自养反硝化技术在工业污水处理厂的应用

黄义成，万 强，徐立君，崔锦华，邬传军，刘 勇

(1. 天津临港胜科水务有限公司，天津 300452；2. 江苏瑞中建设工程有限公司，连云港 222061)

随着国家对污水处理标准的不断提高，污水处理厂对出水总氮、化学需氧量(COD)、总磷等排放指标的要求必须更为严格[1]．目前城镇或工业污水处理厂的污水经过二级生化处理后，仍含有较高浓度的总氮，无法满足排放标准．生物反硝化技术因其高效和低成本的特点被广泛应用于深度脱氮领域[2]．

目前，污水的深度生物脱氮技术主要有异养反硝化技术和自养反硝化技术．异养反硝化过程需要有机物为反硝化细菌提供电子供体，反硝化滤池中的填料自身并没有脱氮功能，通常需要额外投加碳源(常用的碳源有乙酸钠、甲醇、乙醇、葡萄糖等)为反硝化过程提供电子供体，这便导致运行成本过高且运行不稳定，容易造成出水的COD超标[3]．自养反硝化过程是自养反硝化细菌利用无机碳作为碳源，以无机物等)作为硝酸盐氮(硝氮)还原的电子供体，将水中的硝氮还原为氮气[4-5]．目前研究的自养反硝化过程有硫自养反硝化、铁自养反硝化和氢自养反硝化[6]．由于自养反硝化过程不需要额外投加碳源，因此运行成本低并且可以避免由于碳源投加过量造成的出水COD超标．

天津临港胜科水务有限公司污水处理厂设计规模为10000m3/d，运行工艺流程为：均质调节→水解酸化→A/O工艺→沉淀池→高密度沉淀池→反硝化→臭氧催化氧化→外排．根据天津市地方标准DB 12/599—2015《城镇污水处理厂污染物排放标准》，该厂执行A类标准，其中出水总氮标准由15mg/L降低到10mg/L，出水COD标准由60mg/L降低到30mg/L．为使出水水质达标，该厂于2017年进行提标改造工程，对处理的废水在到达排水口之前进行深度脱氮处理，具体措施是在排水口前端新建1 个异养反硝化生物滤池和1 个臭氧催化氧化池．经过3年的连续运行后，由于脱氮负荷提高，滤池开始出现频繁反洗的情况，严重影响了污水厂的处理效率与处理水量．同时，受污水厂进水总氮负荷波动的影响，异养反硝化生物滤池的加药量无法实现精确控制，投加碳源药剂既耗费了运行人员大量的精力，又容易投加过量，造成出水COD超标．

为突破运行瓶颈，减少改造投资，通过多种技术咨询与比选，最终采用自养反硝化技术进行深度脱氮处理．为此，在实验室小试试验的基础上进行生产性中试试验，试验规模2000m3/d，并且为该中试试验项目开发了一套与之匹配的PLC自控系统，使之实现自动化控制，可以更及时有效地控制系统，降低运行风险，提高运行效率．

1 试验装置及方法

1.1 试验装置及进水水质

1.1.1 小试反应器装置

小试反应器装置示意图如图1所示．该反应器为亚克力材质，底座高0.30m，反应器高0.80m，内径为0.10m，承托层为鹅卵石和石英砂，填充高度均为0.05m，填料高度为0.30m，进出水方式为上进下出．试验所用填料是一种以硫和铁为主要成分的复合活性生物载体．该填料质地均匀，粒径约为4mm，密度为1.24g/cm3，具有高生物持有量、长程电子传递等特征．

图1 小试反应器示意图Fig. 1 Schematic diagram of small test reactor

1.1.2 中试装置

中试装置(图2)利用现有的闲置池体进行设计改造，池体容积为480m3，有效高度6.00m．将该闲置池体改造成一套处理量为2000m3/d的自养反硝化滤池系统，该系统包括高密度沉淀池、反硝化滤池和反洗清水池．滤池分为3个，相互平行，每个滤池底面尺寸为3.90m×2.90m，有效高度6.00m．承托层填料依次为滤砖、鹅卵石、石英砂，填充高度分别为0.20、0.40、0.20m，承托层上面的填料滤层高度为1.95m．进出水方式为上进下出．高密度沉淀池分为2格，其中快慢混搅拌区尺寸为 3.90m×2.00m，刮泥沉淀区尺寸为3.90m×3.90m．反洗清水池为1格，尺寸为3.90m×4.35m．

图2 中试装置结构示意图Fig. 2 Schematic diagram of the pilot plant structure

中试装置的进水引自沉淀池的出水，由2个变频卧式离心泵调节总进水，废水经高密度沉淀池混凝沉淀后，排入3个相互平行的自养反硝化滤池，经脱氮硫杆菌脱氮后排入反洗清水池，反洗清水池的水质经检测符合处理标准后排入后端污水处理系统．反洗清水池的液位由1 个变频潜水泵调节，在常规模式运行时维持1 个恒液位，随时满足系统反洗水量的要求．

1.1.3 试验进水水质

小试与中试滤池的进水均取自高密度沉淀池出水，其水质特征见表1．

表1 进水水质特征Tab. 1 Water quality characteristics of the influent

1.2 滤池的启动

1.2.1 小试反应器的启动

关闭小试反应器的出水阀与反冲洗进气阀，向反应器中加入缺氧池的泥水混合物0.50L，污泥质量浓度约为16g/L．取高密度沉淀池出水作为小试反应器的进水，打开进出水阀门，经过1个空床停留时间(HRT)，将阀门同时关闭，静置12h后开启进出水．反应器启动进水后HRT由6h不断降低，同时保证硝氮去除率在85%以上，驯化期持续7d左右．

1.2.2 中试滤池的启动

滤池启动运行之前要进行系统联动调试，包括气水分配调试以及风机、水泵、阀门等单体调试，保证系统出水满足设计要求．调试完成之后进行滤池污泥接种，将缺氧池的泥水混合物均匀地喷洒至滤池内，每个滤池接种污泥量约8m3，同时打开进出水阀门，经过1个HRT后，将阀门同时关闭，静置24h后开启中试滤池进水．

1.3 PLC自控系统

PLC自控系统利用SIEMENS公司的S7–1200型可编程控制器进行编程，所有现场信号均引至中控室，在上位机制作工艺流程图组态[7]．此套PLC自控系统控制逻辑主要包含恒液位控制系统、氮气释放控制系统、气水联合反洗控制系统、加药控制系统4个部分．

通过控制出水阀门的开度控制反硝化滤池的液位恒定，设定超高液位、高液位、恒液位、低液位、超低液位．高液位和超高液位会触发氮气释放控制系统和气水联合反洗控制系统．气水联合反洗流程包括降液位、气洗、气水混合洗、水洗和排水，并设置反洗一键启动．调整滤池的恒液位，尽量降低溢流堰到滤池的水位落差，避免由于水位落差过大增加进水溶解氧(DO)，从而造成填料不必要的损耗．实时检测反硝化系统进水水质的硝氮、pH、DO等指标，通过加药控制系统及时调控进水水质，使系统的脱氮效率稳定在一个较高水平．低液位和超低液位会触发反硝化滤池排水阀门和清水池排水泵的关停．

2 结果与讨论

2.1 小试结果

2.1.1 不同HRT的脱氮效果

小试反应器在完成启动后，HRT已经达到1h左右，为探究不同HRT下硫铁自养反硝化对废水脱氮效果的影响，在同样进水水质的条件下，继续降低HRT，试验结果如图3所示．该试验在冬季进行，使用加热棒控制进水温度稳定在30℃．由图3结果可以看出，在HRT大于0.6h时，硝氮的去除率可以稳定达到85%以上，随着HRT缩短，反应器的脱氮效果会逐渐降低，因此在应用时考虑HRT应不低于0.6h．

图3 HRT对脱氮的影响Fig. 3 Influence of HRT on nitrogen removal

2.1.2 不同温度的脱氮效果

温度是反应过程中的重要控制指标，它会影响硫铁自养反硝化菌群体内的功能酶活性．为验证该工艺能适应不同季节气温下的运行需求，本试验探究了小试反应器在10℃(代表冬季温度)、20℃(代表春、秋季温度)、30℃(代表夏季温度)等不同温度下的脱氮效果，HRT控制在1h左右．该小试试验是在冬季进行的，室温在10℃左右，通过控制加热棒使得水温达到试验所需温度条件，实验结果如图4所示．图4结果表明：当温度高于20℃时，硝氮的去除率可达到75%以上；在35℃时，该反应器仍有较高脱氮效果；当温度低于20℃时，反应器的脱氮效果急剧降低，这是由于低温对脱氮硫杆菌的活性产生了抑制作用[8]．张晨晓等[9]对硫自养反硝化反应器的研究表明，在温度为30～35℃时，硝酸盐的去除率最高，可达90%．查阅往年冬季的污水处理系统水温数据可知，全年最低温度为18～19℃，约2～4d，此时运行人员会降低系统负荷来保障出水水质．高密度沉淀池出水的硝氮质量浓度在10mg/L左右，70%的脱氮效率可以满足出水要求，因此该工艺可以用于污水处理厂的深度脱氮处理．

图4 温度对脱氮的影响Fig. 4 Influence of temperature on nitrogen removal

2.1.3 填料消耗

填料消耗从小试反应器驯化完成后开始统计，试验阶段处理水量共计7.52m3，处理硝氮共计0.07kg，填料消耗高度3.52cm，折合质量约0.33kg，平均处理1kg 硝氮消耗填料为4.71kg．经过45d连续进水，硝氮去除率仍稳定在85%以上．Torrentó等的研究[10]表明，在系统温度为(28±2)℃，进水硝氮浓度为2.5mmol/L时，黄铁矿粒径变小会提高脱氮效率．这是由于填料粒径越小，颗粒与废水的接触面积越大，传质速率越高．

2.2 中试脱氮效果

中试期间系统水温在(30±2)℃，中试设备调试完成后，进入污泥连续驯化培养阶段，历时20d，HRT由6h不断调整降低至0.6h，随后进入稳定运行阶段，持续30d．不同阶段的脱氮效果如图5所示．由图5可知：在连续驯化培养阶段，硝氮的平均去除率高达87.7%，硝氮去除率最高可达96.9%；随着HRT的逐渐缩短，硝氮去除率并没有出现明显降低，这是由于反硝化污泥逐渐增多并适应系统环境．经过20d的污泥驯化培养，HRT在0.6h时，3个滤池对废水中硝氮的平均去除率超过85%，对总氮的去除率在75%以上．

图5 中试脱氮效果Fig. 5 Nitrogen removal effect of pilot plant

中试试验持续50d，3个滤池中填料平均下降高度0.086m，填料消耗共计3618.29kg，去除硝氮873.22kg，平均处理1kg 硝氮消耗填料为4.14kg.中试阶段填料平均消耗量低于小试阶段，是由于试验时间跨度短，填料消耗量低，并且受滤池中反硝化污泥积累的影响所致．

2.3 中试出水pH变化

中试试验第20天至第50天的进出水pH及硝氮质量浓度变化如图6所示．

图6 进出水pH与硝氮质量浓度的变化Fig. 6 Changes of pH and nitrate nitrogen mass concentrations of inlet and outlet water

结果可见，在投加烧碱之前，滤池出水的pH除了受进水pH影响外，还与进水硝氮浓度有关，进水硝氮浓度越高，出水pH越低，试验期间滤池出水最低pH达到了5.8，低于排水标准6．这是因为硫自养反硝化的过程为产酸反应，随着反应进行，系统脱氮负荷越高，积累的H+越多，pH也会越低[11]，而脱氮硫杆菌的最适生长pH为6.5～7.0[12]．因此，第38天时利用加药系统在反硝化滤池的进水端投加烧碱，调节进水的pH在8左右．投加烧碱后，出水pH的波动变小，平均值由6.2提高到6.6．在实际运行过程中，通过PLC自控系统时刻监控调节进水水质，使进水水质稳定以保障系统的脱氮效率．

维持系统所需的pH，除了调节进水pH外，也可在系统中加入碱性缓冲物质，如碳酸氢钠、石灰石、鸡蛋壳等[13]．

2.4 PLC自控系统的调试

经过调整优化，上位机的流程图画面如图7所示．画面包含整个自养反硝化系统的管道流程示意图、进出水水质在线检测结果的显示，滤池状态动画显示及文字说明、阀门和水泵等设备状态动画显示．

图7 中控室上位机流程图画面Fig. 7 Flowchart screen of the upper computer in the control room

3个滤池的排水量由出水调节阀控制，使滤池内的液位保持恒定．经过调试，3 个滤池的恒液位高度(距池底)均控制为5.65m，液面距溢流堰0.10m，高液位设置为5.95m，超高液位设置为6.00m．反洗清水池的排水量由1 个变频泵调节控制，清水池的恒液位维持在4.50m，可以满足滤池氮气释放及反洗时的所需水量．

常规运行模式下，氮气释放频率每天2次，每次4min，高液位时延长释放时间2min．气水联合反洗频率每周1次，共8min，包括气洗2min、气水混合洗3min、水洗3min．反洗时间和反洗水泵的频率均可根据滤池的状态进行调整．加药系统可根据滤池进水在线仪器检测的水质情况进行实时调节．通过PLC自控系统，该套自养反硝化滤池实现了自动化运行控制．与传统的异养反硝化系统相比，该套自养反硝化滤池系统避免了人工加药的不稳定性，降低了出水COD超标的风险．

3 结 语

基于污水处理厂对废水深度脱氮的需求，采用硫铁自养反硝化技术进行废水深度脱氮处理．小试结果表明硫铁自养反硝化的脱氮效率受运行温度与HRT的影响较大，反硝化的系统温度不宜低于20℃，HRT不宜低于0.6h．通过2000m3/d的中试试验考察了自养反硝化技术在工业污水处理厂实际应用时的脱氮性能及运行效果，为工业污水处理厂尾水的深度脱氮提供一定的理论基础及实用经验．开发了针对硫铁自养反硝化的PLC自控系统，基本实现全自动化控制，可以更及时有效地控制系统负荷，降低运行风险，提高运行效率．与传统的异养反硝化相比，该技术脱氮效果稳定，无需额外投加碳源，无出水COD超标的风险；但自养反硝化受低温影响较大，因此冬季时需要注意控制反硝化系统的运行温度与脱氮负荷．