自養反硝化技術在工業污水處理廠的應用

黃義成，萬 強，徐立君，崔錦華，鄔傳軍，劉 勇

(1. 天津臨港勝科水務有限公司，天津 300452；2. 江蘇瑞中建設工程有限公司，連云港 222061)

隨著國家對污水處理標準的不斷提高，污水處理廠對出水總氮、化學需氧量(COD)、總磷等排放指標的要求必須更為嚴格[1]．目前城鎮或工業污水處理廠的污水經過二級生化處理后，仍含有較高濃度的總氮，無法滿足排放標準．生物反硝化技術因其高效和低成本的特點被廣泛應用于深度脫氮領域[2]．

目前，污水的深度生物脫氮技術主要有異養反硝化技術和自養反硝化技術．異養反硝化過程需要有機物為反硝化細菌提供電子供體，反硝化濾池中的填料自身并沒有脫氮功能，通常需要額外投加碳源(常用的碳源有乙酸鈉、甲醇、乙醇、葡萄糖等)為反硝化過程提供電子供體，這便導致運行成本過高且運行不穩定，容易造成出水的COD超標[3]．自養反硝化過程是自養反硝化細菌利用無機碳作為碳源，以無機物等)作為硝酸鹽氮(硝氮)還原的電子供體，將水中的硝氮還原為氮氣[4-5]．目前研究的自養反硝化過程有硫自養反硝化、鐵自養反硝化和氫自養反硝化[6]．由于自養反硝化過程不需要額外投加碳源，因此運行成本低并且可以避免由于碳源投加過量造成的出水COD超標．

天津臨港勝科水務有限公司污水處理廠設計規模為10000m3/d，運行工藝流程為：均質調節→水解酸化→A/O工藝→沉淀池→高密度沉淀池→反硝化→臭氧催化氧化→外排．根據天津市地方標準DB 12/599—2015《城鎮污水處理廠污染物排放標準》，該廠執行A類標準，其中出水總氮標準由15mg/L降低到10mg/L，出水COD標準由60mg/L降低到30mg/L．為使出水水質達標，該廠于2017年進行提標改造工程，對處理的廢水在到達排水口之前進行深度脫氮處理，具體措施是在排水口前端新建1 個異養反硝化生物濾池和1 個臭氧催化氧化池．經過3年的連續運行后，由于脫氮負荷提高，濾池開始出現頻繁反洗的情況，嚴重影響了污水廠的處理效率與處理水量．同時，受污水廠進水總氮負荷波動的影響，異養反硝化生物濾池的加藥量無法實現精確控制，投加碳源藥劑既耗費了運行人員大量的精力，又容易投加過量，造成出水COD超標．

為突破運行瓶頸，減少改造投資，通過多種技術咨詢與比選，最終采用自養反硝化技術進行深度脫氮處理．為此，在實驗室小試試驗的基礎上進行生產性中試試驗，試驗規模2000m3/d，并且為該中試試驗項目開發了一套與之匹配的PLC自控系統，使之實現自動化控制，可以更及時有效地控制系統，降低運行風險，提高運行效率．

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置及進水水質

1.1.1 小試反應器裝置

小試反應器裝置示意圖如圖1所示．該反應器為亞克力材質，底座高0.30m，反應器高0.80m，內徑為0.10m，承托層為鵝卵石和石英砂，填充高度均為0.05m，填料高度為0.30m，進出水方式為上進下出．試驗所用填料是一種以硫和鐵為主要成分的復合活性生物載體．該填料質地均勻，粒徑約為4mm，密度為1.24g/cm3，具有高生物持有量、長程電子傳遞等特征．

圖1 小試反應器示意圖Fig. 1 Schematic diagram of small test reactor

1.1.2 中試裝置

中試裝置(圖2)利用現有的閑置池體進行設計改造，池體容積為480m3，有效高度6.00m．將該閑置池體改造成一套處理量為2000m3/d的自養反硝化濾池系統，該系統包括高密度沉淀池、反硝化濾池和反洗清水池．濾池分為3個，相互平行，每個濾池底面尺寸為3.90m×2.90m，有效高度6.00m．承托層填料依次為濾磚、鵝卵石、石英砂，填充高度分別為0.20、0.40、0.20m，承托層上面的填料濾層高度為1.95m．進出水方式為上進下出．高密度沉淀池分為2格，其中快慢混攪拌區尺寸為 3.90m×2.00m，刮泥沉淀區尺寸為3.90m×3.90m．反洗清水池為1格，尺寸為3.90m×4.35m．

圖2 中試裝置結構示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the pilot plant structure

中試裝置的進水引自沉淀池的出水，由2個變頻臥式離心泵調節總進水，廢水經高密度沉淀池混凝沉淀后，排入3個相互平行的自養反硝化濾池，經脫氮硫桿菌脫氮后排入反洗清水池，反洗清水池的水質經檢測符合處理標準后排入后端污水處理系統．反洗清水池的液位由1 個變頻潛水泵調節，在常規模式運行時維持1 個恒液位，隨時滿足系統反洗水量的要求．

1.1.3 試驗進水水質

小試與中試濾池的進水均取自高密度沉淀池出水，其水質特征見表1．

表1 進水水質特征Tab. 1 Water quality characteristics of the influent

1.2 濾池的啟動

1.2.1 小試反應器的啟動

關閉小試反應器的出水閥與反沖洗進氣閥，向反應器中加入缺氧池的泥水混合物0.50L，污泥質量濃度約為16g/L．取高密度沉淀池出水作為小試反應器的進水，打開進出水閥門，經過1個空床停留時間(HRT)，將閥門同時關閉，靜置12h后開啟進出水．反應器啟動進水后HRT由6h不斷降低，同時保證硝氮去除率在85%以上，馴化期持續7d左右．

1.2.2 中試濾池的啟動

濾池啟動運行之前要進行系統聯動調試，包括氣水分配調試以及風機、水泵、閥門等單體調試，保證系統出水滿足設計要求．調試完成之后進行濾池污泥接種，將缺氧池的泥水混合物均勻地噴灑至濾池內，每個濾池接種污泥量約8m3，同時打開進出水閥門，經過1個HRT后，將閥門同時關閉，靜置24h后開啟中試濾池進水．

1.3 PLC自控系統

PLC自控系統利用SIEMENS公司的S7–1200型可編程控制器進行編程，所有現場信號均引至中控室，在上位機制作工藝流程圖組態[7]．此套PLC自控系統控制邏輯主要包含恒液位控制系統、氮氣釋放控制系統、氣水聯合反洗控制系統、加藥控制系統4個部分．

通過控制出水閥門的開度控制反硝化濾池的液位恒定，設定超高液位、高液位、恒液位、低液位、超低液位．高液位和超高液位會觸發氮氣釋放控制系統和氣水聯合反洗控制系統．氣水聯合反洗流程包括降液位、氣洗、氣水混合洗、水洗和排水，并設置反洗一鍵啟動．調整濾池的恒液位，盡量降低溢流堰到濾池的水位落差，避免由于水位落差過大增加進水溶解氧(DO)，從而造成填料不必要的損耗．實時檢測反硝化系統進水水質的硝氮、pH、DO等指標，通過加藥控制系統及時調控進水水質，使系統的脫氮效率穩定在一個較高水平．低液位和超低液位會觸發反硝化濾池排水閥門和清水池排水泵的關停．

2 結果與討論

2.1 小試結果

2.1.1 不同HRT的脫氮效果

小試反應器在完成啟動后，HRT已經達到1h左右，為探究不同HRT下硫鐵自養反硝化對廢水脫氮效果的影響，在同樣進水水質的條件下，繼續降低HRT，試驗結果如圖3所示．該試驗在冬季進行，使用加熱棒控制進水溫度穩定在30℃．由圖3結果可以看出，在HRT大于0.6h時，硝氮的去除率可以穩定達到85%以上，隨著HRT縮短，反應器的脫氮效果會逐漸降低，因此在應用時考慮HRT應不低于0.6h．

圖3 HRT對脫氮的影響Fig. 3 Influence of HRT on nitrogen removal

2.1.2 不同溫度的脫氮效果

溫度是反應過程中的重要控制指標，它會影響硫鐵自養反硝化菌群體內的功能酶活性．為驗證該工藝能適應不同季節氣溫下的運行需求，本試驗探究了小試反應器在10℃(代表冬季溫度)、20℃(代表春、秋季溫度)、30℃(代表夏季溫度)等不同溫度下的脫氮效果，HRT控制在1h左右．該小試試驗是在冬季進行的，室溫在10℃左右，通過控制加熱棒使得水溫達到試驗所需溫度條件，實驗結果如圖4所示．圖4結果表明：當溫度高于20℃時，硝氮的去除率可達到75%以上；在35℃時，該反應器仍有較高脫氮效果；當溫度低于20℃時，反應器的脫氮效果急劇降低，這是由于低溫對脫氮硫桿菌的活性產生了抑制作用[8]．張晨曉等[9]對硫自養反硝化反應器的研究表明，在溫度為30～35℃時，硝酸鹽的去除率最高，可達90%．查閱往年冬季的污水處理系統水溫數據可知，全年最低溫度為18～19℃，約2～4d，此時運行人員會降低系統負荷來保障出水水質．高密度沉淀池出水的硝氮質量濃度在10mg/L左右，70%的脫氮效率可以滿足出水要求，因此該工藝可以用于污水處理廠的深度脫氮處理．

圖4 溫度對脫氮的影響Fig. 4 Influence of temperature on nitrogen removal

2.1.3 填料消耗

填料消耗從小試反應器馴化完成后開始統計，試驗階段處理水量共計7.52m3，處理硝氮共計0.07kg，填料消耗高度3.52cm，折合質量約0.33kg，平均處理1kg 硝氮消耗填料為4.71kg．經過45d連續進水，硝氮去除率仍穩定在85%以上．Torrentó等的研究[10]表明，在系統溫度為(28±2)℃，進水硝氮濃度為2.5mmol/L時，黃鐵礦粒徑變小會提高脫氮效率．這是由于填料粒徑越小，顆粒與廢水的接觸面積越大，傳質速率越高．

2.2 中試脫氮效果

中試期間系統水溫在(30±2)℃，中試設備調試完成后，進入污泥連續馴化培養階段，歷時20d，HRT由6h不斷調整降低至0.6h，隨后進入穩定運行階段，持續30d．不同階段的脫氮效果如圖5所示．由圖5可知：在連續馴化培養階段，硝氮的平均去除率高達87.7%，硝氮去除率最高可達96.9%；隨著HRT的逐漸縮短，硝氮去除率并沒有出現明顯降低，這是由于反硝化污泥逐漸增多并適應系統環境．經過20d的污泥馴化培養，HRT在0.6h時，3個濾池對廢水中硝氮的平均去除率超過85%，對總氮的去除率在75%以上．

圖5 中試脫氮效果Fig. 5 Nitrogen removal effect of pilot plant

中試試驗持續50d，3個濾池中填料平均下降高度0.086m，填料消耗共計3618.29kg，去除硝氮873.22kg，平均處理1kg 硝氮消耗填料為4.14kg.中試階段填料平均消耗量低于小試階段，是由于試驗時間跨度短，填料消耗量低，并且受濾池中反硝化污泥積累的影響所致．

2.3 中試出水pH變化

中試試驗第20天至第50天的進出水pH及硝氮質量濃度變化如圖6所示．

圖6 進出水pH與硝氮質量濃度的變化Fig. 6 Changes of pH and nitrate nitrogen mass concentrations of inlet and outlet water

結果可見，在投加燒堿之前，濾池出水的pH除了受進水pH影響外，還與進水硝氮濃度有關，進水硝氮濃度越高，出水pH越低，試驗期間濾池出水最低pH達到了5.8，低于排水標準6．這是因為硫自養反硝化的過程為產酸反應，隨著反應進行，系統脫氮負荷越高，積累的H+越多，pH也會越低[11]，而脫氮硫桿菌的最適生長pH為6.5～7.0[12]．因此，第38天時利用加藥系統在反硝化濾池的進水端投加燒堿，調節進水的pH在8左右．投加燒堿后，出水pH的波動變小，平均值由6.2提高到6.6．在實際運行過程中，通過PLC自控系統時刻監控調節進水水質，使進水水質穩定以保障系統的脫氮效率．

維持系統所需的pH，除了調節進水pH外，也可在系統中加入堿性緩沖物質，如碳酸氫鈉、石灰石、雞蛋殼等[13]．

2.4 PLC自控系統的調試

經過調整優化，上位機的流程圖畫面如圖7所示．畫面包含整個自養反硝化系統的管道流程示意圖、進出水水質在線檢測結果的顯示，濾池狀態動畫顯示及文字說明、閥門和水泵等設備狀態動畫顯示．

圖7 中控室上位機流程圖畫面Fig. 7 Flowchart screen of the upper computer in the control room

3個濾池的排水量由出水調節閥控制，使濾池內的液位保持恒定．經過調試，3 個濾池的恒液位高度(距池底)均控制為5.65m，液面距溢流堰0.10m，高液位設置為5.95m，超高液位設置為6.00m．反洗清水池的排水量由1 個變頻泵調節控制，清水池的恒液位維持在4.50m，可以滿足濾池氮氣釋放及反洗時的所需水量．

常規運行模式下，氮氣釋放頻率每天2次，每次4min，高液位時延長釋放時間2min．氣水聯合反洗頻率每周1次，共8min，包括氣洗2min、氣水混合洗3min、水洗3min．反洗時間和反洗水泵的頻率均可根據濾池的狀態進行調整．加藥系統可根據濾池進水在線儀器檢測的水質情況進行實時調節．通過PLC自控系統，該套自養反硝化濾池實現了自動化運行控制．與傳統的異養反硝化系統相比，該套自養反硝化濾池系統避免了人工加藥的不穩定性，降低了出水COD超標的風險．

3 結 語

基于污水處理廠對廢水深度脫氮的需求，采用硫鐵自養反硝化技術進行廢水深度脫氮處理．小試結果表明硫鐵自養反硝化的脫氮效率受運行溫度與HRT的影響較大，反硝化的系統溫度不宜低于20℃，HRT不宜低于0.6h．通過2000m3/d的中試試驗考察了自養反硝化技術在工業污水處理廠實際應用時的脫氮性能及運行效果，為工業污水處理廠尾水的深度脫氮提供一定的理論基礎及實用經驗．開發了針對硫鐵自養反硝化的PLC自控系統，基本實現全自動化控制，可以更及時有效地控制系統負荷，降低運行風險，提高運行效率．與傳統的異養反硝化相比，該技術脫氮效果穩定，無需額外投加碳源，無出水COD超標的風險；但自養反硝化受低溫影響較大，因此冬季時需要注意控制反硝化系統的運行溫度與脫氮負荷．