反硝化脱氮在污水深度处理的运行控制要点

文_赵卫芳 北京蓝源恒基环保科技有限公司

为了缓解和控制水体的富营养化，部分省市制定了越来越严格的地方排放标准，有些地区要求城镇污水处理厂出水执行地表水准Ⅳ类标准，即总氮小于10mg/L，工程实践表明，大部分污水处理厂均不能达到这一要求。因此，实现出水总氮达标成为城镇污水处理厂亟待解决的难题。

1 脱氮技术原理简介

生物脱氮包括氨化反应、硝化反应、反硝化反应三个过程，经过了氨化和硝化反应，可实现氨氮的去除，根据硝化菌对环境变化敏感、世代周期长（硝化菌增殖速率很小，最大比生长速率为0.3～0.5d-1）的特点，要保证硝化反应的进行必须满足硝化菌所需的环境条件（DO≥2mg/L、pH8.0～8.4、总碱度＞70mg/L、BOD＜20mg/L、温度20～30℃、污泥龄10～20d）。对于不含高浓度重金属、高浓度NH4+-N、高浓度有机物以及络合阳离子等对硝化反应产生抑制作用物质的污水来讲，硝化反应条件的控制比较容易，因此保证城镇污水处理厂出水氨氮达标并不困难。事实证明，污水处理厂出水总氮超标的原因在于硝酸盐氮浓度过高，反硝化反应未充分进行。

生物反硝化是硝酸盐氮（NO3--N）和亚硝酸盐氮（NO2--N）在反硝化菌的作用下，被还原成气态氮（N2）排出水体的过程，这一过程主要进行异化反硝化反应，有机物作为电子供体，硝酸盐氮作为电子受体被还原，氮由正五价（或正三价）转化成零价（气态氮）。反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌，增殖速度比硝化菌快得多，控制反硝化反应进行应满足的环境条件包括：BOD/TN＞4，pH=6.5～7.5，DO＜0.5mg/L，T=20～40℃。

2 前置反硝化与硝化-反硝化的选择及优缺点

将反硝化反应池置于硝化反应池之前（又称“ANO工艺”），称为前置反硝化，是目前采用比较广泛的脱氮工艺，该工艺组合设置的优点有：

①充分利用来水中的有机物给反硝化反应提供电子供体，减少甚至避免了碳源的补充。

②前端反硝化消耗了一部分有机物，减少了后续硝化池的有机负荷，有利于硝化菌在污水中成为优势菌种，为硝化反应创造了有利条件。

③反硝化反应产生碱度，而硝化反应需要碱度（反硝化产生的碱度可补充硝化反应消耗的一半左右），反硝化后的污水碱度提高，进入好氧池后，促进了硝化反应的进行。

然而该系统设置也存在一定的弊端，主要体现在：

①ANO工艺的出水为硝化反应出水，出水中仍含有部分硝酸盐，到最后出水总氮不会降到很低的水平。

②系统需要设置内回流（即硝化液回流）系统，增加了动力消耗，从而导致运行成本增加。回流至反硝化池的硝化液来自好氧池，其携带的溶解氧会破坏反硝化池的缺氧环境，对反硝化反产生不利影响。

③由于参与硝化与反硝化反应的生物菌群特性不同，其对环境要求（有机物浓度、碱度、溶解氧、污泥龄）呈现出相反的状态，前置反硝化工艺的设置，利用这两大菌群的特点解决了部分矛盾，但仍存在部分缺陷。

④对于脱氮系统的设计，前置反硝化并不适用于所有污水，生活污水处理大多采用该方式。在工业废水深度处理脱氮的实践中，还需分析进水水质的特点确定是否采用该工艺。

综上，对于含高氨氮、低BOD的废水来讲，前置反硝化已变得无意义，该情况适合将反硝化池后置。

3 碳源的选择及投加量计算

3.1 碳源的选择

经二级处理后的污水C/N低，成为反硝化进行的主要限制因素，这使得外加碳源变得十分必要。目前应用较多的外加碳源有：甲醇、乙酸钠、乙酸、葡萄糖等。

甲醇作为碳源的优势在于，它被分解后的产物为CO2和H2O，不产生任何难降解的中间产物，且反硝化反应速率高，具有投加效率高、二次污染少的特点。但由于其属于易燃、易爆物质（闪点11℃、沸点64.7℃），火灾危险性为甲类，导致甲醇投加间建筑物消防设计及验收较为严格，其储存也需报当地公安部门备案审批，手续繁杂。同时，甲醇对人体有剧毒作用，运行安全性较差。

乙酸的熔点为16.6℃（289.6K），闪点39℃，属于乙类危险物品，由于乙酸熔点高，在低于熔点时会冻结成冰状晶体，因此不适合在北方地区使用。

葡萄糖具有对人体毒害性低、安全性高、易于取得等优点，在污水处理厂调试运行阶段作为微生物驯化培养的营养物质被广泛采用。但由于工业葡萄糖杂质含量高，使得其投加准确性差、污泥产量大，导致劳动强度较大，不适用于大中型污水处理厂。

乙酸钠属于小分子有机酸盐，易于被微生物利用，脱氮效果较好，对人体无毒害作用，安全性高。乙酸钠作为碳源材料取得方便，如果运输距离较短，可采用溶解后的乙酸钠溶液（含量多为20%、25%、30%）；如果污水处理厂距离原料供应地较远，可采购固体乙酸钠，一般为25kg袋装三水醋酸钠（含量58%～60%），乙酸钠易溶于水（20℃时溶解度172g/L），可根据现场溶药箱、加药泵选型及投加量要求配置成所需浓度。

经过上述比较可知，乙酸钠应作为污水处理站反硝化脱氮碳源的首选。

3.2 碳源投加量的计算

根据反硝化反应进行的理论方程式，可以得出下表数据。

表1 不同碳源对应的有机物含量

乙酸钠 0.78 0.52 5.0:1（无水）6.8:1（三水）葡萄糖 1.06 0.8

4 硝化液回流比的控制

内回流比与总氮去除率的关系为R=ηTN/（1-ηTN），（R代表硝化液回流比，ηTN代表总氮去除率），硝化液回流比不但影响脱氮效果，也会影响系统的动力消耗。城镇污水一般设置硝化液回流比为100%～400%，工程实践表明，当回流比高于200%后，脱氮率会提高较慢，因此，最终脱氮率很难达到90%。另外，硝化液回流量越大，对进水的稀释程度也越大，会造成C/N比的降低，因此，在回流比增加的同时，要保证脱氮效果，也需对应提高碳源的投加量。

在工艺设计过程中，系统进水和碳源投加点的设置需重点考虑，尤其是系统分组较多（≥4组）时，采用总进水管（渠）进水，闸门或管道分开进入各组池体时，要确保碳源和硝化液充分混合，并均匀进入各反应池内，避免发生短路和分配不均、碳源和回流硝化液不能有效混合的情况。

5 结语

反硝化脱氮系统运行控制需根据硝化菌、反硝化菌的生长特性保证适合其生长的环境条件，主要包括温度、pH/碱度、DO、有机物浓度等。

在管道设计过程中需要重点考虑ANO工艺中进水补充碳源和回流硝化液的有效混合，避免断流和进入各组池体的水量分布不均。

反硝化前置工艺适用于城镇生活污水的深度脱氮处理，但对于一些高氨氮低有机物的工业水回用并不适用，实践中需分析实际进水水质选择合适的工艺。

但是，并不是硝化液回流比设置越高总氮去除率越高，高于200%的回流比对总氮去除率的提高并不明显，一方面增加了水厂的运行电耗，另一方面也对反硝化池的缺氧环境冲击较大。

补充碳源投加的药剂消耗成本在污水处理系统总运行成本中占比较大，选择合适的碳源并较准确地计算投加量可节约水厂的一大部分运行成本。