生物脫氮技術在城市污水處理中的應用及工藝優化

張海軍，王榮鋼，楊大衛，康彥濤，邢浩然

(中國電子工程設計院有限公司，北京 100142)

隨著改革開放帶來的經濟發展和城鎮化建設，我國居民生活水平有了明顯的改善，伴隨城鎮化進程不斷推進隨之而來的問題就是許多城市的污水、排水設備和設施不夠完善，導致當地的水污染情況嚴重。城市的生活廢水中含有大量的氮、磷有機物，會造成水體的富營養化。水體的富營養化會使水中的藻類植物過度生長，使得水中的生物缺氧導致死亡。另一方面，當這些富營養化的水再次利用的時候也會因為水體富營養化促進儲水設備中的微生物繁殖，造成微生物腐蝕，導致堵塞輸水管道和儲水設備，還會影響熱效率。因此，目前亟待解決的問題就是如何經濟、有效地降低污水中的氮、磷等有機物。在對廢水進行脫氮處理方面，有傳統的物化脫氮法，還有生物脫氮處理技術。傳統的物化脫氮處理方法起效快，作用時間短，脫氮率高；但缺點是工業成本較高，而且還會對水體造成再次污染。生物脫氮法因為其低成本和無二次污染，被認為是目前廢水脫氮處理的最有發展前途的方法。本文擬采用生物脫氮處理技術中的A/O工藝法處理廢水廠污水，在反硝化系統中確保一定數量的微生物接種，使得厭氧池中的厭氧菌可以達到最佳狀態來獲得更好的脫氮除磷效果。采用A/O工藝的處理方法不僅可以提升脫氮除磷的效率，同時還減少一套回流系統以減少處理成本。

1 生物脫氮法處理污水處理廠的廢水

1.1 污水處理廠污水的來源與成分

城市生活污水指的是在整個城鎮范圍內的生活污水，工程廢水和地表污染水。生活污水的源頭主要是由城鎮居民家庭，以及企業單位、大型商場、初高中和普通高校等等用水。城鎮生活污水的主要污染源包括有機、無機污染物，以及病毒和細菌。因為經濟、科技的快速發展使得我國的工業也有了翻天覆地變化，這也導致工廠企業廢水的總量越來越大，廢水成分越來越復雜，處理起來也越來越困難。所以，污水處理一直被國家所重視，還對我國的中大型污水處理廠的排放標準作出了明確的規定，具體如表1所示。

表1 污水處理廠排入地表水體的水污染物排放限值Tab.1 Discharge limits of water pollutants discharged into surface water bodies from sewage treatment plants

廢水中氮、磷含量超標會造成水體的富營養化，導致水中溶解氧的濃度過低，造成赤潮現象和水體的黑臭現象。簡單的生物法脫氮技術已經不能有效地解決赤潮現象和水體黑臭，所以必須發展無機物和有機物共同去除的生物處理技術，即對廢水處理廠的廢水進行硝化處理和反硝化處理。隨著廢水處理技術的不斷發展，現在已經研究出了很多種廢水脫氮辦法，可以更好地解決廢水中氮磷含量超標的問題。在污水處理廠處理廢水時,選擇合適的脫氮除磷技術可以更好地降低工業成本。

1.2 根據污水處理廠污水特點選取生物填料

各地的污水處理廠一般都處在城市的邊緣，隨著城鎮化的不斷推進和工業的發展，自來水用量的增加，生活污水也不斷地增加，傳統的污水處理廠的廢水處理技術已經不能滿足現有的城市規劃需求和生態環境需求。因此，必須要對傳統的污水處理技術進行升級。本文在傳統生物處理技術的基礎上，結合現階段污水處理廠廢水現狀，提出了一種新的脫氮除磷效果更好廢水處理技術。工程造價相對低，結合污水處理廠的實際情況，實現了污水的二次利用。

本文對污水處理廠的初步改造工作是采用卡魯塞爾氧化溝技術。因為每天城市所產生的污水量很大，而且每天的廢水質量也有很大的波動，特別是當氮的含量較高時，系統沒辦法正常的運行，所以必須對廢水進行水質處理。新工藝下的水質指標如表2所示。

表2 污水處理廠進出水水質設計指標Tab.2 Design indexes of water quality of inlet and outlet of sewage treatment plant mg/L

1.3 生物法脫氮技術

生物法脫氮技術就是在微生物的作用下，通過復雜的氧化-還原反應將廢水中的有機氨氮轉化為氮氣的過程。本文中采用的生物法脫氮技術流程如圖1所示。

圖1 生物法脫氮技術處理工藝Fig.1 Treatment process of biological denitrification technology

圖2為本文改進后的生物脫氮技術工藝流程。

圖2 改進生物脫氮技術工藝流程Fig.2 Improved process flow of biological denitrification technology

由圖2可知，改進后的工藝分別為硝化細菌和反硝化細菌提供了合適的反應條件，減少了2種細菌在反應條件上產生沖突的情況，提高了生物脫氮技術的脫氮除磷效率。從圖2還可以看出，虛線框內的工藝是倒置 A/O處理工藝，在倒置 A/O處理工藝中，厭氧區可以選擇聚磷菌。聚磷菌可以在厭氧區聚集碳的同時釋放磷，這可以進一步加速厭氧池磷的吸收。采用本工藝處理的廢水，不僅可以有效地去除廢水中的氮、磷等，還可以使污水處理廠的出水水質達到三級處理標準。

2 A2 /O處理技術的原理和影響因素分析

A/O處理技術又稱為厭氧-缺氧-好氧技術，該污水處理技術可以實現同步的脫氮除磷效果。在污水處理廠實際工作環境中，污水首先進入厭氧池和回流的污泥反應，兼性厭氧菌分解反應污水中的大分子有機物，同時回流污泥帶來的聚磷菌開始工作并釋放出磷。在缺氧反應池中，反硝化細菌將污水中的有機物作為碳源，將回流的混合溶液中帶來足夠的硝酸根離子和亞硝酸根離子，并還原為無污染的清潔氮氣釋放到空氣中。整個A/O處理技術的反應過程簡單，可控性強，總水力停留時間也短；3種反應池的輪流運行限制了絲狀菌的生長，可以控制污泥的膨脹效果。而且在A/O工藝運行之中不需要額外的填料，相對于其他物化處理技術成本較低，減少了污水處理廠的工程投入。

在污水處理廠實際工作中，當污泥濃度較高的時候，消耗的資金相對于普通情況較高，為了減少資本消耗，反硝化反應中應提供更多的碳源。當A/O處理技術中回流工藝調整為外回流體積的30%～65%的時候，二沉池混合硝化液回曝氣沉砂池的比例可以達到 15%～35%，TN的去除率也可以到達60%以上，出水的品質達到了國家一級A的標準。而在降解、脫氮和除磷3個氧化-還原反應中，影響反應的因素就有很多，而且各個影響因素之間的關聯程度也十分復雜，所以就要求在實際的污水處理時，要想達到穩定的處理效果，必須對各因素靈活調整。下面是需要注意的幾點；

(1)污水中的有機物對脫氮除磷都有很大的影響，因有機物中碳源是脫氮除磷反應過程中必不可少的元素，所以為達到最佳的污水處理效果，必須要充分利用污水中的碳源，讓其發揮最大功效；

(2)在A/O處理技術中各反應階段細菌生長和繁殖的物質基礎是回流污泥中的微生物。當污水中有機物濃度高，就利于異養細菌的生長和繁殖，這樣會造成自養細菌不能奪取更多的溶解氧，導致生長繁殖速度緩慢；好氧細菌的生長也不能順利進行，這樣微生物的硝化反應速度就會下降；

(3)A/O處理技術中混合液回流是影響硝化反應的主要因素，泥齡取決于硝化細菌出現的時間。以前的研究表明硝化細菌的生長速度決定了硝化細菌的出現時間，并且硝化細菌的生長速度受溫度的影響。當溫度較高時，硝化細菌的生長速率可以達到B級；當氣溫低于0 ℃時，硝化速率下降到較高的水平，其根據經驗公式可以計算：

=(1 +)

式中：為硝化細菌的生長速率；為溫度；為總脫氮率。從式中可以看出硝化細菌的生長速率隨溫度的增大而增大。但考慮到過多的泥齡還會導致回流污泥中的磷二次釋放，所以A/O處理技術中泥齡一般要小于20 d。

除了上述提到的幾個A/O處理技術的影響因素，在污水處理廠實際工況下還有很多要考慮到的外界因素的影響。為了達到最佳的脫氮、除磷效果，必須要靈活掌握工藝，還要及時調整參數以達到污水處理的標準。

3 A2 /O處理技術實際工況研究

本研究采用A/O處理技術，需要處理的廢水選自某地實際污水處理廠的一沉池，同時也會設置二沉池。好氧池到缺氧池的回流比設置為200%，二沉池到厭氧池前段的污泥回流比分別設置為30%和50%，此工藝流程的試運行周期為7 d。因為在實驗的過程中需要考慮接種污泥的生長繁殖情況還有接種污泥對系統造成的負荷，所以在實驗過程中需要設置污泥回流體積分數為100%, 還要使得DO的質量濃度在好氧段為3 ～ 4 mg/L。

污水中的溶解氧濃度對反硝化作用和硝化作用都有很大的影響，污水中的溶解氧濃度可以通過改變供氧量去改變整個的反應速率還有氮的負荷。圖3給出了具體的函數關系——氮濃度和供氧量函數關系曲線。

圖3 氮濃度和供氧量函數關系曲線Fig. 3 The relationship curve between nitrogen concentration and oxygen supply

由圖3可知，當氨態氮的濃度增加，供氧量也隨著其增加而增加，整個反應的反硝化速率也會隨之增加。在普化期，當氨態氮的濃度處于較低水平的時候，可以選擇提高脫硝率，這樣可以達到節約成本的目的。

本實驗A/O處理技術的工藝參數設置為；水力停留時間(HRT)為 8.5 h，厭氧階段和缺氧階段都設置為2 h，好氧階段的時間和有機負荷分別為6 h和0.15，厭氧階段的有機負荷設置為0.07，厭氧階段、缺氧階段和好氧階段的溶解氧含量分別設置為0.2、0.5和2 mg/L。根據上述的工藝參數運行A/O處理技術7 d，獲得的各項試驗參數如表3所示。

表3 A2 /O處理技術實驗氮磷數據Tab.3 Nitrogen and phosphorus data with A2 /O treatment technology

由表3可知，在污水處理廠廢水A/O工藝處理過程中，廢水的進水各元素的含量波動不大，所以每天的進水情況相差不大，較為穩定。這樣就利于A/O處理技術工藝參數的選擇和控制，脫氮、除磷都可以有明顯的效果。

由表3的7 d平均值可知，本實驗A/O工藝的脫氮率約為85.7%，除磷率約為62.7%，可以看出脫氮率要明顯地高于除磷率。對于M/O而言，當好氧階段時間設置為2 h時，只要保證水中的溶解氧含量充足，廢水中的氨氮大部分都可以完成硝化反應。本實驗結果表明，在生物法脫氮、除磷工藝中，應當把脫氮作為首要目標；同時，活性污泥對生物法脫氮技術也十分重要，活性污泥一定程度上可以減少污水在生物池中的停留時間。

4 結語

本實驗采用A/O處理技術處理后的廢水脫氮率約為85.7%，除磷率約為62.7%。未來的生物法脫氮技術還需要關注有機物碳源的問題，雖然外碳源可以有效地提高脫氮、除磷效果，但會增加運行成本和對整個系統的負荷。所以亟待解決的一個問題就是如何提高碳源含量的同時還要降低污水處理廠廢水處理的工業成本。