廢水強化脫除總氮技術研究

楊冶

（鞍鋼集團工程技術有限公司，遼寧 鞍山114021）

生化法是一種比較經濟的廢水脫除總氮方法，但傳統反硝化脫除總氮去除率低，運行成本高，難以符合新的標準要求。很多行業廢水，如鋼鐵綜合廢水、市政未經過深度處理的廢水，B/C均小于0.2，可生化降解性差，由于出水標準中對總氮（TN）指標有嚴格要求（TN≤15 mg/L），若來水總氮超標，則需通過反硝化脫除總氮，但來水中BOD偏低，則需補充BOD以滿足除氮要求。為了有效去除氮氧化物，降低運行成本，鞍鋼集團工程技術有限公司結合實際工程進行了大量試驗，對降低反硝化溶解氧、反硝化反洗余氣加速排放方法和裝置進行了科研攻關，研制開發了一種無硝化液回流、溶解氧含量低、總氮去除效率高的工藝方法。

1 廢水脫除總氮工藝

1.1 工藝介紹

由于有些污水中有毒有害成分高，對反硝化菌的毒害很大，而傳統的缺氧-好氧（A-O）工藝適用于污染物含量不太高的污水，因此，在A-O生物脫氮工藝的基礎上，對缺氧-好氧工藝組合作出了調整，采用沒有硝化液回流的后置反硝化工藝，即好氧-缺氧（O-A）工藝。O-A工藝把硝化好氧反應放在第一段，降解水中的有毒有害物質并將氨氮完全硝化；把反硝化缺氧反應放在后一段，投加碳源提供電子供體，使硝酸根還原成氮氣從水中溢出，從而達到去除水中總氮的目的。

此工藝組合的最大特點是總氮去除效率高，雖然來水中BOD極低，基本無可利用碳源，需要投加甲醇、乙酸或葡萄糖等作為碳源，但省去了硝化液回流造成的損失，整體上仍降低了系統運行成本。

1.2 實施效果

采用O-A工藝脫除廢水中的總氮，經過3年多的運行調試后，得到脫除總氮的實際效果如圖1所示。由圖1可以看出，來水總氮含量為（30±5）mg/L，反硝化去除總氮能夠穩定達標，總氮去除值為（12±3）mg/L。

圖1 O-A工藝脫除廢水中總氮的實際效果Fig.1 Actual Effect of Removing Total Titrogen from Wastewater by O-A Process

2 強化脫除總氮技術研發

2.1 惰性氣體吹脫反硝化工藝段廢水溶解氧技術

由于O-A工藝硝化好氧工藝段（即曝氣生物濾池）采用曝氣提高溶解氧，后置的反硝化缺氧工藝段（即缺氧反硝化生物濾池）進水溶解氧濃度會達到7～9 mg/L，向其中投入碳源后，大部分碳源會先和溶解氧反應，造成碳源浪費（約50%），影響反硝化效果，且易造成反硝化生物濾池堵塞，導致整個生物濾池系統難以連續運行。為了提高整個生物濾池系統的反硝化效果，研究了消除后置的反硝化缺氧工藝段進水中高濃度溶解氧的方法。

2.1.1 工藝選擇及原理

加熱、投入除氧藥劑、通入惰性氣體等方法均可降低水中溶解氧，根據操作難易程度及技術經濟性，選擇采用通入氮氣氣提方法降低水中溶解氧。此方法的原理為亨利定律，即采用一種氣體介質破壞兩相平衡而建立新的氣液平衡狀態，使溶液中的某一組分由于分壓降低而解析出來，以達到分離物質的目的。試驗中，通過在后置的反硝化缺氧工藝段通入惰性氣體氮氣，降低水中氧分壓，使水中溶解氧析出變成氣態氧，從而使溶解氧含量降低。由于氮氣不可能達到100%純度，且與水也不可能完全充分接觸，通入氮氣后水中仍會存在部分溶解氧。

2.1.2 可行性研究

對硝化好氧生物濾池的出水進行充氮氣試驗，試驗結果如表1所示。

表1 硝化好氧生物濾池出水充氮氣試驗結果Table 1 Experimental Results of Nitrogen Filling in Effluent Water from Nitrification Aerobic Biofilter

由表1可以看出，硝化好氧生物濾池原水出水的溶解氧濃度為8.2 mg/L；通入氮氣后，水中溶解氧濃度快速降低；通入氮氣10 min后，水中溶解氧濃度降低至痕量。可見，通入氮氣降低水中溶解氧的方法可行。

2.1.3 現場應用效果

將氮氣吹脫反硝化工藝段廢水溶解氧技術應用于現場生產中，對通入氮氣氣提后的溶解氧和總氮指標變化情況進行研究。

（1）溶解氧變化情況

現場自制不同濾料層取樣器，向反硝化濾池中通入氮氣，10 min后記錄反硝化濾池濾料層沿程溶解氧變化情況，通氮氣前后反硝化濾池濾料層沿程溶解氧分布情況如表2所示。由表2可以看出，通入氮氣后水中溶解氧濃度下降非常明顯；吹脫10 min后，整個濾料層在距離底部1 200 mm高度已形成溶解氧小于1.0 mg/L的缺氧環境，滿足反硝化需要廢水中溶解氧濃度小于1.0 mg/L的環境要求，在1 200 mm濾料層上方可實現完全反硝化；吹脫停留時間越長，溶解氧降低越多。設計時應考慮廢水在進入濾料層之前的吹脫停留時間，使其不少于10 min，以便能將溶解氧徹底去除。同時，由于廢水連續運行，氮氣需隨著廢水的不斷進入而連續進行吹脫。

表2 通氮氣前后反硝化濾池濾料層沿程溶解氧分布情況Table 2 Distributions of Dissolved Oxygen along Filter Layers of Denitrification Filter Tank before and after Nitrogen Introduction

（2）總氮指標變化情況

通入氮氣后進出水總氮濃度變化情況如圖2所示。由圖2可以看出，系統通入氮氣后，總氮去除均值為（17±3）mg/L，在原有基礎上多去除總氮5 mg/L。由于通入氮氣對反硝化起曝氣作用，反硝化濾池堵塞板結情況得到緩解，反硝化濾池氣水聯合反洗時間由原來的每隔1天反洗一次，延長為1個月反洗一次，系統由不連續生產變為連續生產，有效防止了強烈反洗對濾板造成的破壞。

圖2 通入氮氣后進出水總氮濃度變化情況Fig.2 Changes of Total Nitrogen Concentration in Effluent after Nitrogen

2.1.4 惰性氣體吹脫反硝化工藝段廢水溶解氧技術的特點

（1）通入氮氣后可使廢水快速形成缺氧環境，滿足反硝化需要廢水中溶解氧濃度小于1mg/L的環境要求；

（2）反硝化菌在有碳源條件下反應活躍，可在原有基礎上多去除總氮5 mg/L；

（3）雖然增加了氮氣使用量，但減少了反洗電費消耗和碳源使用量，總體運行費用未增加。

2.2 反硝化生物濾池反洗余氣加速排放技術

反硝化反應也稱脫氮反應，是反硝化細菌在缺氧條件下還原硝酸鹽，釋放出分子態氮（N2）或一氧化二氮（N2O）的過程。在反硝化生物濾池的實際運行過程中，溶解氧值偏高會加劇活性污泥的內源呼吸，造成活性污泥的大量消耗，對反硝化反應不利。此外，還會導致反硝化反應過程能耗的增大，降低設備運行的經濟性。

反硝化生物濾池需在一定的使用周期內進行反沖洗，包括氣洗、氣水洗、水洗三個過程。反硝化生物濾池完成反沖洗后，濾板下方進水室會積存一定厚度的空氣層，只能通過濾頭進入濾料中慢慢排放，會造成反硝化生物濾池中溶解氧不能快速降低，影響反硝化反應的效果。因此，需要研究一種能夠在反洗后快速排出反洗過程中剩余空氣的技術，使反硝化生物濾池在最短時間內恢復反硝化功能，從而提高反硝化反應效率。

2.2.1 裝置結構及工作原理

為了實現反硝化生物濾池反洗余氣的加速排放，研制了反硝化生物濾池反洗余氣加速排放裝置，該裝置的結構如圖3所示。

圖3 反硝化生物濾池反洗余氣加速排放裝置Fig.3 Accelerated Discharge Device for Backwashing Residual Gas in Denitrification Biological Filter Tank

該裝置的工作原理為：反硝化生物濾池自下向上依次為進水室、濾料層和清水層，濾板設于進水室與濾料層之間；土建施工時，在靠近池壁一側的濾板內豎直埋設排氣管，排氣管的底部穿過濾板后伸入濾板下方進水室用于收集反洗后的余氣，排氣管的頂部向上延伸至清水層上方；排氣管與濾板安裝處設防水翼環，防水翼環與排氣管焊接后埋設在濾板中；排水管頂部設自動排氣閥，自動排氣閥與反硝化生物濾池自動控制系統連接；反硝化生物濾池反洗過程為氣洗、氣水洗、水洗，反洗后濾板下方進水室頂部積存有空氣形成空氣層；自動排氣閥處于常閉狀態，當反洗結束后通過反硝化生物濾池自動控制系統控制自動排氣閥開啟，排氣管將空氣層內的空氣收集后通過自動排氣閥直接排至大氣中，避免這部分空氣通過濾頭和濾料層緩慢釋放對反硝化反應的不利影響；濾板下方的空氣排凈后，關閉自動排氣閥。

2.2.2 反硝化生物濾池反洗余氣加速排放技術的特點

（1）與現有反硝化生物濾池反洗后依靠濾頭將系統中空氣緩慢排出相比，此技術能快速將濾板下方積存的空氣排出，使反硝化生物濾池溶解氧快速降低，系統迅速恢復正常工作狀態。

（2）裝置結構簡單，實施方便，投資少，自動化程度高。

3 實施效果

采用O-A工藝和惰性氣體吹脫反硝化工藝段廢水溶解氧、反硝化生物濾池反洗余氣加速排放兩項強化技術后，進出水總氮指標如圖4所示。

圖4 進出水總氮指標Fig.4 Total Nitrogen Indexes for Coming Water and Discharging Water

可以看出，總氮能夠穩定達標。同時，由于廢水強化脫除總氮技術在反硝化缺氧反應中通過投加碳源脫除總氮，檢測進出水COD指標見圖5，可以看出，沒有出現出水COD偏高現象，投加的碳源都被消耗掉了。

圖5 進出水COD指標Fig.5 COD Indexes for Coming Water and Discharging Water

4 經濟效益分析

采用傳統O-A工藝與強化脫除總氮技術處理廢水的經濟效益對比情況見表3。由表3看出，新增反硝化生物濾池反洗余氣加速排放裝置費用極少，土建施工費用大幅減少；同時，不考慮土建和裝置費用，以處理1 000 t/h廢水計算，可節約費用130元/h，系統運行成本顯著降低。

表3 采用傳統A-O工藝與強化脫除總氮技術處理廢水的經濟效益對比Table 3 Comparison of Economic Benefits by Traditional A-O Process and Intensive Denitrogenation Technology for Total Nitrogen in Wastewater

5 結論

（1）采用O-A（好氧-缺氧）工藝，總氮去除效率高，來水總氮為（30±5）mg/L，總氮去除值為（12±3）mg/L；應用惰性氣體吹脫反硝化工藝段廢水溶解氧技術，可使廢水快速形成缺氧環境，避免了碳源的浪費，且總氮去除值提高至（17±3）mg/L；應用反硝化生物濾池反洗余氣加速排放技術，能快速將濾板下方積存的空氣排出，使反硝化生物濾池溶解氧快速降低，系統迅速恢復正常工作狀態。

（2）應用強化脫除總氮技術處理廢水，新增反硝化生物濾池反洗余氣加速排放裝置需費用2萬元，但節約了回流造成的水池容積增加土建施工費用200萬元；同時，不考慮土建和裝置費用，以處理1 000 t/h廢水計算，可節約費用130元/h，系統運行成本顯著降低。

（3）采用O-A（好氧-缺氧）工藝與惰性氣體吹脫反硝化工藝段廢水溶解氧技術、反硝化生物濾池反洗余氣加速排放技術相結合的方式處理廢水，廢水中總氮去除效果明顯，處理后的水可達到新環保標準的外排要求，適用范圍廣、投資運行成本低、處理效果好、環保作用大，具有推廣和應用價值。