張?jiān)?，?娟

（兗礦魯南化工有限公司，山東滕州 277527）

0 引 言

總氮是衡量水質(zhì)好壞的重要指標(biāo)之一，由于歷史原因，大部分已建成和正在建設(shè)的城市和工業(yè)污水處理廠（站）的污水處理工藝對(duì)COD、BOD、氨氮的去除效果良好，而對(duì)總氮的去除效果不理想，加之 《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）也未對(duì)總氮指標(biāo)提出要求，這就造成了部分企業(yè)污水處理設(shè)施存在排水氨氮達(dá)標(biāo)而總氮超標(biāo)的情況。

近年來(lái)，隨著公眾對(duì)環(huán)保要求的逐漸提高，國(guó)家逐漸意識(shí)到總氮治理的重要性，在《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）、 《合成氨工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13458—2013）中先后提出了總氮排放指標(biāo)要求；2018年，山東省制定《流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB37／3416—2018），明確提出了分行業(yè)、分時(shí)段總氮排放限值要求。同時(shí)，各地也開(kāi)始陸續(xù)將排水總氮指標(biāo)納入主要污染指標(biāo)考核范圍內(nèi)，并要求企業(yè)和污水處理廠限期安裝總氮在線監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)企業(yè)而言，污水處理設(shè)施提標(biāo)升級(jí)勢(shì)在必行。以下對(duì)某煤化工企業(yè)污水處理設(shè)施總氮提標(biāo)運(yùn)行與優(yōu)化升級(jí)改造作一介紹。

1 污水處理系統(tǒng)簡(jiǎn)況

1.1 系統(tǒng)概況

山東省某煤化工企業(yè)采用水煤漿加壓氣化工藝生產(chǎn)粗煤氣，繼而合成甲醇、醋酸、醋酸乙酯、丁醇、聚甲醛等產(chǎn)品；現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)建于2006—2007年間，其設(shè)計(jì)處理能力為26000 m3／d，采用“A／O＋UASB”三級(jí)處理工藝，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)煤化工行業(yè)最大的污水處理裝置。

污水處理系統(tǒng)廢水主要包括煤氣化廢水、有機(jī)化工 （甲醇、醋酸、丁醇、聚甲醛、醋酐、醋酸乙酯等生產(chǎn)裝置）廢水和生活污水，各路廢（污）水混合后進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)及處理后出水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 污水處理系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)

總之，該煤化工企業(yè)污水處理系統(tǒng)出水達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978—1996）一級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，但出水總氮指標(biāo)達(dá)不到山東省《流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB37／3416—2018）要求，提標(biāo)運(yùn)行和優(yōu)化改造勢(shì)在必行。按照DB37／3416—2018的要求，污水處理系統(tǒng)提標(biāo)改造目標(biāo)為出水總氮含量≤15mg／L。

1.2 工藝原理、工藝流程及主體構(gòu)筑物

1.2.1 工藝原理

生物脫氮法可去除多種含氮化合物，總氮去除率可達(dá)60%～85%，二次污染小且比較經(jīng)濟(jì)，因此在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多。該煤化工企業(yè)污水處理系統(tǒng)總氮治理采用生物脫氮法，即先將有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，然后將氨態(tài)氮進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成氮?dú)舛廴?，主要包括硝化和反硝化兩個(gè)階段。

（1）硝化。硝化反應(yīng)是在好氧條件下通過(guò)好氧硝化菌的作用將廢水中的氨氮氧化為亞硝酸鹽或硝酸鹽，包括兩個(gè)基本反應(yīng)步驟——由亞硝酸菌參與的將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的反應(yīng)（亞硝化反應(yīng)2NH＋4＋3O2→2NO-2＋2H2O＋4H＋）和由硝酸菌參與的將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的反應(yīng)（硝化反應(yīng)2NO-2＋O2→2NO-3）；反應(yīng)過(guò)程中，亞硝酸菌和硝酸菌都是自養(yǎng)菌，它們利用廢水中的碳源，通過(guò)與氨氮的氧化還原反應(yīng)獲得能量。

硝化菌的適宜pH范圍為8.0～8.4、最佳生存溫度為35℃。溫度對(duì)硝化菌的影響很大，溫度下降10℃，硝化反應(yīng)速度下降50%，DO濃度降至2～3mg／L，BOD5負(fù)荷降至0.06～0.10 kg／（kgMLSS·d），泥齡在3～5d以上。

反硝化菌的適宜pH范圍為6.5～8.0、最佳生存溫度為30℃。當(dāng)溫度低于10℃時(shí)，反硝化速度將明顯減慢；而當(dāng)溫度低至3℃時(shí)，反硝化過(guò)程將停止，DO 濃度降至0.5mg／L以下，BOD5／總氮＞3～5。

1.2.2 工藝流程

該煤化工企業(yè)污水處理系統(tǒng)采用A／O工藝。A／O工藝的優(yōu)越性在于除了能使有機(jī)污染物得到降解之外，還具有一定的脫氮除磷功能。污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力為26000m3／d，其中生化處理（二級(jí)處理）系統(tǒng)為并聯(lián)的兩個(gè)系列，單系列處理能力為13000m3／d。升流式厭氧污泥床 （簡(jiǎn)稱(chēng)UASB）是由Lettinga等于1974—1978年研究成功的一項(xiàng)新工藝，該工藝裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、污泥濃度高和泥齡長(zhǎng)、運(yùn)行費(fèi)用低、處理效率高等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合后續(xù)的接觸氧化池可實(shí)現(xiàn)深度脫氮除磷，因此“UASB＋接觸氧化”作為污水處理的三級(jí)處理系統(tǒng)使用。污水處理系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 污水處理系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

1.2.3 主體構(gòu)筑物

該煤化工企業(yè)污水處理系統(tǒng)主體構(gòu)筑物：A池2座，總有效容積11000m3；O池2座，總有效容積28000m3；UASB池1座，有效容積850m3；接觸氧化池1座，有效容積5500m3。

2 污水處理系統(tǒng)運(yùn)行狀況及存在的問(wèn)題

2.1 運(yùn)行狀況

從污水處理系統(tǒng)2019年6月運(yùn)行數(shù)據(jù)中抽取部分具有代表性的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（表2），可以看出：①系統(tǒng)進(jìn)水CODCr約400mg／L、氨氮約82.9mg／L、總氮約135mg／L，出水CODCr約20.7mg／L、氨氮約0.02mg／L、總氮約40mg／L，表明整個(gè)系統(tǒng)對(duì)氨氮、CODCr的去除效果很好，出水指標(biāo)完全能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，且O池出水氨氮含量已達(dá)標(biāo)，表明O池硝化充分；②系統(tǒng)進(jìn)水總氮約135mg／L，出水總氮約40mg／L，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效果不好，且總氮去除主要集中在A／O生化池，后段幾乎沒(méi)有去除作用。

表2 2019年6月污水處理系統(tǒng)部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mg／L

從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，生化處理系統(tǒng)兩個(gè)系列混合液的總回流比基本在4左右，實(shí)際運(yùn)行中接觸氧化池基本按缺氧狀態(tài)在運(yùn)行（運(yùn)行效果差）。

2.2 污水處理系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題

（1）整個(gè)系統(tǒng)總氮脫除效果較差，外排水總氮不能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

（2）A／O工藝具備脫除總氮的功能，但效率不高，經(jīng)計(jì)算總氮去除率約為70%。

（3）污泥系統(tǒng)問(wèn)題突出：系統(tǒng)中生化剩余污泥單獨(dú)進(jìn)濃縮池濃縮脫水；初沉池及三沉池污泥單獨(dú)進(jìn)另外一個(gè)濃縮池，由于濃縮池設(shè)計(jì)過(guò)小，起不到濃縮作用，因而污泥脫水效果差，且初沉池污泥排放不及時(shí)；因初沉池排泥不及時(shí)，導(dǎo)致跑泥現(xiàn)象嚴(yán)重，無(wú)機(jī)污泥進(jìn)入后續(xù)生化系統(tǒng)，引起活性污泥礦化，擠占了微生物生存空間，造成反硝化脫氮能力低下。

（4）數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)進(jìn)水碳氮比約為3，而反硝化最適宜的碳氮比為5～6，系統(tǒng)碳源不足。

3 提標(biāo)運(yùn)行與優(yōu)化升級(jí)改造措施

3.1 增設(shè)碳源投加設(shè)施以提高A／O池脫氮效果

總氮去除的一個(gè)關(guān)鍵是控制適宜的總回流比，總氮的最大去除率是總回流比的函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系式為：

式中 η——系統(tǒng)的總氮去除率，%；

Rm——混合液總回流比，%；

Rs——二沉池污泥回流比，%；

Q——進(jìn)水流量，m3／d。

據(jù)上述函數(shù)關(guān)系式，計(jì)算得總回流比為1～10時(shí)對(duì)應(yīng)的總氮去除率分別為50.0%、66.7%、75.0%、 80.0%、 83.3%、 85.7%、 87.5%、88.8%、90.0%、90.9%。

據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，總回流比宜控制在3～4，即總氮最大去除率可達(dá)75% ～80%。目前該煤化工企業(yè)污水處理系統(tǒng)實(shí)際總回流比約為4，理論上總氮去除率可達(dá)80%，但實(shí)際去除率僅為70%。經(jīng)分析，造成A／O系統(tǒng)總氮去除率低的主要原因是碳氮比低（約2.5），須增設(shè)碳源投加設(shè)施。為此，在A池采用多點(diǎn)梯度投加方式投加碳源，以提升A池生物反硝化脫氮功能。

具體措施：以該煤化工企業(yè)甲醇生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的雜醇油和廢水作為碳源（其主要成分為甲醇、乙醇及丙醇等，有機(jī)物含量穩(wěn)定），控制進(jìn)水COD在600mg／L、控制生化系統(tǒng)C∶N∶P＝100∶5∶1的營(yíng)養(yǎng)比例，調(diào)整總回流比在3～4的最佳值，提升總氮、總磷去除率，確保A／O池總氮去除率達(dá)80%。

3.2 增設(shè)碳源投加設(shè)施以?xún)?yōu)化UASB運(yùn)行

調(diào)節(jié)池進(jìn)水總氮含量約135mg／L，按照設(shè)計(jì)進(jìn)水總氮含量≤200mg／L計(jì)算，理論上O池出水總氮濃度可降至30～40mg／L，仍不能達(dá)到出水總氮含量≤15mg／L的排放要求，還需繼續(xù)反硝化脫氮。

由表2數(shù)據(jù)可知，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中O池硝化充分——O池出水中總氮基本以硝態(tài)氮的形式存在，后續(xù)只需滿足反硝化條件即可，即需要通過(guò)UASB和接觸氧化工序繼續(xù)反硝化去除總氮約25mg／L，使系統(tǒng)出水總氮含量穩(wěn)定在15mg／L以下，即可保證系統(tǒng)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。據(jù)現(xiàn)有構(gòu)筑物狀況，UASB池及接觸氧化池總?cè)莘e約6400m3，經(jīng)計(jì)算完全可滿足總氮去除要求。

具體措施：在現(xiàn)有設(shè)施基礎(chǔ)上增設(shè)碳源投加設(shè)施，精準(zhǔn)投加碳源，提高碳氮比至5～6，確保投加的碳源只用于反硝化而不會(huì)作為COD消耗氧。

（1）從系統(tǒng)分析與應(yīng)用實(shí)際情況可知，在道路選線過(guò)程中應(yīng)用GIS技術(shù)是完全可行的，由此開(kāi)發(fā)的輔助系統(tǒng)能為項(xiàng)目規(guī)劃及各階段設(shè)計(jì)提供可靠幫助，對(duì)保證設(shè)計(jì)合理性、準(zhǔn)確性均有重要作用。

3.3 新建污泥濃縮池以收集礦化污泥

針對(duì)污泥系統(tǒng)存在的污泥濃縮脫水效率低、初沉池跑泥問(wèn)題，新建容積為1700m3污泥濃縮池和27m3污泥井各1座，以改善污泥組分、提升污泥反硝化脫氮能力。

3.4 增加菌種以保證生物脫氮迅速啟動(dòng)

據(jù)需要增加生物菌種，生物菌種的主要組分為脫氮菌制劑、酶制劑、菌酶促生劑、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（酶活性單位15U／g），投加這些生物菌種可縮短調(diào)試周期，使生物脫氮迅速啟動(dòng)，從而可提高總氮去除的穩(wěn)定性，使總氮去除率較常規(guī)生物脫氮工藝高10%以上。

4 提標(biāo)運(yùn)行及優(yōu)化升級(jí)改造效果

經(jīng)過(guò)提標(biāo)運(yùn)行及優(yōu)化升級(jí)改造后，2020年1月1日起污水處理系統(tǒng)投運(yùn)，技術(shù)人員對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，2020年2月污水處理系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（均值）見(jiàn)表3?？梢钥闯?，污水處理系統(tǒng)進(jìn)水總氮、氨氮含量與優(yōu)化前相比基本無(wú)變化，通過(guò)補(bǔ)加碳源提高進(jìn)水COD，控制系統(tǒng)碳氮比在5～6，二級(jí)A／O生化處理出水總氮明顯降低，再經(jīng)過(guò)三級(jí)UASB（進(jìn)一步補(bǔ)加碳源）、接觸氧化后，總氮進(jìn)一步降低，外排水總氮含量全月均控制在15mg／L以下，滿足《流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB37／3416—2018）的要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

表3 2020年2月污水處理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（均值） mg／L

5 效益分析

5.1 投資及運(yùn)行成本

5.1.1 投資

污水處理系統(tǒng)提標(biāo)運(yùn)行和優(yōu)化升級(jí)改造總投資405萬(wàn)元，包括土建費(fèi)150萬(wàn)元、設(shè)備費(fèi)199萬(wàn)元、安裝費(fèi)56萬(wàn)元。

5.1.2 運(yùn)行成本

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)投加的碳源為企業(yè)甲醇生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的雜醇油和甲醇廢水，不額外增加費(fèi)用，同時(shí)可減少雜醇油（屬危險(xiǎn)廢物）的處置費(fèi)用。

5.2 環(huán)保效益

污水處理系統(tǒng)提標(biāo)運(yùn)行和優(yōu)化升級(jí)改造后，環(huán)保效益和社會(huì)效益明顯：一是實(shí)現(xiàn)了污水處理系統(tǒng)排水總氮指標(biāo)的達(dá)標(biāo)，改善了排水水質(zhì)，對(duì)穩(wěn)定水體水質(zhì)發(fā)揮了積極的作用；二是減少了無(wú)效污泥循環(huán)進(jìn)入生化系統(tǒng)，避免了無(wú)效污泥擠占空間，減輕了無(wú)效污泥對(duì)生化污泥降解效率的影響，使活性污泥成分得到改良，利于實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的良性運(yùn)轉(zhuǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

生產(chǎn)實(shí)踐表明，該煤化工企業(yè)污水處理系統(tǒng)提標(biāo)運(yùn)行及優(yōu)化升級(jí)改造后，污水處理系統(tǒng)運(yùn)行成本僅增加0.033元／m3，運(yùn)行成本的增加在可接受范圍內(nèi)，但改造效果及環(huán)保效益、社會(huì)效益卻非常明顯——排水總氮明顯下降，污水處理系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定，排水符合山東省新修訂的《流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB37／3416—2018）要求，對(duì)河流下游斷面水質(zhì)具有改善作用；活性污泥組分得到改良，實(shí)現(xiàn)了污水處理系統(tǒng)的良性運(yùn)轉(zhuǎn)?？傊?，本污水處理系統(tǒng)的提標(biāo)運(yùn)行及優(yōu)化升級(jí)改造達(dá)到了預(yù)期效果，其成功應(yīng)用對(duì)類(lèi)似企業(yè)污水處理系統(tǒng)脫氮提標(biāo)運(yùn)行及優(yōu)化改造具有一定的借鑒和示范作用。