張之驊（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

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反硝化率對(duì)工業(yè)污水脫氮工藝設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義的探究

張之驊
（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

摘 要剖析了傳統(tǒng)脫氮工藝計(jì)算方法的局限性，通過引入“反硝化率”的概念，提出了一種驗(yàn)證工業(yè)污水脫氮工藝計(jì)算正確性的方法，并論證了這種驗(yàn)證方法的合理性和可操作性。

關(guān)鍵詞脫氮工藝；反硝化率；總氮；回流比

一直以來，工業(yè)污水的脫氮處理都是污水處理領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)。工業(yè)污水種類繁多，各行業(yè)污水的性質(zhì)各不相同，尤其是進(jìn)水總氮指標(biāo)較高的工業(yè)污水，脫氮壓力大，給工藝的確定和參數(shù)的選取及計(jì)算帶來很大難度。

2009年以前，由于各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中未明確對(duì)總氮的排放限值（僅規(guī)定氨氮指標(biāo)），在當(dāng)時(shí)的工業(yè)污水處理場(chǎng)設(shè)計(jì)中，考慮設(shè)置反硝化段的目的主要是因?yàn)椴唤?jīng)過反硝化的污水進(jìn)入二沉池后會(huì)因厭氧而產(chǎn)生氣體，大大影響污泥的沉降性能。對(duì)缺氧池的池容確定方法也相對(duì)簡(jiǎn)單，僅僅是根據(jù)總池容的1/3或1/4直接選取。然而，限制總氮排放是大勢(shì)所趨。2006年修訂的GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中已經(jīng)明確提出了缺氧池容的具體計(jì)算方法[1]。而從2009年以來，多個(gè)地方標(biāo)準(zhǔn)中也均已明確了總氮的排放限值，如2009年修訂版的DB 31/199—2009《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（上海市地方標(biāo)準(zhǔn)）》中對(duì)氨氮和總氮的排放標(biāo)準(zhǔn)限值可見表1。國標(biāo)中雖尚未明確，但引入總氮指標(biāo)也僅僅是時(shí)間問題。

表1 污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（DB 31/199—2009，上海市地方標(biāo)準(zhǔn)，總氮和氨氮指標(biāo)）[2]Tab .1 Integrated wastewater discharge standard （DB 31/199—2009. Shanghai local standard. TN & NH3-N）

在這樣的大背景下，工業(yè)污水總氮的脫除成為無法回避的問題，如何對(duì)工業(yè)污水脫氮處理的工藝參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的選擇或計(jì)算，成為該種污水能否被有效處理的關(guān)鍵。

以脫氮為目的的污水生化處理工藝有多種，如SBR、氧化溝，MBBR等，但歸根到底均不外乎缺氧+好氧的設(shè)計(jì)思路。脫氮工藝計(jì)算方法在多處均有涉及，不再贅述，本文著重討論如何對(duì)脫氮工藝計(jì)算結(jié)論的可實(shí)現(xiàn)性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 脫氮工藝計(jì)算方法的局限性

生化脫氮工藝由氨化、硝化和反硝化三個(gè)部分組成。傳統(tǒng)的脫氮工藝計(jì)算方法僅僅介紹了生化池容和一些控制參數(shù)的確定，實(shí)際上仍有不足。因?yàn)閺睦碚撋蟻碚f，反硝化過程不可能百分之百完成，且反硝化與硝化之間存在密切的關(guān)系。對(duì)于已確定進(jìn)出水指標(biāo)的生化系統(tǒng)，其出水指標(biāo)能否在實(shí)際工況中確保實(shí)現(xiàn)，無法進(jìn)行驗(yàn)證，生化系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)論缺乏可靠性。

以下用某石化污水中試裝置的脫氮工藝舉例驗(yàn)證傳統(tǒng)脫氮工藝計(jì)算方法的局限性。該中試裝置采用A / O工藝，設(shè)計(jì)進(jìn)出水指標(biāo)如表2。

表2 某中試裝置脫氮工藝設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 2 Water quality of certain pilot plant denitrification process

根據(jù)表2的進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)，按照原水進(jìn)水水質(zhì)，用傳統(tǒng)脫氮工藝計(jì)算方法對(duì)中試裝置進(jìn)行工藝計(jì)算，其計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果見表3。

表3的計(jì)算結(jié)論看似合理，但實(shí)際上存在局限，因?yàn)槲覀兛梢杂?jì)算各種工藝參數(shù)，但是無法判斷計(jì)算結(jié)果的可實(shí)現(xiàn)性。比如，脫氮效率是50 %或者90 %是我們?cè)谟?jì)算前就人為設(shè)定的，那么如何判斷設(shè)定的脫氮效率是否真的能夠?qū)崿F(xiàn)？我們只能憑借經(jīng)驗(yàn)而沒有理論依據(jù)進(jìn)行支撐。故而我們要尋找一種能夠從理論上判斷計(jì)算結(jié)果和既定目標(biāo)在實(shí)際工程中是否能夠?qū)崿F(xiàn)的方法，由此，我們?cè)噲D通過引入反硝化率的概念，來幫助判定脫氮目標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性和硝態(tài)液回流比及生化池容積等參數(shù)的合理性。

2 反硝化率的概念和相關(guān)計(jì)算

反硝化率（fde），其定義為被反硝化的硝態(tài)氮濃度與被硝化的總氮濃度的比值。脫氮系統(tǒng)要求的最小反硝化率可按式（1）計(jì)算：

式中 fdemin— 完成脫氮目標(biāo)所需要的最小反硝化率；

Nh— 被硝化的總氮濃度；

表3 某中試裝置工藝參數(shù)計(jì)算過程及結(jié)果Tab. 3 Process parameter calculation results of certain pilot plant

NO— 被反硝化的硝態(tài)氮濃度。

其中NO可按照式（2）確定：

式中 Nt— 進(jìn)水總氮濃度，mg/L；

Ne— 出水總氮濃度，mg/L；

S0— 進(jìn)水有機(jī)底物濃度，mg/L；

Se— 出水有機(jī)底物濃度，mg/L；

0.05 ( S0-Se) — 微生物細(xì)胞合成所需要的氮源量。

Nh可以通過式（3）確定：

確定系統(tǒng)的最小反硝化率后，我們可以假設(shè)一個(gè)硝態(tài)液回流比，然后根據(jù)式（4）計(jì)算理論反硝化率fde：

式中 R — 活性污泥回流比，%；

R1— 硝態(tài)液回流比，%。理論反硝化率即為在給定的回流比下系統(tǒng)所能達(dá)到的最大反硝化率，亦即系統(tǒng)的最大脫氮能力。在實(shí)際工程中，理論反硝化率是不可能達(dá)到的，因?yàn)槿缜拔乃?，反硝化過程不可能百分之百完成。系統(tǒng)的實(shí)際反硝化率fde'可在理論反硝化率的基礎(chǔ)上乘以某個(gè)系數(shù)（建議取值范圍0.7~0.9）得到。在實(shí)際工程計(jì)算中，實(shí)際反硝化率必須大于最小反硝化率，否則系統(tǒng)的脫氮能力不足以實(shí)現(xiàn)既定的脫氮目標(biāo)，亦即硝態(tài)液回流比選取有誤，需重新選取并試算，直至滿足要求為止。

3 反硝化率的指導(dǎo)意義

回到前文提及的中試裝置，之前在表3中采用傳統(tǒng)方法得到的計(jì)算結(jié)果，可以利用計(jì)算反硝化率的方式來驗(yàn)證其是否可以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，完成處理目標(biāo)所需要的最小反硝化率fdemin= 0.903，而實(shí)際反硝化率僅為fde' = 0.764?？梢姡诮o定的原水進(jìn)出水條件下，fde'遠(yuǎn)小于fdemin，即在給定的回流比條件下，處理目標(biāo)在理論上無法實(shí)現(xiàn)，此即反硝化率對(duì)脫氮系統(tǒng)工藝計(jì)算合理性和可實(shí)現(xiàn)性的理論表征。

同時(shí)，反硝化率的計(jì)算還從理論上給出了硝態(tài)液回流比的確定依據(jù)。硝態(tài)液回流比實(shí)際上是提高脫氮效率的最直接途徑，表4是在表3基礎(chǔ)上改變硝態(tài)液回流比R1從而引起的反硝化率變化情況。從中可以看出，隨著硝態(tài)液回流比R1不斷提高，實(shí)際反硝化率fde'也不斷增大，但其值增大的幅度卻隨R1的增大而減小。當(dāng)實(shí)際反硝化率達(dá)到一定高的數(shù)值時(shí)，即使成倍增加硝態(tài)液回流比，反硝化率的提高也已經(jīng)非常有限。

表4 不同的硝態(tài)液回流比下的反硝化率Tab. 4 Denitrification ratio under different nitrate backflow ratio

而表4的計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步表明，在表3給定的進(jìn)出水條件和設(shè)計(jì)條件下，即使硝態(tài)液回流比增至20倍，實(shí)際反硝化率仍小于fdemin，亦即在20倍大回流比的條件下，系統(tǒng)的脫氮目標(biāo)仍然難以完成。

4 處理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)途徑

4.1 高低濃度污水混合處理

為了使出水指標(biāo)能夠達(dá)到原來題設(shè)的要求，將原水與低濃度污水按照等比例混合后再行處理，保持出水目標(biāo)和其他條件不變，重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5中的“工況二”（“工況一”為表3的計(jì)算結(jié)果，方便對(duì)比）。從中可以看出，將原水與低濃度廢水混合處理后，最小反硝化率下降至0.8以下，從而在理論上保證了處理目標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性。

4.2 調(diào)整既定處理目標(biāo)

如果整個(gè)生化系統(tǒng)有多級(jí)生化處理，在設(shè)計(jì)初期，一般會(huì)分配每一級(jí)工藝的處理目標(biāo)。當(dāng)計(jì)算得知第一級(jí)生化的脫氮目標(biāo)不可實(shí)現(xiàn)（即實(shí)際反硝化率fde'小于最小反硝化率fdemin）或難以實(shí)現(xiàn)（即最小反硝化率fdemin的計(jì)算值較高）時(shí)，可調(diào)整每一級(jí)的處理目標(biāo)分配，必要時(shí)也可以適當(dāng)修改后續(xù)處理的工藝方式。

仍回到之前的實(shí)例，將出水的總氮由60 mg/L調(diào)整為120 mg/L，重新對(duì)脫氮系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表6中的“工況三”（“工況一”仍為表3的計(jì)算結(jié)果）。

由表6可知，對(duì)出水指標(biāo)進(jìn)行一定調(diào)整之后，計(jì)算結(jié)果表明調(diào)整后的脫氮目標(biāo)在理論上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。

表5 高低濃度污水混合處理計(jì)算結(jié)果（僅列出與表3不同取值或計(jì)算結(jié)果的項(xiàng)）Tab. 5 Calculation results of mixed wastewater （Only different results from Tab.3 listed）

表6 調(diào)整出水指標(biāo)后的計(jì)算結(jié)果（僅列出與表3不同取值或計(jì)算結(jié)果的項(xiàng)）Tab. 6 Calculation results after adjustment of output target （Only different results from Tab.3 listed）

5 實(shí)際中試結(jié)論對(duì)計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證

以下利用上述中試裝置的實(shí)際中試效果對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1 中試裝置工藝流程

根據(jù)水質(zhì)資料及出水要求，最終確定中試的工藝流程為：污水通過泵提升進(jìn)入曝氣池，在進(jìn)水區(qū)與大比例回流（20~40倍）的混合液（已經(jīng)經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)的污水）迅速混合均勻后，循環(huán)進(jìn)入曝氣區(qū)完成碳化和硝化反應(yīng)。之后污水進(jìn)入快速澄清區(qū)進(jìn)行泥水分離后，污泥回流至進(jìn)水區(qū)與進(jìn)水混合，清水由上部的集水槽收集外排。在曝氣池的一端設(shè)置與缺氧池聯(lián)通的管線，部分污水通過該管線進(jìn)入缺氧池完成反硝化后回流至曝氣池進(jìn)水區(qū)。為了方便進(jìn)行對(duì)比，在缺氧池內(nèi)也設(shè)置一個(gè)澄清出水區(qū)以便觀察反硝化效果。

5.2 中試裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

原水進(jìn)水：0.5~0.6 m3/h；操作水溫：20~25 ℃；pH：7.4~7.7；甲醇投加量：14 L/d；溶解氧：0.8~1.0 mg/L；由于設(shè)置了大比例回流，因此污泥濃度提高至6.0~7.0 g/L。

設(shè)置缺氧池1座，有效池容：24 m3；曝氣池1座，有效池容：48 m3；曝氣池與缺氧池的總池容：72 m3。

配置羅茨鼓風(fēng)機(jī)2臺(tái)，一用一備，單臺(tái)風(fēng)量2.4 m3/min。

5.3 中試過程、結(jié)果和分析

試驗(yàn)第一階段，未設(shè)置單獨(dú)的缺氧池，擬采用同步硝化反硝化的手段對(duì)原水進(jìn)行脫氮，同時(shí)進(jìn)水也完全采用原水。在試驗(yàn)期間，系統(tǒng)出水的COD和TN均居高不下。詳見表7。

第二階段，對(duì)系統(tǒng)設(shè)置單獨(dú)的外置缺氧池，并且利用工業(yè)水與原水進(jìn)行近似等比例的稀釋，裝置穩(wěn)定后某時(shí)段曝氣池和缺氧池出水?dāng)?shù)據(jù)見表8。

表7 中試第一階段某時(shí)段曝氣池出水?dāng)?shù)據(jù)Tab. 7 Output data from aerobic tank of a certain period in the first stage of the pilotscale experiment

從以上的數(shù)據(jù)對(duì)比中可以看出，進(jìn)水直接采用原水時(shí)，處理效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于出水指標(biāo)的要求。而當(dāng)進(jìn)水采用高低濃度污水混合進(jìn)水后，出水的指標(biāo)已經(jīng)可以達(dá)到較理想的狀態(tài)（其中缺氧池出水CODCr的濃度偏高，主要是補(bǔ)充的甲醇劑量尚未調(diào)整到最合理的狀態(tài)所致），這一中試結(jié)論與之前的計(jì)算結(jié)果基本一致。

表8 中試第二階段某時(shí)段曝氣池和缺氧池出水?dāng)?shù)據(jù)Tab. 8 Output data from aerobic tank & anoxic tank of a certain period in the second stage of the pilotscale experiment

6 結(jié)論

（1）最小反硝化率fdemin是驗(yàn)證脫氮設(shè)計(jì)方案是否能夠滿足既定工藝要求的重要參數(shù)。從fdemin的計(jì)算公式可知，fdemin僅與系統(tǒng)的進(jìn)出水水質(zhì)有關(guān)，而與池容、停留時(shí)間和回流比等參數(shù)無關(guān)。當(dāng)最小反硝化率達(dá)到一定高的數(shù)值時(shí)，無論池容多大、停留時(shí)間多長，回流比多高，都無法實(shí)現(xiàn)脫氮的既定目標(biāo)。

（2）實(shí)際反硝化率fde'和硝態(tài)液回流比的關(guān)系則是衡量系統(tǒng)的脫氮效率和經(jīng)濟(jì)性的杠桿。設(shè)計(jì)中可以通過提高硝態(tài)液回流比來增大fde'，從而達(dá)到提高系統(tǒng)脫氮效率的目的。但考慮到整個(gè)生化系統(tǒng)的平衡性和經(jīng)濟(jì)性，硝態(tài)液回流比畢竟不可能無限制增加，且當(dāng)反硝化率達(dá)到一定高的數(shù)值后，進(jìn)一步提高硝態(tài)液回流比對(duì)系統(tǒng)的脫氮能力幫助有限。此時(shí)可以考慮適當(dāng)降低該生化系統(tǒng)的出水標(biāo)準(zhǔn)，將剩余的總氮去除任務(wù)交給后續(xù)處理工藝，或者用低濃度污水與原水混合后處理以降低系統(tǒng)脫氮的壓力。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50014—2006室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]DB 31-199—2009 污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]周雹. 活性污泥工藝簡(jiǎn)明原理及設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：18-52.

[4]GB 50747—2012石油化工污水處理設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Research of Guidance Meaning of Denitrification Ratio to Wastewater Denitrification Process

Zhang Zhihua
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Abstract:In this article, the limitation of calculating method used for traditional denitrification process was analyzed. By introducing the concept of denitrification rate, one method for verifying the correctness of the calculation used in industrial wastewater denitrification process was provided. And then the rationality and feasibility of this method were stated and discussed.

Keywords:denitrification process; denitrification rate; total nitrogen; backflow ratio

作者簡(jiǎn)介：張之驊（1983—），男，工程師，從事環(huán)保工藝設(shè)計(jì)和技術(shù)開發(fā)。

收稿日期：2015-08-18

中圖分類號(hào)：TQ 085+.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-817X（2016）01-0060-000