城市污水高效處理工藝的分析

喬韻青

（黃河水利出版社有限責任公司，河南 鄭州 450003）

引言

目前我國城市污水內的碳、氮含量普遍為4 mg/L，呈現典型的低污染特性，通常采用全程硝化反硝化處理方案進行污水處理，雖然能夠滿足污水處理要求，但是在處理過程工藝流程復雜、碳源消耗量大、污水中總氨去除率低，嚴重影響了污水處理效率和經濟性。

通過對污水處理過程的分析，本文提出了一種新的短程硝化反硝化污水處理工藝，對其工藝過程和最佳工作環境進行了分析驗證，實際驗證表明，新的污水處理工藝能夠將總氨去除率提高14.5%，凈化時無碳源需求，對提升城市污水處理效率和經濟性具有十分重要的意義。

1 短程硝化反硝化原理

目前城市污水處理過程中采用的是全程硝化反硝化處理工藝，在生產過程中，首先在富氧的環境下進行NH3-N→NO2--N→NO3--N轉變，然后再經過缺氧環境中進行NO3--N→NO2--N→N2，最終去除水中的氨。通過對整個硝化反硝化過程的分析，在富氧環境中將NO2--N轉變為NO3--N和在缺氧環境中將NO3--N轉變為NO2--N完全是一個相反的過程，該過程的存在不僅增加了硝化過程的工藝流程，而且也增加了在污水處理過程中碳源的需求。

結合城市污水處理的實際需求，采用新的短程反硝化處理工藝，該工藝省略了NO2--N和NO3--N相互轉變的環節，有效縮短了整個污水處理流程，減少了反應容器的容積。該處理工藝的核心是為氨氧化細菌提供一個富氧的環境，抑制亞硝態氮氧化細菌的活性，從而提高短程硝化反硝化過程[1]。在處理過程中的溶解氧分布情況對短程硝化反硝化的影響巨大，因此，本文重點對不同溶解氧分布對短程硝化反硝化過程的影響情況進行分析。

2 溶解氧對短程硝化反硝化過程影響驗證方案

為了獲取短程硝化反硝化的最佳運行環境，提高短程硝化反硝化效率和經濟性，本文提出了一種富氧/缺氧交替運行測試方案[2-3]，建立了短程硝化反硝化生物試驗池，其整體結構如圖1所示。

在該生物試驗池中，風管控制閥分別用于控制好氧前端、中端及后端的控制閥，用于對整個試驗池內好氧端的曝氣量進行控制，在生物池中設置了3個在線溶解氧儀器，用于對好氧前端、中端及后端的溶氧量進行監測，在試驗池內還設置有3個推流器，分別位于厭氧池、好氧池的前端、好氧池的終端，用于對整個試驗池內的污水進行導流，滿足連續試驗的需求。

在試驗過程中，通過對3組風管控制閥的調整，使試驗池內的反應區域在富氧和缺氧的狀態下交替運行，在氮素轉換為NO2--N后，馬上進入到缺氧環境中進行反硝化脫氮，進而提升在污水處理過程中的脫氮效率。本文設置了7組試驗條件，對最佳短程硝化反硝化條件進行驗證，各種試驗條件匯總如表1所示。

表1 短程硝化反硝化參數表

3 試驗結果分析

根據7種試驗工況，對在短程硝化反硝化過程中的氨、氮的變化情況進行分析，在反應過程中氮素的形態和亞硝態氮的變化情況如下頁圖2所示。

由圖2可知，在工況A和工況B的情況下，溶液內的NO3--N的質量濃度平均在14.1 mg/L，而此時溶液內NO2--N的平均質量濃度僅不到0.18 mg/L，溶液內亞硝態氮的占比小于1.4%，該過程是典型的全程硝化過程，對水中氨的去除率約為97.7%，對總氮的去除率低于59%。

針對以上兩種工況的情況，對溶液內的溶解氧進行了優化。在工況C的情況下，溶液中NO3--N的含量有了略微降低，NO2--N的平均質量濃度從不到0.18 mg/L上升到了0.72 mg/L，對氨氮的去除率約為96.4%，對水中總氨的去除率約為60.2%。

當在D和E工況情況下，溶液中NO3--N的質量濃度有了進一步的下降，其平均質量濃度從最初的14.1 mg/L降低到了目前的2.12 mg/L。溶液中NO2--N的質量濃度從0.83 mg/L提高到了5.64 mg/L，溶液中出水氨氮的質量濃度降低到了0.69 mg/L，溶液內總氮的質量濃度降低到了8.44 mg/L，總氮去除率約為74.5%，比在工況A情況下提升了約14.5%。

在工況F、G的情況下，可以看到雖然溶液中的總氮去除率可以繼續下降，但溶液內的氨氮質量濃度卻快速提高，最高已經達到了2.49 mg/L，已經遠遠超出了水質安全的需求，因此該工況下的溶解氧無法滿足安全過濾的需求。

通過分析可知，在工況A和工況B情況下，溶液內總氮含量較高，主要是溶液內溶解氧的含量較大，硝化反應進行得比較徹底，但由于大量溶解氧的存在，對反硝化脫氮產生了極大的抑制作用，水中的氮元素主要是以NO3--N的形式存在。但在C工況下，通過降低溶液內溶解氧的濃度，使溶液中NO3--N的濃度下降，表明降低溶解氧可以降低NOB的增長，提高總氮去除效率。在工況D和工況E的情況下，在區域II和區域III內進行缺氧工況和富氧的交替，此時亞態硝酸鹽的累積率約為66.7%，完全達到了短程硝化及反硝化的需求。在工況G和F的情況下，在區域III內的溶解氧濃度較低，導致溶液內的氨氮指標出現明顯的波動，難以滿足水體凈化的安全性需求。

4 碳源消耗情況分析

碳源是維持廢水內微生物生長繁殖所必須的，直接決定了微生物的活性，對污水處理效果的影響巨大[4-6]。在不同工況下碳源的需求情況如圖4所示。

由圖4可知，在工況E、工況F和工況G的情況下，碳源的投入量均為0。而在工況A的情況下，碳源的投入量約為600 kg。因此，采用工況E的短程硝化反硝化過程，能夠取消碳源的投入，極大地提升了污水處理效率和經濟性。

5 結論

針對城市污水處理中采用全程硝化反硝化工藝所存在的碳源消耗量大、污水中總氨去除率低的現狀，提出了一種新的短程硝化反硝化污水處理工藝。對該工藝情況的最佳應用工況進行分析，結果表明：

1）短程反硝化處理工藝省略了NO2--N和NO3--N相互轉變的環節，有效縮短了整個污水處理流程，減少了反應容器的容積。

2）采用富氧/缺氧交替運行的方案，能夠在氮素轉換為NO2--N后，馬上進入到缺氧環境中進行反硝化脫氮，進而提升在污水處理過程中的脫氮效率。

3）新的污水處理工藝能夠將總氨去除率提高14.5%，凈化時無碳源需求，對提升污水凈化效率和經濟性具有十分重要的意義。