張之驊（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

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反硝化率對工業(yè)污水脫氮工藝設(shè)計指導(dǎo)意義的探究

張之驊
（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

摘 要剖析了傳統(tǒng)脫氮工藝計算方法的局限性，通過引入“反硝化率”的概念，提出了一種驗證工業(yè)污水脫氮工藝計算正確性的方法，并論證了這種驗證方法的合理性和可操作性。

關(guān)鍵詞脫氮工藝；反硝化率；總氮；回流比

一直以來，工業(yè)污水的脫氮處理都是污水處理領(lǐng)域的技術(shù)難點。工業(yè)污水種類繁多，各行業(yè)污水的性質(zhì)各不相同，尤其是進水總氮指標(biāo)較高的工業(yè)污水，脫氮壓力大，給工藝的確定和參數(shù)的選取及計算帶來很大難度。

2009年以前，由于各級標(biāo)準(zhǔn)中未明確對總氮的排放限值（僅規(guī)定氨氮指標(biāo)），在當(dāng)時的工業(yè)污水處理場設(shè)計中，考慮設(shè)置反硝化段的目的主要是因為不經(jīng)過反硝化的污水進入二沉池后會因厭氧而產(chǎn)生氣體，大大影響污泥的沉降性能。對缺氧池的池容確定方法也相對簡單，僅僅是根據(jù)總池容的1/3或1/4直接選取。然而，限制總氮排放是大勢所趨。2006年修訂的GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》中已經(jīng)明確提出了缺氧池容的具體計算方法[1]。而從2009年以來，多個地方標(biāo)準(zhǔn)中也均已明確了總氮的排放限值，如2009年修訂版的DB 31/199—2009《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（上海市地方標(biāo)準(zhǔn)）》中對氨氮和總氮的排放標(biāo)準(zhǔn)限值可見表1。國標(biāo)中雖尚未明確，但引入總氮指標(biāo)也僅僅是時間問題。

表1 污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（DB 31/199—2009，上海市地方標(biāo)準(zhǔn)，總氮和氨氮指標(biāo)）[2]Tab .1 Integrated wastewater discharge standard （DB 31/199—2009. Shanghai local standard. TN & NH3-N）

在這樣的大背景下，工業(yè)污水總氮的脫除成為無法回避的問題，如何對工業(yè)污水脫氮處理的工藝參數(shù)進行準(zhǔn)確的選擇或計算，成為該種污水能否被有效處理的關(guān)鍵。

以脫氮為目的的污水生化處理工藝有多種，如SBR、氧化溝，MBBR等，但歸根到底均不外乎缺氧+好氧的設(shè)計思路。脫氮工藝計算方法在多處均有涉及，不再贅述，本文著重討論如何對脫氮工藝計算結(jié)論的可實現(xiàn)性進行驗證。

1 脫氮工藝計算方法的局限性

生化脫氮工藝由氨化、硝化和反硝化三個部分組成。傳統(tǒng)的脫氮工藝計算方法僅僅介紹了生化池容和一些控制參數(shù)的確定，實際上仍有不足。因為從理論上來說，反硝化過程不可能百分之百完成，且反硝化與硝化之間存在密切的關(guān)系。對于已確定進出水指標(biāo)的生化系統(tǒng)，其出水指標(biāo)能否在實際工況中確保實現(xiàn)，無法進行驗證，生化系統(tǒng)的計算結(jié)論缺乏可靠性。

以下用某石化污水中試裝置的脫氮工藝舉例驗證傳統(tǒng)脫氮工藝計算方法的局限性。該中試裝置采用A / O工藝，設(shè)計進出水指標(biāo)如表2。

表2 某中試裝置脫氮工藝設(shè)計進出水水質(zhì)Tab. 2 Water quality of certain pilot plant denitrification process

根據(jù)表2的進出水?dāng)?shù)據(jù)，按照原水進水水質(zhì)，用傳統(tǒng)脫氮工藝計算方法對中試裝置進行工藝計算，其計算過程和計算結(jié)果見表3。

表3的計算結(jié)論看似合理，但實際上存在局限，因為我們可以計算各種工藝參數(shù)，但是無法判斷計算結(jié)果的可實現(xiàn)性。比如，脫氮效率是50 %或者90 %是我們在計算前就人為設(shè)定的，那么如何判斷設(shè)定的脫氮效率是否真的能夠?qū)崿F(xiàn)？我們只能憑借經(jīng)驗而沒有理論依據(jù)進行支撐。故而我們要尋找一種能夠從理論上判斷計算結(jié)果和既定目標(biāo)在實際工程中是否能夠?qū)崿F(xiàn)的方法，由此，我們試圖通過引入反硝化率的概念，來幫助判定脫氮目標(biāo)的可實現(xiàn)性和硝態(tài)液回流比及生化池容積等參數(shù)的合理性。

2 反硝化率的概念和相關(guān)計算

反硝化率（fde），其定義為被反硝化的硝態(tài)氮濃度與被硝化的總氮濃度的比值。脫氮系統(tǒng)要求的最小反硝化率可按式（1）計算：

式中 fdemin— 完成脫氮目標(biāo)所需要的最小反硝化率；

Nh— 被硝化的總氮濃度；

表3 某中試裝置工藝參數(shù)計算過程及結(jié)果Tab. 3 Process parameter calculation results of certain pilot plant

NO— 被反硝化的硝態(tài)氮濃度。

其中NO可按照式（2）確定：

式中 Nt— 進水總氮濃度，mg/L；

Ne— 出水總氮濃度，mg/L；

S0— 進水有機底物濃度，mg/L；

Se— 出水有機底物濃度，mg/L；

0.05 ( S0-Se) — 微生物細(xì)胞合成所需要的氮源量。

Nh可以通過式（3）確定：

確定系統(tǒng)的最小反硝化率后，我們可以假設(shè)一個硝態(tài)液回流比，然后根據(jù)式（4）計算理論反硝化率fde：

式中 R — 活性污泥回流比，%；

R1— 硝態(tài)液回流比，%。理論反硝化率即為在給定的回流比下系統(tǒng)所能達(dá)到的最大反硝化率，亦即系統(tǒng)的最大脫氮能力。在實際工程中，理論反硝化率是不可能達(dá)到的，因為如前文所述，反硝化過程不可能百分之百完成。系統(tǒng)的實際反硝化率fde'可在理論反硝化率的基礎(chǔ)上乘以某個系數(shù)（建議取值范圍0.7~0.9）得到。在實際工程計算中，實際反硝化率必須大于最小反硝化率，否則系統(tǒng)的脫氮能力不足以實現(xiàn)既定的脫氮目標(biāo)，亦即硝態(tài)液回流比選取有誤，需重新選取并試算，直至滿足要求為止。

3 反硝化率的指導(dǎo)意義

回到前文提及的中試裝置，之前在表3中采用傳統(tǒng)方法得到的計算結(jié)果，可以利用計算反硝化率的方式來驗證其是否可以實現(xiàn)。根據(jù)計算可以發(fā)現(xiàn)，完成處理目標(biāo)所需要的最小反硝化率fdemin= 0.903，而實際反硝化率僅為fde' = 0.764?？梢姡诮o定的原水進出水條件下，fde'遠(yuǎn)小于fdemin，即在給定的回流比條件下，處理目標(biāo)在理論上無法實現(xiàn)，此即反硝化率對脫氮系統(tǒng)工藝計算合理性和可實現(xiàn)性的理論表征。

同時，反硝化率的計算還從理論上給出了硝態(tài)液回流比的確定依據(jù)。硝態(tài)液回流比實際上是提高脫氮效率的最直接途徑，表4是在表3基礎(chǔ)上改變硝態(tài)液回流比R1從而引起的反硝化率變化情況。從中可以看出，隨著硝態(tài)液回流比R1不斷提高，實際反硝化率fde'也不斷增大，但其值增大的幅度卻隨R1的增大而減小。當(dāng)實際反硝化率達(dá)到一定高的數(shù)值時，即使成倍增加硝態(tài)液回流比，反硝化率的提高也已經(jīng)非常有限。

表4 不同的硝態(tài)液回流比下的反硝化率Tab. 4 Denitrification ratio under different nitrate backflow ratio

而表4的計算結(jié)果進一步表明，在表3給定的進出水條件和設(shè)計條件下，即使硝態(tài)液回流比增至20倍，實際反硝化率仍小于fdemin，亦即在20倍大回流比的條件下，系統(tǒng)的脫氮目標(biāo)仍然難以完成。

4 處理目標(biāo)的實現(xiàn)途徑

4.1 高低濃度污水混合處理

為了使出水指標(biāo)能夠達(dá)到原來題設(shè)的要求，將原水與低濃度污水按照等比例混合后再行處理，保持出水目標(biāo)和其他條件不變，重新對系統(tǒng)進行計算，計算結(jié)果見表5中的“工況二”（“工況一”為表3的計算結(jié)果，方便對比）。從中可以看出，將原水與低濃度廢水混合處理后，最小反硝化率下降至0.8以下，從而在理論上保證了處理目標(biāo)的可實現(xiàn)性。

4.2 調(diào)整既定處理目標(biāo)

如果整個生化系統(tǒng)有多級生化處理，在設(shè)計初期，一般會分配每一級工藝的處理目標(biāo)。當(dāng)計算得知第一級生化的脫氮目標(biāo)不可實現(xiàn)（即實際反硝化率fde'小于最小反硝化率fdemin）或難以實現(xiàn)（即最小反硝化率fdemin的計算值較高）時，可調(diào)整每一級的處理目標(biāo)分配，必要時也可以適當(dāng)修改后續(xù)處理的工藝方式。

仍回到之前的實例，將出水的總氮由60 mg/L調(diào)整為120 mg/L，重新對脫氮系統(tǒng)進行計算，結(jié)果如表6中的“工況三”（“工況一”仍為表3的計算結(jié)果）。

由表6可知，對出水指標(biāo)進行一定調(diào)整之后，計算結(jié)果表明調(diào)整后的脫氮目標(biāo)在理論上已經(jīng)可以實現(xiàn)。

表5 高低濃度污水混合處理計算結(jié)果（僅列出與表3不同取值或計算結(jié)果的項）Tab. 5 Calculation results of mixed wastewater （Only different results from Tab.3 listed）

表6 調(diào)整出水指標(biāo)后的計算結(jié)果（僅列出與表3不同取值或計算結(jié)果的項）Tab. 6 Calculation results after adjustment of output target （Only different results from Tab.3 listed）

5 實際中試結(jié)論對計算結(jié)果的驗證

以下利用上述中試裝置的實際中試效果對計算結(jié)果進行驗證。

5.1 中試裝置工藝流程

根據(jù)水質(zhì)資料及出水要求，最終確定中試的工藝流程為：污水通過泵提升進入曝氣池，在進水區(qū)與大比例回流（20~40倍）的混合液（已經(jīng)經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)的污水）迅速混合均勻后，循環(huán)進入曝氣區(qū)完成碳化和硝化反應(yīng)。之后污水進入快速澄清區(qū)進行泥水分離后，污泥回流至進水區(qū)與進水混合，清水由上部的集水槽收集外排。在曝氣池的一端設(shè)置與缺氧池聯(lián)通的管線，部分污水通過該管線進入缺氧池完成反硝化后回流至曝氣池進水區(qū)。為了方便進行對比，在缺氧池內(nèi)也設(shè)置一個澄清出水區(qū)以便觀察反硝化效果。

5.2 中試裝置設(shè)計參數(shù)

原水進水：0.5~0.6 m3/h；操作水溫：20~25 ℃；pH：7.4~7.7；甲醇投加量：14 L/d；溶解氧：0.8~1.0 mg/L；由于設(shè)置了大比例回流，因此污泥濃度提高至6.0~7.0 g/L。

設(shè)置缺氧池1座，有效池容：24 m3；曝氣池1座，有效池容：48 m3；曝氣池與缺氧池的總池容：72 m3。

配置羅茨鼓風(fēng)機2臺，一用一備，單臺風(fēng)量2.4 m3/min。

5.3 中試過程、結(jié)果和分析

試驗第一階段，未設(shè)置單獨的缺氧池，擬采用同步硝化反硝化的手段對原水進行脫氮，同時進水也完全采用原水。在試驗期間，系統(tǒng)出水的COD和TN均居高不下。詳見表7。

第二階段，對系統(tǒng)設(shè)置單獨的外置缺氧池，并且利用工業(yè)水與原水進行近似等比例的稀釋，裝置穩(wěn)定后某時段曝氣池和缺氧池出水?dāng)?shù)據(jù)見表8。

表7 中試第一階段某時段曝氣池出水?dāng)?shù)據(jù)Tab. 7 Output data from aerobic tank of a certain period in the first stage of the pilotscale experiment

從以上的數(shù)據(jù)對比中可以看出，進水直接采用原水時，處理效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于出水指標(biāo)的要求。而當(dāng)進水采用高低濃度污水混合進水后，出水的指標(biāo)已經(jīng)可以達(dá)到較理想的狀態(tài)（其中缺氧池出水CODCr的濃度偏高，主要是補充的甲醇劑量尚未調(diào)整到最合理的狀態(tài)所致），這一中試結(jié)論與之前的計算結(jié)果基本一致。

表8 中試第二階段某時段曝氣池和缺氧池出水?dāng)?shù)據(jù)Tab. 8 Output data from aerobic tank & anoxic tank of a certain period in the second stage of the pilotscale experiment

6 結(jié)論

（1）最小反硝化率fdemin是驗證脫氮設(shè)計方案是否能夠滿足既定工藝要求的重要參數(shù)。從fdemin的計算公式可知，fdemin僅與系統(tǒng)的進出水水質(zhì)有關(guān)，而與池容、停留時間和回流比等參數(shù)無關(guān)。當(dāng)最小反硝化率達(dá)到一定高的數(shù)值時，無論池容多大、停留時間多長，回流比多高，都無法實現(xiàn)脫氮的既定目標(biāo)。

（2）實際反硝化率fde'和硝態(tài)液回流比的關(guān)系則是衡量系統(tǒng)的脫氮效率和經(jīng)濟性的杠桿。設(shè)計中可以通過提高硝態(tài)液回流比來增大fde'，從而達(dá)到提高系統(tǒng)脫氮效率的目的。但考慮到整個生化系統(tǒng)的平衡性和經(jīng)濟性，硝態(tài)液回流比畢竟不可能無限制增加，且當(dāng)反硝化率達(dá)到一定高的數(shù)值后，進一步提高硝態(tài)液回流比對系統(tǒng)的脫氮能力幫助有限。此時可以考慮適當(dāng)降低該生化系統(tǒng)的出水標(biāo)準(zhǔn)，將剩余的總氮去除任務(wù)交給后續(xù)處理工藝，或者用低濃度污水與原水混合后處理以降低系統(tǒng)脫氮的壓力。

參考文獻

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[2]DB 31-199—2009 污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]周雹. 活性污泥工藝簡明原理及設(shè)計計算[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：18-52.

[4]GB 50747—2012石油化工污水處理設(shè)計規(guī)范[S].

Research of Guidance Meaning of Denitrification Ratio to Wastewater Denitrification Process

Zhang Zhihua
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Abstract:In this article, the limitation of calculating method used for traditional denitrification process was analyzed. By introducing the concept of denitrification rate, one method for verifying the correctness of the calculation used in industrial wastewater denitrification process was provided. And then the rationality and feasibility of this method were stated and discussed.

Keywords:denitrification process; denitrification rate; total nitrogen; backflow ratio

作者簡介：張之驊（1983—），男，工程師，從事環(huán)保工藝設(shè)計和技術(shù)開發(fā)。

收稿日期：2015-08-18

中圖分類號：TQ 085+.41

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-817X（2016）01-0060-000