)，擬合如式（1）所示的反硝化池內(nèi)溶解氧與反硝化污泥負(fù)荷的模型 。

特性曲線與調(diào)試時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)如圖2 所示，調(diào)試時的試驗數(shù)據(jù)與公式模型具有較好的匹配，當(dāng)溶解氧﹤0.2 mg/L 后，隨著溶解氧進(jìn)一步降低，反硝化速率快速上升。但對于高硝態(tài)氮的廢水處理項目，需將溶解氧控制在0.1 mg/L 以下。

案例企業(yè)污水處理站生化調(diào)試中，采用外回流替代了內(nèi)回流，回流的污泥中，攜帶的溶解氧較少，少量的溶解氧回流到反硝化池后，迅速被池內(nèi)的活性污泥利用，因此不僅維持了反硝化池較低的溶解氧濃度，還提升了反硝化效率。

內(nèi)回流比較高的系統(tǒng)，由于好氧池回流中的混合液攜帶的溶解氧，在反硝化池內(nèi)不能迅速耗盡，不僅消耗碳源增加運行成本，還抑制異養(yǎng)兼性厭氧菌反硝化的進(jìn)行，使反硝化處理效果大大削減。因此，實際工程中，內(nèi)回流比的增加并不一定能增大總氮的去除效率，有時反而會導(dǎo)致反硝化池溶解氧上升并影響反硝化處理效果，從而降低總氮的去除效果。

4 提高酸洗磷化廢水脫氮效率的解決方案

酸洗磷化廢水脫氮效率不理想，主要是通過降低反硝化池的溶解氧濃度來提升反硝化效率導(dǎo)致的，因此如何在降低反硝化池的溶解氧濃度的同時又能提高酸洗磷化廢水的脫氮效率，是案例企業(yè)污水處理站生化調(diào)試或類似工程需要解決的關(guān)鍵問題。

案例企業(yè)的污水處理站生化調(diào)試采用沉淀池的污泥回流（外回流）替代內(nèi)回流以降低反硝化池的溶解氧含量，類似工程也可采用外回流替代內(nèi)回流或在好氧池末端設(shè)置0.5～1 h 的非曝區(qū)，并在一定程度上降低內(nèi)回流混合液的溶解氧含量[6]。

利用外回流替代內(nèi)回流有4 個顯著特點，即①不需要增加新的設(shè)施，也不用對設(shè)施進(jìn)行改造，直接調(diào)節(jié)污泥回流泵和混合液回流泵的流量就可實現(xiàn)控制回流液的溶解氧，從而提高反硝化池的脫氮效果；②外回流中，由于污泥微生物含量較高，外回流混合液中的溶解氧基本被消耗，因此可將反硝化池的溶解氧控制在較低濃度；③不需要增加額外的運行費用，且由于減少了反硝化池好氧細(xì)菌消耗碳源，甚至可以減少碳源的投加量；④外回流替代內(nèi)回流會增加沉淀池的表面負(fù)荷，需在實施前期觀察出水水質(zhì)情況，防止因沉淀不充分引起污泥流失而導(dǎo)致的出水超標(biāo)。

5 結(jié)論

在碳源充足的情況下，內(nèi)回流的高溶解氧是導(dǎo)致反硝化池溶解氧上升而影響反硝化池反硝化效果的主要原因。通過增加碳源投加、降低內(nèi)回流、降低接觸氧化池溶解氧、用外回流替代內(nèi)回流等方式提升系統(tǒng)的脫氮效果，發(fā)現(xiàn)采用外回流替代內(nèi)回流是提升反硝化效果的最佳策略。根據(jù)酸洗磷化廢水的生化脫氮調(diào)試的實驗數(shù)據(jù)建立擬合模型可知，為保證脫氮效果，反硝化池的溶解氧宜控制在0.2 mg/L 以下，而針對高硝態(tài)氮廢水則將溶解氧控制在0.1 mg/L 以下為最佳。另外，采用外回流替代內(nèi)回流，可在不對原設(shè)施進(jìn)行改造的前提下，將反硝化池溶解氧控制在0.05 mg/L 以下，提高反硝化效果，使處理后的廢水出水達(dá)標(biāo)排放。

參考文獻(xiàn)

[1] 李培，潘楊.A2/O工藝內(nèi)回流中溶解氧對反硝化的影響[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35（1）：103-106.

[2] HJ 576-2010，厭氧-缺氧-好氧活性污泥法污水處理工程程技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 張自杰，林榮忱，金儒霖.排水工程-下冊（第四版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[4] 陳娟.硝化反硝化生物接觸氧化工藝處理合成氨廢水[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2022（10）：69-72.

[5] 李柏林.A/A/O氧化溝工藝強(qiáng)化脫氮調(diào)控技術(shù)研究（博士論文）[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[6] 王佳偉，周軍，甘一萍，等.溶解氧對A2/O工藝脫氮除磷效果的影響及解決方法[J].給水排水，2009，45（1）：35-37.

作者簡介

邵碧波（1987—），男，漢族，浙江杭州人，工程師，注冊環(huán)保工程師，碩士，主要從事水污染技術(shù)的研究。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-08-07