污水處理廠循環式硝化脫氮法設計與運行管理

孫躍平，小泉明

(1.上海管麗建設工程有限公司，上海 201108；2.日本東京都立大學，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，可廣泛應用于洗車、綠化澆水和生產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、磷等無機污染物，需對污水處理廠實施改造,以達到高效除磷脫氮,并提高出水水質。通過對污水處理廠的SRT和A-SRT值、MLSS濃度和循環比以及二沉池負荷等運行指標進行設定并對部分處理設施實施改造，即可取得理想的出水水質。在日本東京的森崎水資源再生中心等設施中導入了循環式硝化脫氮法，取得了很好的運行效果。本文通過實際案例介紹循環式硝化脫氮法的設計及運行管理，為其他類似工程案例提供技術參考。

1 循環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 循環式硝化脫氮法的工藝特點

對于一般城市污水，經一沉池沉淀后的流入水，總氮的年平均去除率可以達到60%～70%。本方法的脫氮率受流入水水溫、流入水的氮素和有機物的濃度、缺氧池和好氧池中浮游物質的滯留時間、循環比、MLSS濃度、好氧池中溶解氧的濃度和pH等的支配和影響。因此，在決定設計目標水質時，有必要對上述設計條件進行考慮和研究。另外，如果希望達到更高的脫氮率，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)脫氮率的目標值設定在60%～70%時，生物反應池的容積將大于標準活性污泥法的曝氣池。

(2)生物反應池將被分成兩段，缺氧池需有保證維持缺氧狀態的構造。

(3)需具備使硝化液進行循環的泵設備。

(4)生物反應池內的MLSS濃度高于標準活性污泥法的值。因為提高了二沉池中流入浮游物的負荷，有必要降低設計水面負荷，并增大反應池的有效水深。

(5)循環泵和缺氧池等的設置，相應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 循環式硝化脫氮法工藝流程

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

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

2 循環式硝化脫氮法的設計方法

2.1 設計流程

采用循環式硝化脫氮法需首先按國家污水排放標準或再生水水質要求設計出水水質，并根據集水區相關資料等設計水量、進水水質和水溫等參數，通過計算確定生物反應池、循環泵等設備的設計容量、停留時間、曝氣量等參數，設計流程如圖2所示[3]。

圖2 循環式硝化脫氮法的設計程序Fig.2 Design Program of Cyclic Nitrification and Denitrification Method

2.2 主要參數的設定

(1)設計水溫、水量和水質

由于循環式硝化脫氮法的硝化細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，建議設計水溫為一年中月平均值的最低值，生物反應池的設計容量和水質參數參考冬季的相關數據，其中設計水量以冬季的日進水水量最大值為基準[4]。

(2)SRT和A-SRT

污泥停留時間(SRT)計算方法為系統中全部浮游固體質量除以一天中從污水系統中排出的浮游固體物總質量(包括剩余污泥量與處理水中的浮游物質量)。分析各類微生物的不同增殖速度來調整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，應該以控制好氧的浮游固體物質在處理系統中的滯留時間(aerobic-SRT)為準，以θXA來表示。硝化細菌的增殖速度受溫度的影響，根據試驗結果，θXA與溫度(T)的計算如式(1)[4]。

θXA=δ×20.6e(-0.062 7T)

(1)

其中：δ——進水碳氮濃度的變動修正系數，一般取1.2～1.5。

設計中θXA取值應大于式(1)的計算值。

(3)MLSS濃度和循環比

為了保證硝化細菌的含量，A-SRT盡可能取最大值，因此，MLSS濃度需高于標準活性污泥法。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，夏季由于硝化細菌增殖速率較快，可以把MLSS濃度設定在較小值。

MLSS濃度是影響反應池容量的關鍵參數。根據運行經驗，MLSS濃度為2 000～3 000 mg/L，考慮到冬季的情況，MLSS濃度的設計值建議選取3 000 mg/L[4]。

(4)好氧池和缺氧池的容積

好氧池的容積VA與進水水量Qin和污水在好氧池內的滯留時間tA有關。而tA與進水濃度、污泥的轉換率、好氧池中的活性污泥量以及θXA有關，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——進水水量，m3/d；

θXA——好氧浮游固體物的滯留時間，d；

CsBOD,in——進水溶解性BOD濃度，mg/L；

Css,in——進水SS濃度，mg/L；

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

b——SS的污泥轉換率，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，1/d；

X——MLSS濃度，mg/L。

缺氧池的容積VDN為反應池容量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——進水BOD濃度，mg/L；

LBOD/X——BOD-SS負荷[kg BOD/(kg MLSS·d-1)]，根據經驗取值為0.05～0.10 kg BOD/(kg MLSS·d-1)。

(5)脫氮速度定數

脫氮速度定數KDN[mg N/(g MLSS·h)]表示單位時間內一定濃度的活性污泥去除氮素能力的定數，其計算如式(4)。

KDN=LNOX，DX×103/(24VDN×X)

(4)

其中：LNOX，DX—循環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——循環水量，m3/d。

CNOX,DX可以根據進水中氮濃度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——循環比(常數)。

(6)曝氣量

本處理方法的曝氣量需滿足有機物的氧化、硝化脫氮、內源呼吸需求以及維持好氧池中溶解氧的濃度。有機物的氧化需氧量DB，微生物的內生呼吸所需量DE和溶解氧濃度的維持需氧量DO的計算方法與標準活性污泥法類似。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ΣD可計算出曝氣量。

(7)二沉池的負荷

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水浮游固體負荷。二沉池需保持在比標準活性污泥法低的水面積負荷，按經驗取值為15～25 m3/(m2·d)。由于細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驗取值為3.5～4.0 m[3]。

3 運行管理的注意事項

3.1 水質管理

為了保證設施的除氮效率，運行時除了日常的水質管理，還必須對缺氧池和好氧池內的水質進行定期監測，以針對水質情況判斷設施的運行狀況并及時調整。主要測定項目和取水點如表1所示[5]。

表1 水質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 反應池進水水質的調整

反應池的進水有機物濃度偏低時，會造成缺氧池內的脫氮效率低下。因此，必須對反應池的進水水質進行調整，方法主要有兩種：減少初沉池的使用數，降低初沉池內的有機物去除率；沉砂池出水直接送入生物反應池[5]。

3.3 缺氧池的氧化還原電位

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

(1)調整好氧池的供氧量，使其末端的溶解氧濃度(MLDO)不會處于較大值。

(2)在攪拌缺氧池內的脫氮液時，避免采用把大量空氣帶入水中的機械。

(3)減少循環比，盡量減少從循環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

好氧池內溶解氧濃度過低，會減慢硝化反應的速度，過高又會影響缺氧池脫氮的效果，并增加污水的處理成本。根據運行管理經驗，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，避免污泥上浮現象的發生。

本工藝生物反應池內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。過高的污泥濃度會降低二沉池內的污泥沉降性能，因此，需嚴格管理二沉池泥水界面，防止水質惡化。

3.6 現有活性污泥法處理設施的改造

針對現有活性污泥法處理設施的改造，需要注意以下幾點。

(1)為實現快速、穩定的脫氮，需在缺氧池內安裝機械攪拌裝置。

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

(3)原曝氣池改為生物反應池，需在池內造一層隔墻。

(4)為應對二沉池和生物反應池內浮渣等問題，需增設去浮渣設備，防止淤積。

(5)設置初沉池的短路水路。

(6)除了在適當位置設置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。

(7)與標準活性污泥法相比，單位處理水量的需氧量會相應增加，因此，要求增大空氣供應量。在不改變散氣裝置的前提下，需重新考慮增加供氣裝置(鼓風機等)的能力。

4 結論

本文介紹了循環式硝化脫氮法的工藝流程，歸納總結了循環式硝化脫氮法的設計程序以及運行管理的注意事項等，并討論了主要參數的設定方法。隨著經濟的發展和各種產業的不斷擴大，水環境的污染將日趨嚴重，需采用有效的處理方式達到高效脫氮、再生利用的目的。