新建污水處理廠低進水有機物的脫氮工藝

潘鄭妍

(廈門水務中環污水處理有限公司，福建 廈門 361000)

0 引言

目前，我國南方地區進水水質大部分存在BOD5＜100 mg/L的情況。新建污水處理廠進水有機污染物偏低的情況尤為嚴重。污水處理廠建設前期，規劃設計的進水管道需為遠期規模擴建考慮。在新建污水處理廠時，敷設的進水主干管的管徑及管長均較大，這對進廠的污水進水水質影響極大。由于污水處理廠新建初期，外部污水收集管網未完善，污水收集量不足設計負荷70%，污水在管網內流速較慢，停留時間較長，導致有機污染物在管道內進一步削減，形成高氮磷，低有機負荷的進水水質。因此，針對低有機污染負荷且高氮高磷的進水水質需進一步研究探索[1]。

1 生物脫氮的基本原理

生物脫氮的基本原理如圖1所示。生物脫氮過程[2-3]包含三種作用。

圖1 生物脫氮的基本原理

1.1 氨化作用

有機氮化合物被分解、轉化為氨氮的過程稱為氨化作用，也稱為礦化作用。氨化反應無論在好氧還是厭氧，中性還是酸性或者堿性的環境中都能進行，只是參與反應的微生物種類不同。在好氧條件下，主要有兩種降解方式，一是在氧化酶催化下的氧化脫氨生產氨、脂肪酸或酮酸；另一些是在水解酶的催化作用下水解脫氨反應生成氨、羥基酸、醇。在厭氧或缺氧的條件下，則由厭氧和兼性厭氧菌對有機氮化合物進行還原脫氨、水解脫氨、以及脫水脫氨的氨化反應。

1.2 硝化作用

硝化作用是指將NH3-N氧化為NOX--N的生物化學反應，這個過程由亞硝酸菌和硝酸菌共同完成，包括亞硝化反應和硝化反應兩個階段，此階段會產生大量的氫離子，導致水體pH下降。硝化菌是化能自養菌，繁殖增長時不需要有機營養物質，從無機物的氧化中獲得能量。在硝化反應的過程中，同時進行硝化細菌的生長繁殖。

1.3 反硝化作用

反硝化反應是由異養型微生物在缺氧或厭氧(DO＜0.5 mg/L)條件下，利用硝酸鹽或亞硝酸鹽還原成氣態N2或N2O的過程。如果溶解氧較高，反硝化菌將利用氧進行呼吸，抑制反硝化菌體內的硝酸鹽還原酶的合成，或者氧成電子受體，阻礙硝酸鹽還原。

2 活性污泥的培養

好氧顆粒污泥是20世紀末研究發現的一種用于廢水處理的新型微生物聚集體，由于其結構復雜，能夠在同一個顆粒內同時保存多種氧環境與營養環境，為各種微生物提供良好的生長環境，因而具有多種代謝活性[4]，是污水處理工藝的主體，是脫氮工藝的基礎。但在新建污水處理廠啟動初期，受進水條件影響，微生物的自生培養較為困難，一般采用接種培養。接種時考慮兩種不同類型的污泥進行投放，一種是離心脫水后的濕污泥，一種是濃縮池內的剩余污泥。但通過實驗，離心脫水后的濕污泥因污泥脫水時添加了化學藥劑，已基本破壞了污泥的活性，污泥培養無法完成。而濃縮池內的剩余污泥因污泥活性尚未被破壞，污泥培養效果很好。但因濃縮池內的剩余污泥因含水率較高，需要投加的污泥量較大，所需成本較高，因此在選擇時可選用距離較近且進水水質相似的城市污水處理廠進行抽取，從而盡快完成污泥培養[2]。

3 影響脫氮的主要因素

眾所周知，影響脫氮效果的主要因素有溶解氧、pH、污泥泥齡、碳源和溫度等等。但是，由于新建污水處理廠進水有機負荷偏低且運行初期進水流量較小，并不能完全參照大部分污水處理運行工藝的控制參數進行工藝調控。本次以澳頭污水處理廠為例，該廠設計規模為1萬m3/d，污水處理工藝采用多模式AAO 鼓風曝氣二級生化處理＋高效沉淀除磷及纖維轉盤過濾深度處理工藝。通水運行初期，該廠進水BOD5濃度約為25 mg/L，進水總氮約為30 mg/L，進水總磷約為3.5 mg/L，日均處理量約為1500～3000 m3。進水水質碳氮比失衡較為嚴重，因此補充外部碳源是必須的，但是補充外部碳源并不能完全實現達標排放。為了提高脫氮效果實現達標排放，針對影響脫氮效果的幾個因素分別進行了控制摸索，發現以下三個因素對脫氮工藝具有較大的影響[1]。

3.1 氣水比和溶解氧的控制

啟動初期，在相同進水條件和污泥濃度的情況下，通過調整不同的氣水比，對脫氮效果進行了對比，具體如表1所示。

表1 脫氮效果對比

由表1可見，當氣水比增加時，總氮去除率相應增加，當氣水比下降時，總氮去除率則隨之下降。主要原因為當氣水比較低時，污泥活性較弱，污泥顏色呈黑褐色，硝化及反硝化反應速率較慢，無法完全進行脫氮。因此，在新建污水處理廠運行初期，要提高脫氮效果，是需要將氣水比維持在較高水平。但維持較高的氣水比會導致生化池出水端溶解氧過高，內回流及外回流帶入的溶解氧較多，破壞缺氧環境而影響除磷及脫氮的效果。與環境相比，污泥的活性更為重要[4]。

3.2 污泥濃度的控制

活性污泥是污水處理的第一要素，對脫氮來說尤為重要。通過以下幾組數據對比，可以發現較高的污泥濃度對總氮的去除效果顯著，具體如表2所示。

表2 污泥濃度對總氮的去除效果對比

從表2數據可以看出，當污泥濃度較低時，并不能使總氮達到排放標準，隨著污泥濃度升高，總氮除去率逐步提高。因此，維持較高的污泥濃度，可提高總氮的去除效果。但維持較高污泥濃度又會使水體里磷酸鹽濃度較高，出水懸浮物上升，從而使得化學除磷的藥耗提高[5]。

3.3 水力負荷

新的污水處理廠因外部管網未完善，日處理量較低，污水在生化系統內停留時間較長，脫氮的控制相對較為容易，通過增大碳源投加量，增大回流比等措施可以實現出水總氮達標排放。但隨著外部管網的完善，污水收集量增大，污水廠日處理量逐漸達到設計負荷，污水在系統內停留時間縮短，脫氮難度增大。因此，要滿足脫氮效果，控制水力負荷是重要措施之一。

4 結語

除了以上三種影響因素，影響總氮的去除效果的因素還有很多，如碳源投加量、內外回流比、污泥泥齡等等。由于脫氮理論研究的深入，新工藝層出不窮，采用各種工藝組合使用可以達到更好的處理效果。實踐證明，在后期穩定運行的工藝調控過程中，當污泥活性良好時，針對進水有機污染物濃度較低，總磷總氮濃度不低的條件下，為避免COD過多浪費消耗，可將生化池出水溶解氧盡可能維持較低水平(≤1 mg/L)，并維持較高的污泥濃度(約7000 mg/L)，同時控制生化池水力負荷，盡可能地延長停留時間，微調內外回流比，即可實現出水達標排放。