新建污水处理厂低进水有机物的脱氮工艺

潘郑妍

(厦门水务中环污水处理有限公司，福建 厦门 361000)

0 引言

目前，我国南方地区进水水质大部分存在BOD5＜100 mg/L的情况。新建污水处理厂进水有机污染物偏低的情况尤为严重。污水处理厂建设前期，规划设计的进水管道需为远期规模扩建考虑。在新建污水处理厂时，敷设的进水主干管的管径及管长均较大，这对进厂的污水进水水质影响极大。由于污水处理厂新建初期，外部污水收集管网未完善，污水收集量不足设计负荷70%，污水在管网内流速较慢，停留时间较长，导致有机污染物在管道内进一步削减，形成高氮磷，低有机负荷的进水水质。因此，针对低有机污染负荷且高氮高磷的进水水质需进一步研究探索[1]。

1 生物脱氮的基本原理

生物脱氮的基本原理如图1所示。生物脱氮过程[2-3]包含三种作用。

图1 生物脱氮的基本原理

1.1 氨化作用

有机氮化合物被分解、转化为氨氮的过程称为氨化作用，也称为矿化作用。氨化反应无论在好氧还是厌氧，中性还是酸性或者碱性的环境中都能进行，只是参与反应的微生物种类不同。在好氧条件下，主要有两种降解方式，一是在氧化酶催化下的氧化脱氨生产氨、脂肪酸或酮酸；另一些是在水解酶的催化作用下水解脱氨反应生成氨、羟基酸、醇。在厌氧或缺氧的条件下，则由厌氧和兼性厌氧菌对有机氮化合物进行还原脱氨、水解脱氨、以及脱水脱氨的氨化反应。

1.2 硝化作用

硝化作用是指将NH3-N氧化为NOX--N的生物化学反应，这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成，包括亚硝化反应和硝化反应两个阶段，此阶段会产生大量的氢离子，导致水体pH下降。硝化菌是化能自养菌，繁殖增长时不需要有机营养物质，从无机物的氧化中获得能量。在硝化反应的过程中，同时进行硝化细菌的生长繁殖。

1.3 反硝化作用

反硝化反应是由异养型微生物在缺氧或厌氧(DO＜0.5 mg/L)条件下，利用硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态N2或N2O的过程。如果溶解氧较高，反硝化菌将利用氧进行呼吸，抑制反硝化菌体内的硝酸盐还原酶的合成，或者氧成电子受体，阻碍硝酸盐还原。

2 活性污泥的培养

好氧颗粒污泥是20世纪末研究发现的一种用于废水处理的新型微生物聚集体，由于其结构复杂，能够在同一个颗粒内同时保存多种氧环境与营养环境，为各种微生物提供良好的生长环境，因而具有多种代谢活性[4]，是污水处理工艺的主体，是脱氮工艺的基础。但在新建污水处理厂启动初期，受进水条件影响，微生物的自生培养较为困难，一般采用接种培养。接种时考虑两种不同类型的污泥进行投放，一种是离心脱水后的湿污泥，一种是浓缩池内的剩余污泥。但通过实验，离心脱水后的湿污泥因污泥脱水时添加了化学药剂，已基本破坏了污泥的活性，污泥培养无法完成。而浓缩池内的剩余污泥因污泥活性尚未被破坏，污泥培养效果很好。但因浓缩池内的剩余污泥因含水率较高，需要投加的污泥量较大，所需成本较高，因此在选择时可选用距离较近且进水水质相似的城市污水处理厂进行抽取，从而尽快完成污泥培养[2]。

3 影响脱氮的主要因素

众所周知，影响脱氮效果的主要因素有溶解氧、pH、污泥泥龄、碳源和温度等等。但是，由于新建污水处理厂进水有机负荷偏低且运行初期进水流量较小，并不能完全参照大部分污水处理运行工艺的控制参数进行工艺调控。本次以澳头污水处理厂为例，该厂设计规模为1万m3/d，污水处理工艺采用多模式AAO 鼓风曝气二级生化处理＋高效沉淀除磷及纤维转盘过滤深度处理工艺。通水运行初期，该厂进水BOD5浓度约为25 mg/L，进水总氮约为30 mg/L，进水总磷约为3.5 mg/L，日均处理量约为1500～3000 m3。进水水质碳氮比失衡较为严重，因此补充外部碳源是必须的，但是补充外部碳源并不能完全实现达标排放。为了提高脱氮效果实现达标排放，针对影响脱氮效果的几个因素分别进行了控制摸索，发现以下三个因素对脱氮工艺具有较大的影响[1]。

3.1 气水比和溶解氧的控制

启动初期，在相同进水条件和污泥浓度的情况下，通过调整不同的气水比，对脱氮效果进行了对比，具体如表1所示。

表1 脱氮效果对比

由表1可见，当气水比增加时，总氮去除率相应增加，当气水比下降时，总氮去除率则随之下降。主要原因为当气水比较低时，污泥活性较弱，污泥颜色呈黑褐色，硝化及反硝化反应速率较慢，无法完全进行脱氮。因此，在新建污水处理厂运行初期，要提高脱氮效果，是需要将气水比维持在较高水平。但维持较高的气水比会导致生化池出水端溶解氧过高，内回流及外回流带入的溶解氧较多，破坏缺氧环境而影响除磷及脱氮的效果。与环境相比，污泥的活性更为重要[4]。

3.2 污泥浓度的控制

活性污泥是污水处理的第一要素，对脱氮来说尤为重要。通过以下几组数据对比，可以发现较高的污泥浓度对总氮的去除效果显著，具体如表2所示。

表2 污泥浓度对总氮的去除效果对比

从表2数据可以看出，当污泥浓度较低时，并不能使总氮达到排放标准，随着污泥浓度升高，总氮除去率逐步提高。因此，维持较高的污泥浓度，可提高总氮的去除效果。但维持较高污泥浓度又会使水体里磷酸盐浓度较高，出水悬浮物上升，从而使得化学除磷的药耗提高[5]。

3.3 水力负荷

新的污水处理厂因外部管网未完善，日处理量较低，污水在生化系统内停留时间较长，脱氮的控制相对较为容易，通过增大碳源投加量，增大回流比等措施可以实现出水总氮达标排放。但随着外部管网的完善，污水收集量增大，污水厂日处理量逐渐达到设计负荷，污水在系统内停留时间缩短，脱氮难度增大。因此，要满足脱氮效果，控制水力负荷是重要措施之一。

4 结语

除了以上三种影响因素，影响总氮的去除效果的因素还有很多，如碳源投加量、内外回流比、污泥泥龄等等。由于脱氮理论研究的深入，新工艺层出不穷，采用各种工艺组合使用可以达到更好的处理效果。实践证明，在后期稳定运行的工艺调控过程中，当污泥活性良好时，针对进水有机污染物浓度较低，总磷总氮浓度不低的条件下，为避免COD过多浪费消耗，可将生化池出水溶解氧尽可能维持较低水平(≤1 mg/L)，并维持较高的污泥浓度(约7000 mg/L)，同时控制生化池水力负荷，尽可能地延长停留时间，微调内外回流比，即可实现出水达标排放。