反硝化率对工业污水脱氮工艺设计指导意义的探究

张之骅（中石化上海工程有限公司，上海 200120）



反硝化率对工业污水脱氮工艺设计指导意义的探究

张之骅
（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

摘 要剖析了传统脱氮工艺计算方法的局限性，通过引入“反硝化率”的概念，提出了一种验证工业污水脱氮工艺计算正确性的方法，并论证了这种验证方法的合理性和可操作性。

关键词脱氮工艺；反硝化率；总氮；回流比

一直以来，工业污水的脱氮处理都是污水处理领域的技术难点。工业污水种类繁多，各行业污水的性质各不相同，尤其是进水总氮指标较高的工业污水，脱氮压力大，给工艺的确定和参数的选取及计算带来很大难度。

2009年以前，由于各级标准中未明确对总氮的排放限值（仅规定氨氮指标），在当时的工业污水处理场设计中，考虑设置反硝化段的目的主要是因为不经过反硝化的污水进入二沉池后会因厌氧而产生气体，大大影响污泥的沉降性能。对缺氧池的池容确定方法也相对简单，仅仅是根据总池容的1/3或1/4直接选取。然而，限制总氮排放是大势所趋。2006年修订的GB 50014—2006《室外排水设计规范》中已经明确提出了缺氧池容的具体计算方法[1]。而从2009年以来，多个地方标准中也均已明确了总氮的排放限值，如2009年修订版的DB 31/199—2009《污水综合排放标准（上海市地方标准）》中对氨氮和总氮的排放标准限值可见表1。国标中虽尚未明确，但引入总氮指标也仅仅是时间问题。

表1 污水综合排放标准（DB 31/199—2009，上海市地方标准，总氮和氨氮指标）[2]Tab .1 Integrated wastewater discharge standard （DB 31/199—2009. Shanghai local standard. TN & NH3-N）

在这样的大背景下，工业污水总氮的脱除成为无法回避的问题，如何对工业污水脱氮处理的工艺参数进行准确的选择或计算，成为该种污水能否被有效处理的关键。

以脱氮为目的的污水生化处理工艺有多种，如SBR、氧化沟，MBBR等，但归根到底均不外乎缺氧+好氧的设计思路。脱氮工艺计算方法在多处均有涉及，不再赘述，本文着重讨论如何对脱氮工艺计算结论的可实现性进行验证。

1 脱氮工艺计算方法的局限性

生化脱氮工艺由氨化、硝化和反硝化三个部分组成。传统的脱氮工艺计算方法仅仅介绍了生化池容和一些控制参数的确定，实际上仍有不足。因为从理论上来说，反硝化过程不可能百分之百完成，且反硝化与硝化之间存在密切的关系。对于已确定进出水指标的生化系统，其出水指标能否在实际工况中确保实现，无法进行验证，生化系统的计算结论缺乏可靠性。

以下用某石化污水中试装置的脱氮工艺举例验证传统脱氮工艺计算方法的局限性。该中试装置采用A / O工艺，设计进出水指标如表2。

表2 某中试装置脱氮工艺设计进出水水质Tab. 2 Water quality of certain pilot plant denitrification process

根据表2的进出水数据，按照原水进水水质，用传统脱氮工艺计算方法对中试装置进行工艺计算，其计算过程和计算结果见表3。

表3的计算结论看似合理，但实际上存在局限，因为我们可以计算各种工艺参数，但是无法判断计算结果的可实现性。比如，脱氮效率是50 %或者90 %是我们在计算前就人为设定的，那么如何判断设定的脱氮效率是否真的能够实现？我们只能凭借经验而没有理论依据进行支撑。故而我们要寻找一种能够从理论上判断计算结果和既定目标在实际工程中是否能够实现的方法，由此，我们试图通过引入反硝化率的概念，来帮助判定脱氮目标的可实现性和硝态液回流比及生化池容积等参数的合理性。

2 反硝化率的概念和相关计算

反硝化率（fde），其定义为被反硝化的硝态氮浓度与被硝化的总氮浓度的比值。脱氮系统要求的最小反硝化率可按式（1）计算：

式中 fdemin— 完成脱氮目标所需要的最小反硝化率；

Nh— 被硝化的总氮浓度；

表3 某中试装置工艺参数计算过程及结果Tab. 3 Process parameter calculation results of certain pilot plant

NO— 被反硝化的硝态氮浓度。

其中NO可按照式（2）确定：

式中 Nt— 进水总氮浓度，mg/L；

Ne— 出水总氮浓度，mg/L；

S0— 进水有机底物浓度，mg/L；

Se— 出水有机底物浓度，mg/L；

0.05 ( S0-Se) — 微生物细胞合成所需要的氮源量。

Nh可以通过式（3）确定：

确定系统的最小反硝化率后，我们可以假设一个硝态液回流比，然后根据式（4）计算理论反硝化率fde：

式中 R — 活性污泥回流比，%；

R1— 硝态液回流比，%。理论反硝化率即为在给定的回流比下系统所能达到的最大反硝化率，亦即系统的最大脱氮能力。在实际工程中，理论反硝化率是不可能达到的，因为如前文所述，反硝化过程不可能百分之百完成。系统的实际反硝化率fde'可在理论反硝化率的基础上乘以某个系数（建议取值范围0.7~0.9）得到。在实际工程计算中，实际反硝化率必须大于最小反硝化率，否则系统的脱氮能力不足以实现既定的脱氮目标，亦即硝态液回流比选取有误，需重新选取并试算，直至满足要求为止。

3 反硝化率的指导意义

回到前文提及的中试装置，之前在表3中采用传统方法得到的计算结果，可以利用计算反硝化率的方式来验证其是否可以实现。根据计算可以发现，完成处理目标所需要的最小反硝化率fdemin= 0.903，而实际反硝化率仅为fde' = 0.764。可见，在给定的原水进出水条件下，fde'远小于fdemin，即在给定的回流比条件下，处理目标在理论上无法实现，此即反硝化率对脱氮系统工艺计算合理性和可实现性的理论表征。

同时，反硝化率的计算还从理论上给出了硝态液回流比的确定依据。硝态液回流比实际上是提高脱氮效率的最直接途径，表4是在表3基础上改变硝态液回流比R1从而引起的反硝化率变化情况。从中可以看出，随着硝态液回流比R1不断提高，实际反硝化率fde'也不断增大，但其值增大的幅度却随R1的增大而减小。当实际反硝化率达到一定高的数值时，即使成倍增加硝态液回流比，反硝化率的提高也已经非常有限。

表4 不同的硝态液回流比下的反硝化率Tab. 4 Denitrification ratio under different nitrate backflow ratio

而表4的计算结果进一步表明，在表3给定的进出水条件和设计条件下，即使硝态液回流比增至20倍，实际反硝化率仍小于fdemin，亦即在20倍大回流比的条件下，系统的脱氮目标仍然难以完成。

4 处理目标的实现途径

4.1 高低浓度污水混合处理

为了使出水指标能够达到原来题设的要求，将原水与低浓度污水按照等比例混合后再行处理，保持出水目标和其他条件不变，重新对系统进行计算，计算结果见表5中的“工况二”（“工况一”为表3的计算结果，方便对比）。从中可以看出，将原水与低浓度废水混合处理后，最小反硝化率下降至0.8以下，从而在理论上保证了处理目标的可实现性。

4.2 调整既定处理目标

如果整个生化系统有多级生化处理，在设计初期，一般会分配每一级工艺的处理目标。当计算得知第一级生化的脱氮目标不可实现（即实际反硝化率fde'小于最小反硝化率fdemin）或难以实现（即最小反硝化率fdemin的计算值较高）时，可调整每一级的处理目标分配，必要时也可以适当修改后续处理的工艺方式。

仍回到之前的实例，将出水的总氮由60 mg/L调整为120 mg/L，重新对脱氮系统进行计算，结果如表6中的“工况三”（“工况一”仍为表3的计算结果）。

由表6可知，对出水指标进行一定调整之后，计算结果表明调整后的脱氮目标在理论上已经可以实现。

表5 高低浓度污水混合处理计算结果（仅列出与表3不同取值或计算结果的项）Tab. 5 Calculation results of mixed wastewater （Only different results from Tab.3 listed）

表6 调整出水指标后的计算结果（仅列出与表3不同取值或计算结果的项）Tab. 6 Calculation results after adjustment of output target （Only different results from Tab.3 listed）

5 实际中试结论对计算结果的验证

以下利用上述中试装置的实际中试效果对计算结果进行验证。

5.1 中试装置工艺流程

根据水质资料及出水要求，最终确定中试的工艺流程为：污水通过泵提升进入曝气池，在进水区与大比例回流（20~40倍）的混合液（已经经过处理达标的污水）迅速混合均匀后，循环进入曝气区完成碳化和硝化反应。之后污水进入快速澄清区进行泥水分离后，污泥回流至进水区与进水混合，清水由上部的集水槽收集外排。在曝气池的一端设置与缺氧池联通的管线，部分污水通过该管线进入缺氧池完成反硝化后回流至曝气池进水区。为了方便进行对比，在缺氧池内也设置一个澄清出水区以便观察反硝化效果。

5.2 中试装置设计参数

原水进水：0.5~0.6 m3/h；操作水温：20~25 ℃；pH：7.4~7.7；甲醇投加量：14 L/d；溶解氧：0.8~1.0 mg/L；由于设置了大比例回流，因此污泥浓度提高至6.0~7.0 g/L。

设置缺氧池1座，有效池容：24 m3；曝气池1座，有效池容：48 m3；曝气池与缺氧池的总池容：72 m3。

配置罗茨鼓风机2台，一用一备，单台风量2.4 m3/min。

5.3 中试过程、结果和分析

试验第一阶段，未设置单独的缺氧池，拟采用同步硝化反硝化的手段对原水进行脱氮，同时进水也完全采用原水。在试验期间，系统出水的COD和TN均居高不下。详见表7。

第二阶段，对系统设置单独的外置缺氧池，并且利用工业水与原水进行近似等比例的稀释，装置稳定后某时段曝气池和缺氧池出水数据见表8。

表7 中试第一阶段某时段曝气池出水数据Tab. 7 Output data from aerobic tank of a certain period in the first stage of the pilotscale experiment

从以上的数据对比中可以看出，进水直接采用原水时，处理效果远远低于出水指标的要求。而当进水采用高低浓度污水混合进水后，出水的指标已经可以达到较理想的状态（其中缺氧池出水CODCr的浓度偏高，主要是补充的甲醇剂量尚未调整到最合理的状态所致），这一中试结论与之前的计算结果基本一致。

表8 中试第二阶段某时段曝气池和缺氧池出水数据Tab. 8 Output data from aerobic tank & anoxic tank of a certain period in the second stage of the pilotscale experiment

6 结论

（1）最小反硝化率fdemin是验证脱氮设计方案是否能够满足既定工艺要求的重要参数。从fdemin的计算公式可知，fdemin仅与系统的进出水水质有关，而与池容、停留时间和回流比等参数无关。当最小反硝化率达到一定高的数值时，无论池容多大、停留时间多长，回流比多高，都无法实现脱氮的既定目标。

（2）实际反硝化率fde'和硝态液回流比的关系则是衡量系统的脱氮效率和经济性的杠杆。设计中可以通过提高硝态液回流比来增大fde'，从而达到提高系统脱氮效率的目的。但考虑到整个生化系统的平衡性和经济性，硝态液回流比毕竟不可能无限制增加，且当反硝化率达到一定高的数值后，进一步提高硝态液回流比对系统的脱氮能力帮助有限。此时可以考虑适当降低该生化系统的出水标准，将剩余的总氮去除任务交给后续处理工艺，或者用低浓度污水与原水混合后处理以降低系统脱氮的压力。

参考文献

[1]GB 50014—2006室外排水设计规范[S].

[2]DB 31-199—2009 污水综合排放标准[S].

[3]周雹. 活性污泥工艺简明原理及设计计算[M].北京：中国建筑工业出版社，2005：18-52.

[4]GB 50747—2012石油化工污水处理设计规范[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

作者简介：张之骅（1983—），男，工程师，从事环保工艺设计和技术开发。

收稿日期：2015-08-18

中图分类号：TQ 085+.41

文献标识码：A

文章编号：2095-817X（2016）01-0060-000