生物脫氮系統的設計與運行

李英玲，向 坤

（萬華化學（寧波）有限公司，寧波 815312）

廢水系統中的氮元素主要以有機氮、氨氮、硝態氮的形式存在，而氮元素是微生物、植物、動物生長的必需元素，是合成蛋白質最基本的構成組分，被稱作營養素。當過量的氮元素排入受納水體時，會造成藻類等的加速生長。隨著國家對水體環境要求的逐步提升，人們對于外排廢水的總氮控制進一步加強。自2017年7月1日起，寧波某工業園外排氨氮指標要求從35 mg/L調整為5 mg/L，原指標對總氮無要求，提標后，要求外排總氮降低至40 mg/L。工業園現有一套廢水處理系統，該廢水處理系統處理后氨氮濃度小于5 mg/L，總氮濃度小于80 mg/L，廢水系統產水送往中水回用系統處理、回用。在中水回用系統反滲透裝置的作用下，產生的反滲透濃水氨氮提升至5 mg/L，總氮提升至120 mg/L，無法滿足外排要求。現階段含氮廢水的處理方式主要有生物法、化學法、物理法，基于經濟性和處理效果的考慮，采用生物法降低外排反滲透濃水中的氮含量。

1 基本原理

生物脫氮主要通過硝化作用和反硝化作用實現[1]。

硝化作用是在微生物的作用下將氨氮（NH4-N）氧化為亞硝酸鹽氮（NO2-N），亞硝酸根進一步被氧化為硝酸鹽氮（NO3-N）的過程，這一過程可以用式（1）～式（3）表示。

亞硝化菌：

硝化菌：

總氧化反應：

硝化過程中所涉及的細菌通常都是自養菌，其

圖1 生物脫氮過程中氮的轉化

根據式（4），每氧化1 g氨氮需要消耗7.14 g堿度和4.33 g氧氣。

反硝化作用是在缺氧條件、微生物的作用下將亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮還原成氣態氮（N2）的過程，這一過程可以用式（5）和式（6）表示。

對于硝酸鹽：

對于亞硝化鹽：

式（5）和式（6）中電子的供體為有機物，為微生物提供能量并被氧化穩定。根據一般規則估算，每還原1g硝酸根需要4 g BOD。

2 生物脫氮系統工藝流程

在實驗室條件下，利用反硝化工藝對反滲透濃水進行試驗處理，因反滲透濃水生化性較差，其主要表現為COD較高而BOD較低，BOD/COD低，以取樣結果計算，其BOD/COD小于0.1，為保證在反硝化過程中有足夠的有機物電子供體，以工業園副產甲醇作為其有機物來源。試驗進水水質情況如表1所示。

從水質情況看，總氮主要來源為硝酸根，實驗室中調整BOD5/TN在3～5，同時控制進水pH在7～8，溫度25～35℃，溶解氧含量小于0.5 mg/L，利用現有生化系統污泥進行馴化，馴化4 d后，厭氧污泥即可快速進行反硝化反應，在碳源足夠的情況下，TN去除率可以達到97%，試驗結果如表2所示。

表1 試驗進水水質

表2 試驗結果

根據試驗結果，選取前置反硝化工藝對反滲透濃水中的總氮進行去除，以MBR膜取代二沉池實現泥水分離，以工業園副產甲醇作為反硝化階段有機碳源，設計工藝流程如圖2所示[2]。

圖2 設計工藝流程

3 系統設計

生物脫氮系統的設計按照缺氧/好氧系統設計方法，其基本原則為根據廢水流量和特性計算好氧區硝化過程，進而計算出混合液濃度，根據缺氧區總的硝酸鹽濃度計算內回流比，選定缺氧池容積及布置，然后進行缺氧區計算驗證，確定合理的缺氧池設計結果，進而對好氧區需氧量、堿度等進行計算，最終確定生物脫氮系統設計，具體計算流程如圖3所示[3]。

圖3 生物脫氮系統設計計算流程

此次設計進水流量150 m3/h，調整后進水COD為1 200 mg/L，進水硝酸鹽濃度150 mg/L，進水氨氮濃度10 mg/L。設計出水COD為60 mg/L，出水硝酸鹽濃度30 mg/L，出水氨氮濃度小于5 mg/L。

根據現場空間及設計計算結果，設計選定各構筑物及工藝情況如下：儲水池800 m3，缺氧池1 500 m3，好氧池1300 m3，膜池80 m3[4]。

設計內回流比IR=4，設計污泥齡70 d，在30℃時，日處理總氮可達690 kg。

MBR膜選用某品牌的中空纖維膜組件。

4 運行控制關鍵因素

由于本系統主要考慮來水中硝酸鹽的去處，因此運行過程中主要關注反硝化系統的控制條件。

4.1 有機碳源

有機碳源是微生物生長和繁殖所需能量的主要來源，同時根據反硝化過程的作用機理，有機碳源作為反硝化過程的電子供體，對于反硝化過程具有至關重要的作用。一般認為當BOD/TN≥4時，可以達到理想的脫氮目的，當廢水中BOD/TN＜3時，需要額外投加碳源[5]。本系統采用副產甲醇作為額外補充碳源，通過DCS系統，根據進水BOD、TN檢測值，自動計算甲醇加入量，根據甲醇泵出口流量計，通過變頻器自動調節甲醇加入量，確保系統碳源穩定供應。

4.2 溶解氧（DO）

反硝化細菌屬于兼性細菌，需保證反硝化過程在缺氧條件下進行，即DO保持在0.5 mg/L以下。本系統中采用在線氧化還原電位（ORP）檢測儀監控系統反硝化效果和缺氧系統是否存在過量溶解氧，控制缺氧池內ORP小于-250 mV，可以確保系統具有優異的反硝化性能。

4.3 pH

在反硝化脫氮反應中會產生堿度，pH值一般總是升高的，與硝化有機體相反，pH值的變化對脫氮反應的影響較小。一般情況下，當pH值在7～8時，脫氮效率不受顯著影響。當pH低于6.0～6.5時，最終產物中N2O占優勢，當pH大于8時，會出現NO2

-的積累。為控制生化系統的pH，確保生化反應在適宜的pH范圍內進行，在好氧段設置有在線pH計，信號引入DCS系統中，在好氧段入口設置pH調節系統，通過加入酸、堿調節好氧段pH在7.5～8.0，酸堿加藥管線上設置調節閥，加入量根據pH顯示值分段自動調整。

4.4 溫度

溫度對于脫氮處理工藝具有較為顯著的影響，對于反硝化過程，最適宜的溫度為20～35℃，當溫度低于15℃時，反硝化速率明顯下降，當溫度低于5℃時，雖然反硝化反應能夠進行，但是速率極低。

圖4 pH對反硝化速率的影響

5 結論

通過對目前反滲透濃水水質的分析，與提標后的排放指標進行對標，差距主要存在于硝態氮的脫出。根據實驗室研究、試驗，利用生化法的反硝化可以對硝態氮有良好的脫除作用。根據設計計算，利用外加副產甲醇作為有機碳源，將BOD/TN調整為4，并嚴格控制缺氧段ORP、pH、溫度等條件，可以將來水中的總氮脫除至40 mg/L，硝酸鹽的脫除率可以達到95%。