脫氮工藝在化工污水處理中的應用

胡超

（中國石化巴陵分公司，湖南岳陽414000）

隨著化肥、合成洗滌劑及農藥等的廣泛使用，水體中的營養物質濃度不斷升高，而水體中氮、磷是引起水體富營養化的主要原因之一。自2017年7月1日起，《石油化工污染物排放標準》（GB31571—2015）全面執行，標準中明確規定外排污水總氮質量濃度必須小于等于40 mg/L。在此背景下，石油化工企業外排污水總氮能否達標已成為企業發展的限制因素之一。

廢水中氮的去除方法有物理法、化學法和生物法3種，其中生物法脫氮是在微生物的作用下，將有機氮和氨態氮轉化為N2和NxO的過程，具有經濟、有效、易操作、無二次污染等特點，被公認為是一種最有發展前途的方法之一，目前在全球污水處理裝置中被廣泛應用。巴陵分公司水務部云溪生化車間厭氧－好氧（A/O）裝置于1998年投入運行，設計處理能力為300 t/h，主要處理綜合污水，由于裝置建設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缺點，結合生化車間A/O裝置硝化－反硝化改造情況，介紹了裝置硝化－反硝化工藝的設計要點及運行效果。

1 脫氮工藝

1.1 傳統生物脫氮工藝

傳統的生物脫氮工藝是由巴茨（Barth）開創的三級活性污泥法流程，以氨化、硝化和反硝化3步反應過程為基礎建立。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，除碳、硝化和反硝化均在各自的反應器中進行，并分別控制在適宜的條件。

該工藝優點是好氧菌、硝化菌和反硝化菌三種菌種分別生長在各自不同的構筑物中，均可在自身適宜的環境下生長繁殖，所以反應速度較快，5日生化需氧量（BOD5）去除和脫氮效果較好。缺點是流程長、處理構筑物多、附屬設備多，基建費用高、因需要補充堿度和碳源導致運行費用較高。

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量的微生物，并使缺氧池得到好氧池中硝化所產生的硝酸鹽。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，使反硝化反應能在缺氧池中進行，反硝化反應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。短程硝化的標志是有穩定且較高的NO2－–N積累，即亞硝酸氮積累率較高。

與傳統的生物脫氮工藝相比，該工藝有以下優點：硝化與反硝化兩個階段在同一反應器中進行，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；節省了反硝化過程需要的碳源，同時硝化產生的酸度可部分地與反硝化產生的堿度進行中和，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生，同樣，硝化反應在氧濃度較低時也能夠發生。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，直接將氨轉化為最終氣態產物。由于許多好氧反硝化菌同時也是異養硝化菌，能夠直接把NH4+轉化為最終氣態產物而去除。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，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，絕大多數污水處理廠脫氮處理采用傳統脫氮工藝，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，但傳統脫氮工藝運行穩定、技術成熟。新型脫氮工藝雖然有占地面積小、運行成本低等優點，但新型脫氮工藝不夠成熟，運行過程控制不穩定，對自控系統要求較高，裝置很容易出現波動，且一旦受沖擊恢復運行需要較長時間。因此，傳統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，轉化為硝態氮；在缺氧段，活性污泥中的反硝化細菌利用硝態氮和污水中的含碳有機物進行反硝化作用，使化合態氮（硝態氮）轉化成分子態氮（N2），含碳有機物轉化為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，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。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定，A池及O1池內pH值較穩定，酸堿消耗較小。

3 硝化－反硝化工藝設計要點

3.1 能耗

考慮到硝化－反硝化工藝需要分別設置污泥回流系統和內回流系統，尤其是內回流系統回流比在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：嚴格控制硝化段溶解氧在2～4 mg/L，同時關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，污水會在沉淀池內發生反硝化反應，使污泥上浮，水質惡化。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；根據裝置設計負荷，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：當硝化菌數量較低時，通過投加硝化菌種來提高硝化菌數量。

3.5 酸及堿消耗

硝化過程中產生的酸度需要投加堿中和，且反硝化過程需要嚴格控制pH值，需要投加酸、堿調節，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，及時準確地調節硝化反硝化反應的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、反硝化菌培養馴化，對硝化液回流比、溶解氧、pH值等運行指標的摸索優化，改造后A/O裝置進水總氮質量濃度在30.00～70.00 mg/L，出水總氮質量濃度小于9.23 mg/L，總氮去除率穩定在80%左右，可確保排放污水總氮含量達到GB 31571—2015中總氮質量濃度小于等于40.00 mg/L的排放指標。

表1 A/O裝置改造后進出水總氮含量

5 結論

現有脫氮工藝包括傳統生物脫氮工藝、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。傳統脫氮工藝因運行穩定、技術成熟，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，出水總氮質量濃度小于9.23 mg/L，總氮去除率穩定在80%左右，可滿足污水總氮達標排放。