胡超

（中國石化巴陵分公司，湖南岳陽414000）

隨著化肥、合成洗滌劑及農(nóng)藥等的廣泛使用，水體中的營養(yǎng)物質(zhì)濃度不斷升高，而水體中氮、磷是引起水體富營養(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，將有機氮和氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2和NxO的過程，具有經(jīng)濟、有效、易操作、無二次污染等特點，被公認為是一種最有發(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年投入運行，設(shè)計處理能力為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，必須對現(xiàn)有的污水生化處理裝置進行脫氮功能改造。文章比較了幾種常用的脫氮工藝及優(yōu)缺點，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)計要點及運行效果。

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處理，每一部分都有自己的沉淀池和各自獨立的污泥回流系統(tǒng)，除碳、硝化和反硝化均在各自的反應(yīng)器中進行，并分別控制在適宜的條件。

該工藝優(yōu)點是好氧菌、硝化菌和反硝化菌三種菌種分別生長在各自不同的構(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。缺點是流程長、處理構(gòu)筑物多、附屬設(shè)備多，基建費用高、因需要補充堿度和碳源導(dǎo)致運行費用較高。

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行，硝化在好氧池中進行。污水先進入缺氧池，再進入好氧池，并將好氧池的混合液與沉淀池的污泥同時回流到缺氧池。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入又為缺氧池反硝化提供了充足的碳源有機物，使反硝化反應(yīng)能在缺氧池中進行，反硝化反應(yīng)的出水又可在好氧池中進行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氣，經(jīng)NH4＋–N→NO2－–N→N2完成，整個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：硝化與反硝化兩個階段在同一反應(yīng)器中進行，簡化了工藝流程；縮短了水力停留時間，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，同時硝化產(chǎn)生的酸度可部分地與反硝化產(chǎn)生的堿度進行中和，減少了藥劑使用費用。

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)在氧濃度較低時也能夠發(fā)生。在此過程中，好氧反硝化菌同時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，將氨氮氧化生成氮氣，硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮氣。厭氧氨氧化是一個全新的生物反應(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，雖然這些工藝在運行過程中均存在不同的問題，但傳統(tǒng)脫氮工藝運行穩(wěn)定、技術(shù)成熟。新型脫氮工藝雖然有占地面積小、運行成本低等優(yōu)點，但新型脫氮工藝不夠成熟，運行過程控制不穩(wěn)定，對自控系統(tǒng)要求較高，裝置很容易出現(xiàn)波動，且一旦受沖擊恢復(fù)運行需要較長時間。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、剩余污泥泵2臺、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：污水先后進入缺氧段和好氧段，充分利用缺氧生物和好氧生物的特點，使污水得到凈化。在好氧段，污水中含碳有機物被活性污泥中好氧生物氧化分解，有機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菌利用硝態(tài)氮和污水中的含碳有機物進行反硝化作用，使化合態(tài)氮（硝態(tài)氮）轉(zhuǎn)化成分子態(tài)氮（N2），含碳有機物轉(zhuǎn)化為CO2，同時去碳和脫氮。

該次硝化－反硝化改造新增了3臺硝化液回流泵（功率各30 kW），拆除了A池原有的曝氣系統(tǒng)，新增8臺浮筒式水下攪拌器（功率各5 kW），新增一套酸堿自動投加系統(tǒng)。消耗方面，硝化液回流泵1臺長期運行，8臺攪拌器長期運行，酸堿投加系統(tǒng)間斷運行，按每月30天計算，電耗增加5萬kW·h /月。對進裝置pH值控制較好，且進水總氮濃度較穩(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)計要點

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%，會增加投資和運行能耗。因此，改造時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，大量溶解氧會隨回流進入缺氧池，影響反硝化效果。針對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，同時關(guān)小硝化段末端曝氣量，盡量降低進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，同時利用水下攪拌器對污水進行均勻混合，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，若運行不當(dāng)，污水會在沉淀池內(nèi)發(fā)生反硝化反應(yīng)，使污泥上浮，水質(zhì)惡化。針對此狀況采取的措施為：控制硝化反硝化運行效果，提高裝置總氮去除率；控制裝置進水總氮，降低進沉淀池硝酸鹽濃度；根據(jù)裝置設(shè)計負荷，控制裝置進水水量，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，易造成系統(tǒng)的水力停留時間（HRT）較長，需要較大的曝氣池，增加投資和運行費用。針對此問題采取的措施為：當(dāng)硝化菌數(shù)量較低時，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)，增加處理費用。針對此問題采取的措施為：通過控制裝置進水pH值在7.5～8.5，利用前端反硝化產(chǎn)生的堿度，補充硝化過程的堿度；安裝在線pH計，同時安裝酸、堿自動投加裝置，及時準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)硝化反硝化反應(yīng)的pH值。

4 運行效果

A/O裝置改造后進出水總氮含量見表1。由表1可以看出，通過對硝化菌、反硝化菌培養(yǎng)馴化，對硝化液回流比、溶解氧、pH值等運行指標(biāo)的摸索優(yōu)化，改造后A/O裝置進水總氮質(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A/O裝置進行改造時，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A/O裝置進行改造后，裝置進水總氮含量在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，可滿足污水總氮達標(biāo)排放。