NDC脫氮工藝及運行效果分析

武珍明 常 明 趙陽麗

(博天環境集團股份有限公司，西安 710065)

0 引言

含氨氮廢水傳統的處理方法包括物理法、化學法、生化處理法［1－2］。隨著環保要求日趨嚴格，單一的物理或化學方法處理很難達到排放標準，而核心“生化處理”單元的工藝選擇與設計對廢水的最終處理結果起著決定性作用。

項目組在大量工程實踐和試驗研究的基礎上，研發出一項高效脫氮新技術—NDC脫氮技術(專利號:ZL201420518219.6)。該NDC反應器集稀釋、均質、反應、沉淀為一體，運行模式以周期多段不等時梯度進行，工藝流程短、占地面積小、構造簡單、便于操作與維護管理，氨氮去除效率高。目前，該技術在煤化工廢水處理中已經得到了推廣應用，對氨氮具有良好的處理效果。

1 NDC脫氮工藝特點

N O－Limited Double Cycle Reactor簡稱NDC，中文名稱為無終端雙循環反應器，同時釋義為Nitrification and Denitrification Cycle。NDC反應器充分利用了生物脫氮原理、活性污泥動力學零級反應、一級反應方程、Monod模型、短程硝化/反硝化原理、Barnard理論、以及新的酶催化動力學方程［3－7］，通過整合一系列工程技術方法為優勢硝化、反硝化菌群的培養創造條件，從而實現高效脫氮的目的。基于上述理論與工程實踐，NDC脫氮工藝具有如下特點。

1.1 獨特的結構設計

NDC反應器的結構如圖1所示。

圖1 NDC反應器結構示意

根據生物反應動力學、水力梯度及反硝化優勢菌群反應速率特性，NDC反應器采用了獨特的結構設計，整個反應器在結構上分為主反應區和強化反硝化區。強化反硝化區設在反應器的進水端，大小為整個池體的1/10～1/8，并設置了特殊水力循環攪拌系統。強化反硝化區在整個運行過程中，只攪拌不曝氣，使強化反硝化區始終處于缺氧狀態，適合反硝化菌的大量繁殖。從主反應區回流到強化反硝化區的硝酸鹽氮與進水有機物、強化反硝化區的微生物迅速混合，利用剛進入強化反硝化區的溶解性有機物作為反硝化碳源，在無需補充碳源的情況下即可起到徹底反硝化的作用。強化反硝化區底部設置了布水孔，可均勻配水至主反應區，主反應區通過供氧、攪拌同時運行來提供硝化所需的溶解氧和水力梯度條件，運行20 min左右時停止供氧曝氣，繼續水力攪拌，使運行環境過渡到缺氧狀態，為反硝化菌提供適宜增殖環境，高速反硝化脫氮15 min后再次開啟曝氣供氧系統，進入好氧硝化段，以此重復交替運行，直至達到設計去除效率。

強化反硝化區的設置可實現如下功能:

(1)在強化反硝化區，新進廢水經過快速混合攪拌反應后，有機負荷降低，水質變得均勻，然后再通過底部布水孔均勻配水至主反應區，改善了水力條件。

(2)強化反硝化區相對獨立，適合于高效反硝化菌種的投加，在長期運行過程中篩選出的高濃度、高活性優勢菌群，能適應進水水質的變化。廢水進入后，通過稀釋、吸附、快速降解作用，不僅起到有效的水質緩沖作用，還提高了有機物去除效率、增強了反硝化能力，具有很強的耐沖擊負荷能力。

(3)強化反硝化區在整個運行過程始終處于缺氧狀態，生物菌群中反硝化菌占優勢，約3/4的運行時間都有硝化液回流至強化反硝化區，可利用剛進入強化反硝化區的溶解性易降解有機物，通過酶反應快速將回流的硝態氮轉化為氮氣，有效提高脫氮效率。

1.2 高效反硝化菌種的投加

反硝化作用(Denitrification)是微生物以氮氧化物作為電子受體產生能量的過程，是涉及多種酶和多種中間產物并伴隨著電子傳遞和能量轉化的復雜生化反應。反硝化菌是硝酸鹽呼吸的載體，離開了反硝化菌，硝酸鹽呼吸也將不復存在［8］。

培養馴化出的反硝化菌種在調試運行初期直接接種至前段強化反硝化區，強化反硝化區中微生物種群由于受到接種菌種的影響，增殖很快，鏡檢發現投加菌種初期微生物種類豐富多樣，主要包括細菌、絲狀菌、真菌以及少量原生動物。運行15 d后反硝化效果得到了顯著提高并趨于穩定，鏡檢顯示反應區以桿菌、球菌為主，同時伴隨有少量的螺旋菌。大量優勢菌種的穩定增殖為反硝化反應的進行奠定了基礎。

1.3 新型專有曝氣、攪拌設備

生化法處理的關鍵就是創造適宜微生物生長的條件，強化微生物的新陳代謝功能，加快污水中污染底物與微生物的接觸頻率，使反應快速、徹底。滿足該條件的設備需具備兩個功能，即高效供氧與攪拌混合。NDC反應器使用了RJ型蝶式射流曝氣器，曝氣器結構由內腔、外腔、雙重噴嘴、進液口和進氣口等組成。工作時，液體從內噴嘴高速射出，由于射流的紊動和能量交換作用，與外腔的氣體形成強烈摻混，瞬間完成氧氣從氣相向液相中的轉移，氧利用率高達20% ～30%;在運行過程中通過控制循環水量及空氣量，可分開控制充氧和攪拌過程。

1.4 合理的運行步序

NDC反應器集反應、沉淀、排水為一體，運行模式與SBR相似，分為進水、反應、沉淀、潷水四個階段，并以周期循環方式進行，運行周期可根據需要進行調整，典型的NDC工藝以4 h、6 h、8 h為一個循環周期。在反應階段，將主反應區的硝化、反硝化過程分割成4～8段。在硝化段供氧、攪拌同時運行，提供硝化反應所需的溶解氧和水力梯度條件，運行20～40 min時停止供氧曝氣，繼續水力攪拌，使運行環境過渡到缺氧狀態，為反硝化菌提供適宜增殖環境，使主反應區進入反硝化階段。高速反硝化脫氮10～30 min后再次開啟供氧系統，進入好氧硝化段。每段時間都不相等且時長遞減，在缺氧段溶解氧濃度控制在0.5 mg/L以下，硝化段和反硝化段的時間，根據反應速率和去除效率計算確定，使反應始終控制在高效段，提高了反應效率，縮短了反應時間。

NDC反應器的運行次序使主反應區在時間上分隔為多次交替出現的缺氧、好氧轉換階段。主反應區內多級好氧、缺氧交替運行，硝化時間短，硝化產物以亞硝態氮為主，反硝化時間同樣較短，是典型的短程硝化、反硝化，此過程減少了亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，然后硝酸鹽再還原成亞硝酸鹽兩個反應的發生。其硝化速率約為傳統好氧硝化工藝的1.38倍，反硝化速率約為傳統缺氧反硝化工藝的1.25倍。反應效率高，縮短了反應時間。在運行過程中，能根據實際運行的監測數據合理調配投加堿液、磷鹽、甲醇的時間，而并非在整個反應過程中全程投加，節省了加藥量，降低了運行成本。

2 NDC技術應用實例

將NDC脫氮技術應用于陜煤集團的某煤制烯烴項目，該煤制烯烴項目污水處理裝置接納的污水主要包括:煤氣化段產生的廢水、甲醇制烯烴段產生的廢水、回用水裝置的排水及廠區生活污水和初期污染雨水等。

2.1 進水水量水質參數

污水處理站設計規模為:600 m3/h。進水水質及設計出水指標如表1所示。

表1 污水處理站進水水質及設計出水指標

2.2 工藝流程

從進水水質特點來看，進水C O D和氨氮的濃度較高;排水對C O D和氨氮的去除效率要求均達到95%以上，在多種方案比較基礎之上，選擇NDC反應器作為污水處理站的處理工藝，工藝流程如圖2所示。

圖2 污水站處理工藝流程

廠內生活污水和初期雨水經過機械格柵截留較大粒徑的懸浮物、漂浮物后流至廢水調節池，氣化段和甲醇制烯烴段的生產廢水直接排入廢水調節池內。這些廠區內的生活、生產廢水在調節池內充分混合后經泵提升至沉淀器進行混凝沉淀處理，去除以膠體及懸浮物形式存在的污染物。沉淀器出水自流至NDC反應池，經充分的反應后排入出水監測池，進入后續回用水處理單元。沉淀器排出的泥渣、NDC反應池排出的剩余污泥分別進入污泥處理系統。

2.3 運行效果分析

圖3、4、5分別是連續監測兩個月進出水C O D、NH3－N和TN的運行濃度。

從進出水C O D、NH3－N對比圖可以看出，當C O D的進水濃度在900～1 100 mg/L之間波動時，出水C O D的濃度值基本穩定在40 mg/L附近;NH3－N進水濃度大多在250～350 mg/L之間波動，出水濃度穩定在10 mg/L以下;TN的進水濃度基本在300～400 mg/L之間，出水濃度穩定在20 mg/L以下，從出水的指標看完全達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》排放要求。由此可以看出，NDC反應器抗負荷沖擊的能力很強，運行穩定，對C O D、NH3－N和TN具有良好的處理效果。

圖3 進出水C O D濃度

圖4 進出水NH3－N濃度

圖5 進出水TN濃度

3 結論

(1)NDC反應器在池型設計上增設強化反硝化區，利于高效菌種的投加和馴化，同時具有緩沖、耐負荷沖擊的作用;合理的運行次序，有效的分配曝氣和攪拌時間，使主反應區內的好氧硝化和缺氧反硝化交替進行，使硝化與反硝化反應充分、徹底。

(2)從實際運行效果來看，出水穩定達標，對氨氮、TN的處理效率顯著，當污水氨氮、TN含量在400 mg/L以下時，脫氮效率可以達到95% ～99%。

(3)NDC脫氮技術在含中、高濃度氨氮的工業廢水處理方面應用前景廣闊。比如:煤化工企業廢水處理系統，尤其是氣化工段廢水處理;化肥企業廢水處理系統;焦化企業廢水處理系統，工業園區、市政污水等適合于活性污泥法的污水處理系統等。

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