反硝化脫氮在污水深度處理的運行控制要點

文_趙衛芳 北京藍源恒基環?？萍加邢薰?/p>

為了緩解和控制水體的富營養化，部分省市制定了越來越嚴格的地方排放標準，有些地區要求城鎮污水處理廠出水執行地表水準Ⅳ類標準，即總氮小于10mg/L，工程實踐表明，大部分污水處理廠均不能達到這一要求。因此，實現出水總氮達標成為城鎮污水處理廠亟待解決的難題。

1 脫氮技術原理簡介

生物脫氮包括氨化反應、硝化反應、反硝化反應三個過程，經過了氨化和硝化反應，可實現氨氮的去除，根據硝化菌對環境變化敏感、世代周期長（硝化菌增殖速率很小，最大比生長速率為0.3～0.5d-1）的特點，要保證硝化反應的進行必須滿足硝化菌所需的環境條件（DO≥2mg/L、pH8.0～8.4、總堿度＞70mg/L、BOD＜20mg/L、溫度20～30℃、污泥齡10～20d）。對于不含高濃度重金屬、高濃度NH4+-N、高濃度有機物以及絡合陽離子等對硝化反應產生抑制作用物質的污水來講，硝化反應條件的控制比較容易，因此保證城鎮污水處理廠出水氨氮達標并不困難。事實證明，污水處理廠出水總氮超標的原因在于硝酸鹽氮濃度過高，反硝化反應未充分進行。

生物反硝化是硝酸鹽氮（NO3--N）和亞硝酸鹽氮（NO2--N）在反硝化菌的作用下，被還原成氣態氮（N2）排出水體的過程，這一過程主要進行異化反硝化反應，有機物作為電子供體，硝酸鹽氮作為電子受體被還原，氮由正五價（或正三價）轉化成零價（氣態氮）。反硝化菌屬于異養型兼性厭氧菌，增殖速度比硝化菌快得多，控制反硝化反應進行應滿足的環境條件包括：BOD/TN＞4，pH=6.5～7.5，DO＜0.5mg/L，T=20～40℃。

2 前置反硝化與硝化-反硝化的選擇及優缺點

將反硝化反應池置于硝化反應池之前（又稱“ANO工藝”），稱為前置反硝化，是目前采用比較廣泛的脫氮工藝，該工藝組合設置的優點有：

①充分利用來水中的有機物給反硝化反應提供電子供體，減少甚至避免了碳源的補充。

②前端反硝化消耗了一部分有機物，減少了后續硝化池的有機負荷，有利于硝化菌在污水中成為優勢菌種，為硝化反應創造了有利條件。

③反硝化反應產生堿度，而硝化反應需要堿度（反硝化產生的堿度可補充硝化反應消耗的一半左右），反硝化后的污水堿度提高，進入好氧池后，促進了硝化反應的進行。

然而該系統設置也存在一定的弊端，主要體現在：

①ANO工藝的出水為硝化反應出水，出水中仍含有部分硝酸鹽，到最后出水總氮不會降到很低的水平。

②系統需要設置內回流（即硝化液回流）系統，增加了動力消耗，從而導致運行成本增加?；亓髦练聪趸氐南趸簛碜院醚醭兀鋽y帶的溶解氧會破壞反硝化池的缺氧環境，對反硝化反產生不利影響。

③由于參與硝化與反硝化反應的生物菌群特性不同，其對環境要求（有機物濃度、堿度、溶解氧、污泥齡）呈現出相反的狀態，前置反硝化工藝的設置，利用這兩大菌群的特點解決了部分矛盾，但仍存在部分缺陷。

④對于脫氮系統的設計，前置反硝化并不適用于所有污水，生活污水處理大多采用該方式。在工業廢水深度處理脫氮的實踐中，還需分析進水水質的特點確定是否采用該工藝。

綜上，對于含高氨氮、低BOD的廢水來講，前置反硝化已變得無意義，該情況適合將反硝化池后置。

3 碳源的選擇及投加量計算

3.1 碳源的選擇

經二級處理后的污水C/N低，成為反硝化進行的主要限制因素，這使得外加碳源變得十分必要。目前應用較多的外加碳源有：甲醇、乙酸鈉、乙酸、葡萄糖等。

甲醇作為碳源的優勢在于，它被分解后的產物為CO2和H2O，不產生任何難降解的中間產物，且反硝化反應速率高，具有投加效率高、二次污染少的特點。但由于其屬于易燃、易爆物質（閃點11℃、沸點64.7℃），火災危險性為甲類，導致甲醇投加間建筑物消防設計及驗收較為嚴格，其儲存也需報當地公安部門備案審批，手續繁雜。同時，甲醇對人體有劇毒作用，運行安全性較差。

乙酸的熔點為16.6℃（289.6K），閃點39℃，屬于乙類危險物品，由于乙酸熔點高，在低于熔點時會凍結成冰狀晶體，因此不適合在北方地區使用。

葡萄糖具有對人體毒害性低、安全性高、易于取得等優點，在污水處理廠調試運行階段作為微生物馴化培養的營養物質被廣泛采用。但由于工業葡萄糖雜質含量高，使得其投加準確性差、污泥產量大，導致勞動強度較大，不適用于大中型污水處理廠。

乙酸鈉屬于小分子有機酸鹽，易于被微生物利用，脫氮效果較好，對人體無毒害作用，安全性高。乙酸鈉作為碳源材料取得方便，如果運輸距離較短，可采用溶解后的乙酸鈉溶液（含量多為20%、25%、30%）；如果污水處理廠距離原料供應地較遠，可采購固體乙酸鈉，一般為25kg袋裝三水醋酸鈉（含量58%～60%），乙酸鈉易溶于水（20℃時溶解度172g/L），可根據現場溶藥箱、加藥泵選型及投加量要求配置成所需濃度。

經過上述比較可知，乙酸鈉應作為污水處理站反硝化脫氮碳源的首選。

3.2 碳源投加量的計算

根據反硝化反應進行的理論方程式，可以得出下表數據。

表1 不同碳源對應的有機物含量

乙酸鈉 0.78 0.52 5.0:1（無水）6.8:1（三水）葡萄糖 1.06 0.8

4 硝化液回流比的控制

內回流比與總氮去除率的關系為R=ηTN/（1-ηTN），（R代表硝化液回流比，ηTN代表總氮去除率），硝化液回流比不但影響脫氮效果，也會影響系統的動力消耗。城鎮污水一般設置硝化液回流比為100%～400%，工程實踐表明，當回流比高于200%后，脫氮率會提高較慢，因此，最終脫氮率很難達到90%。另外，硝化液回流量越大，對進水的稀釋程度也越大，會造成C/N比的降低，因此，在回流比增加的同時，要保證脫氮效果，也需對應提高碳源的投加量。

在工藝設計過程中，系統進水和碳源投加點的設置需重點考慮，尤其是系統分組較多（≥4組）時，采用總進水管（渠）進水，閘門或管道分開進入各組池體時，要確保碳源和硝化液充分混合，并均勻進入各反應池內，避免發生短路和分配不均、碳源和回流硝化液不能有效混合的情況。

5 結語

反硝化脫氮系統運行控制需根據硝化菌、反硝化菌的生長特性保證適合其生長的環境條件，主要包括溫度、pH/堿度、DO、有機物濃度等。

在管道設計過程中需要重點考慮ANO工藝中進水補充碳源和回流硝化液的有效混合，避免斷流和進入各組池體的水量分布不均。

反硝化前置工藝適用于城鎮生活污水的深度脫氮處理，但對于一些高氨氮低有機物的工業水回用并不適用，實踐中需分析實際進水水質選擇合適的工藝。

但是，并不是硝化液回流比設置越高總氮去除率越高，高于200%的回流比對總氮去除率的提高并不明顯，一方面增加了水廠的運行電耗，另一方面也對反硝化池的缺氧環境沖擊較大。

補充碳源投加的藥劑消耗成本在污水處理系統總運行成本中占比較大，選擇合適的碳源并較準確地計算投加量可節約水廠的一大部分運行成本。