孫躍平，小泉明

(1.上海管麗建設(shè)工程有限公司，上海 201108；2.日本東京都立大學(xué)，日本東京 116-0085)

再生水作為新型的水資源，其回收和利用日益受到重視，可廣泛應(yīng)用于洗車、綠化澆水和生產(chǎn)過程中的冷卻用水等。但是,一般的活性污泥法不能有效地去除污水中氮、磷等無機(jī)污染物，需對污水處理廠實施改造,以達(dá)到高效除磷脫氮,并提高出水水質(zhì)。通過對污水處理廠的SRT和A-SRT值、MLSS濃度和循環(huán)比以及二沉池負(fù)荷等運行指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定并對部分處理設(shè)施實施改造，即可取得理想的出水水質(zhì)。在日本東京的森崎水資源再生中心等設(shè)施中導(dǎo)入了循環(huán)式硝化脫氮法，取得了很好的運行效果。本文通過實際案例介紹循環(huán)式硝化脫氮法的設(shè)計及運行管理，為其他類似工程案例提供技術(shù)參考。

1 循環(huán)式硝化脫氮法的原理和工藝流程

1.1 生物脫氮的原理

(1)硝化過程

(2)脫氮過程

1.2 循環(huán)式硝化脫氮法的工藝特點

對于一般城市污水，經(jīng)一沉池沉淀后的流入水，總氮的年平均去除率可以達(dá)到60%～70%。本方法的脫氮率受流入水水溫、流入水的氮素和有機(jī)物的濃度、缺氧池和好氧池中浮游物質(zhì)的滯留時間、循環(huán)比、MLSS濃度、好氧池中溶解氧的濃度和pH等的支配和影響。因此，在決定設(shè)計目標(biāo)水質(zhì)時，有必要對上述設(shè)計條件進(jìn)行考慮和研究。另外，如果希望達(dá)到更高的脫氮率，可以考慮采用消化液，使脫氮率提高10%[2]。

本處理方法和活性污泥法相比，有以下幾個特點。

(1)脫氮率的目標(biāo)值設(shè)定在60%～70%時，生物反應(yīng)池的容積將大于標(biāo)準(zhǔn)活性污泥法的曝氣池。

(2)生物反應(yīng)池將被分成兩段，缺氧池需有保證維持缺氧狀態(tài)的構(gòu)造。

(3)需具備使硝化液進(jìn)行循環(huán)的泵設(shè)備。

(4)生物反應(yīng)池內(nèi)的MLSS濃度高于標(biāo)準(zhǔn)活性污泥法的值。因為提高了二沉池中流入浮游物的負(fù)荷，有必要降低設(shè)計水面負(fù)荷，并增大反應(yīng)池的有效水深。

(5)循環(huán)泵和缺氧池等的設(shè)置，相應(yīng)會增加運行管理項目。

(6)本處理方法不僅具有較高的脫氮率，BOD、SS的去除率也會同時提高。

1.3 循環(huán)式硝化脫氮法工藝流程

本方法的主要工藝流程為：反應(yīng)池前半段缺氧池進(jìn)行脫氮，后半段通過曝氣保證溶解氧的濃度，進(jìn)行硝化反應(yīng)，硝化液通過循環(huán)泵返送回缺氧池，最終達(dá)到脫氮的目的。另外，根據(jù)流入水的水質(zhì)情況，適當(dāng)添加甲醇(CH3OH)或強(qiáng)堿(NaOH)以保證處理效果。運行初期或雨天，進(jìn)水BOD濃度偏低，可設(shè)置直接將經(jīng)沉砂池后的進(jìn)水送入生物反應(yīng)池。工藝流程如圖1所示[2]。

圖1 循環(huán)式硝化脫氮法的處理工藝流程Fig.1 Process Flow Chart of Cyclic Nitrification and Denitrification

2 循環(huán)式硝化脫氮法的設(shè)計方法

2.1 設(shè)計流程

采用循環(huán)式硝化脫氮法需首先按國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)或再生水水質(zhì)要求設(shè)計出水水質(zhì)，并根據(jù)集水區(qū)相關(guān)資料等設(shè)計水量、進(jìn)水水質(zhì)和水溫等參數(shù)，通過計算確定生物反應(yīng)池、循環(huán)泵等設(shè)備的設(shè)計容量、停留時間、曝氣量等參數(shù)，設(shè)計流程如圖2所示[3]。

圖2 循環(huán)式硝化脫氮法的設(shè)計程序Fig.2 Design Program of Cyclic Nitrification and Denitrification Method

2.2 主要參數(shù)的設(shè)定

(1)設(shè)計水溫、水量和水質(zhì)

由于循環(huán)式硝化脫氮法的硝化細(xì)菌增殖速度和脫氮效率會隨溫度的下降而降低，為保證冬季的出水水質(zhì)，建議設(shè)計水溫為一年中月平均值的最低值，生物反應(yīng)池的設(shè)計容量和水質(zhì)參數(shù)參考冬季的相關(guān)數(shù)據(jù)，其中設(shè)計水量以冬季的日進(jìn)水水量最大值為基準(zhǔn)[4]。

(2)SRT和A-SRT

污泥停留時間(SRT)計算方法為系統(tǒng)中全部浮游固體質(zhì)量除以一天中從污水系統(tǒng)中排出的浮游固體物總質(zhì)量(包括剩余污泥量與處理水中的浮游物質(zhì)量)。分析各類微生物的不同增殖速度來調(diào)整SRT值，可以有效控制活性污泥中的微生物，從而提高處理效果。

脫氮的硝化菌是好氧菌，應(yīng)該以控制好氧的浮游固體物質(zhì)在處理系統(tǒng)中的滯留時間(aerobic-SRT)為準(zhǔn)，以θXA來表示。硝化細(xì)菌的增殖速度受溫度的影響，根據(jù)試驗結(jié)果，θXA與溫度(T)的計算如式(1)[4]。

θXA=δ×20.6e(-0.062 7T)

(1)

其中：δ——進(jìn)水碳氮濃度的變動修正系數(shù)，一般取1.2～1.5。

設(shè)計中θXA取值應(yīng)大于式(1)的計算值。

(3)MLSS濃度和循環(huán)比

為了保證硝化細(xì)菌的含量，A-SRT盡可能取最大值，因此，MLSS濃度需高于標(biāo)準(zhǔn)活性污泥法。為了在減少供氣量的同時保持MLSS濃度處于低值范圍，在實際的處理運行中，夏季由于硝化細(xì)菌增殖速率較快，可以把MLSS濃度設(shè)定在較小值。

MLSS濃度是影響反應(yīng)池容量的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)運行經(jīng)驗，MLSS濃度為2 000～3 000 mg/L，考慮到冬季的情況，MLSS濃度的設(shè)計值建議選取3 000 mg/L[4]。

(4)好氧池和缺氧池的容積

好氧池的容積VA與進(jìn)水水量Qin和污水在好氧池內(nèi)的滯留時間tA有關(guān)。而tA與進(jìn)水濃度、污泥的轉(zhuǎn)換率、好氧池中的活性污泥量以及θXA有關(guān)，具體計算如式(2)。

VA=Qin×tA

tA=θXA×(a×CsBOD,in+b×Css,in)/[(1+C×θXA)×X]

(2)

其中：Qin——進(jìn)水水量，m3/d；

θXA——好氧浮游固體物的滯留時間，d；

CsBOD,in——進(jìn)水溶解性BOD濃度，mg/L；

Css,in——進(jìn)水SS濃度，mg/L；

a——溶解性BOD的污泥轉(zhuǎn)換率，單位為g MLSS/(g SS)，一般取值為0.5～0.6；

b——SS的污泥轉(zhuǎn)換率，單位為g MLSS/(g SS)，一般取值為0.9～1.0；

C——污泥的自分解系數(shù)，1/d；

X——MLSS濃度，mg/L。

缺氧池的容積VDN為反應(yīng)池容量V和好氧池容量VA之差，V計算如式(3)。

V=CBOD,in×Qin/(LBOD/X×X)

(3)

其中：CBOD,in——進(jìn)水BOD濃度，mg/L；

LBOD/X——BOD-SS負(fù)荷[kg BOD/(kg MLSS·d-1)]，根據(jù)經(jīng)驗取值為0.05～0.10 kg BOD/(kg MLSS·d-1)。

(5)脫氮速度定數(shù)

脫氮速度定數(shù)KDN[mg N/(g MLSS·h)]表示單位時間內(nèi)一定濃度的活性污泥去除氮素能力的定數(shù)，其計算如式(4)。

KDN=LNOX，DX×103/(24VDN×X)

(4)

其中：LNOX，DX—循環(huán)回缺氧池的硝化液中含有氮素(NOT-N)的總量，kg/d。

LNOX，DX由循環(huán)泵返送回缺氧池的量和回流污泥泵返送回的兩部分求和得出，污水廠流入原水中的NOT-N可忽略不計，因此，LNOX，DX計算如式(5)。

LNOX,DX=CNOX,DX×(Qr+Qc)×10-3

(5)

其中：Qr——污泥返送量，m3/d；

Qc——循環(huán)水量，m3/d。

CNOX,DX可以根據(jù)進(jìn)水中氮濃度CTN,in(mg/L)由式(6)求得。

CNOX,A=α×CTN,in/(1+R)

(6)

其中：α——CTN,in中將被硝化去除的氮比例，一般取0.6～0.7；

R——循環(huán)比(常數(shù))。

(6)曝氣量

本處理方法的曝氣量需滿足有機(jī)物的氧化、硝化脫氮、內(nèi)源呼吸需求以及維持好氧池中溶解氧的濃度。有機(jī)物的氧化需氧量DB，微生物的內(nèi)生呼吸所需量DE和溶解氧濃度的維持需氧量DO的計算方法與標(biāo)準(zhǔn)活性污泥法類似。硝化脫氮需氧量(kg/d)計算如式(7)。

DN=α×CTN,in×Qin×103×4.57

(7)

其中：α——設(shè)計全氮素CTN,in中將被硝化去除的比例，一般取0.6～0.7；

總需氧量ΣD=DB+DE+DO+DN，根據(jù)ΣD可計算出曝氣量。

(7)二沉池的負(fù)荷

由于本方法需要保持MLSS在高濃度下運行，需增加二沉池中的進(jìn)水浮游固體負(fù)荷。二沉池需保持在比標(biāo)準(zhǔn)活性污泥法低的水面積負(fù)荷，按經(jīng)驗取值為15～25 m3/(m2·d)。由于細(xì)微的污泥流出會使水的氮濃度上升，為了便于運行管理，需保持一定的水量余地，二沉池的有效水深按經(jīng)驗取值為3.5～4.0 m[3]。

3 運行管理的注意事項

3.1 水質(zhì)管理

為了保證設(shè)施的除氮效率，運行時除了日常的水質(zhì)管理，還必須對缺氧池和好氧池內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行定期監(jiān)測，以針對水質(zhì)情況判斷設(shè)施的運行狀況并及時調(diào)整。主要測定項目和取水點如表1所示[5]。

表1 水質(zhì)管理的位置和測定項目Tab.1 Location and Measurement Items of Water Quality Management

注：○為以水質(zhì)管理為目的，需通常測定的項目；△為附帶測定的項目

3.2 反應(yīng)池進(jìn)水水質(zhì)的調(diào)整

反應(yīng)池的進(jìn)水有機(jī)物濃度偏低時，會造成缺氧池內(nèi)的脫氮效率低下。因此，必須對反應(yīng)池的進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，方法主要有兩種：減少初沉池的使用數(shù)，降低初沉池內(nèi)的有機(jī)物去除率；沉砂池出水直接送入生物反應(yīng)池[5]。

3.3 缺氧池的氧化還原電位

測定池內(nèi)的氧化還原電位(ORP)可以準(zhǔn)確把握反應(yīng)池的缺氧狀況，保證脫氮反應(yīng)的正常進(jìn)行。ORP越低，表明缺氧池中的溶解氧濃度越小，利于脫氮反應(yīng)的進(jìn)行，ORP偏高，可以采取如下對策。

(1)調(diào)整好氧池的供氧量，使其末端的溶解氧濃度(MLDO)不會處于較大值。

(2)在攪拌缺氧池內(nèi)的脫氮液時，避免采用把大量空氣帶入水中的機(jī)械。

(3)減少循環(huán)比，盡量減少從循環(huán)回流的硝化液中帶入缺氧池的溶解氧。

3.4 好氧池的溶解氧濃度

好氧池內(nèi)溶解氧濃度過低，會減慢硝化反應(yīng)的速度，過高又會影響缺氧池脫氮的效果，并增加污水的處理成本。根據(jù)運行管理經(jīng)驗，好氧池末端的合理溶解氧濃度為1.5 mg/L。

3.5 二沉池的管理

二沉池的管理應(yīng)注意盡量降低二沉池污泥的含水率，以減少污泥的回流量；同時，密切注意污泥的沉淀狀況，避免污泥上浮現(xiàn)象的發(fā)生。

本工藝生物反應(yīng)池內(nèi)MLSS濃度處于較高值，要求高濃度的回流污泥，以減少污泥回流量，維持缺氧池的缺氧狀態(tài)。過高的污泥濃度會降低二沉池內(nèi)的污泥沉降性能，因此，需嚴(yán)格管理二沉池泥水界面，防止水質(zhì)惡化。

3.6 現(xiàn)有活性污泥法處理設(shè)施的改造

針對現(xiàn)有活性污泥法處理設(shè)施的改造，需要注意以下幾點。

(1)為實現(xiàn)快速、穩(wěn)定的脫氮，需在缺氧池內(nèi)安裝機(jī)械攪拌裝置。

(2)為防止空氣帶入水中，硝化液循環(huán)裝置出口應(yīng)安裝于水面之下，并采用水頭損失小的配管方式。

(3)原曝氣池改為生物反應(yīng)池，需在池內(nèi)造一層隔墻。

(4)為應(yīng)對二沉池和生物反應(yīng)池內(nèi)浮渣等問題，需增設(shè)去浮渣設(shè)備，防止淤積。

(5)設(shè)置初沉池的短路水路。

(6)除了在適當(dāng)位置設(shè)置DO計、MLSS計、ORP計和回流污泥濃度計等外，為了提高硝化效率，并減少能源浪費，需把DO計和ORP計的信息直接反饋到曝氣裝置的控制系統(tǒng)。

(7)與標(biāo)準(zhǔn)活性污泥法相比，單位處理水量的需氧量會相應(yīng)增加，因此，要求增大空氣供應(yīng)量。在不改變散氣裝置的前提下，需重新考慮增加供氣裝置(鼓風(fēng)機(jī)等)的能力。

4 結(jié)論

本文介紹了循環(huán)式硝化脫氮法的工藝流程，歸納總結(jié)了循環(huán)式硝化脫氮法的設(shè)計程序以及運行管理的注意事項等，并討論了主要參數(shù)的設(shè)定方法。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和各種產(chǎn)業(yè)的不斷擴(kuò)大，水環(huán)境的污染將日趨嚴(yán)重，需采用有效的處理方式達(dá)到高效脫氮、再生利用的目的。