生物脱氮系统的设计与运行

李英玲，向 坤

（万华化学（宁波）有限公司，宁波 815312）

废水系统中的氮元素主要以有机氮、氨氮、硝态氮的形式存在，而氮元素是微生物、植物、动物生长的必需元素，是合成蛋白质最基本的构成组分，被称作营养素。当过量的氮元素排入受纳水体时，会造成藻类等的加速生长。随着国家对水体环境要求的逐步提升，人们对于外排废水的总氮控制进一步加强。自2017年7月1日起，宁波某工业园外排氨氮指标要求从35 mg/L调整为5 mg/L，原指标对总氮无要求，提标后，要求外排总氮降低至40 mg/L。工业园现有一套废水处理系统，该废水处理系统处理后氨氮浓度小于5 mg/L，总氮浓度小于80 mg/L，废水系统产水送往中水回用系统处理、回用。在中水回用系统反渗透装置的作用下，产生的反渗透浓水氨氮提升至5 mg/L，总氮提升至120 mg/L，无法满足外排要求。现阶段含氮废水的处理方式主要有生物法、化学法、物理法，基于经济性和处理效果的考虑，采用生物法降低外排反渗透浓水中的氮含量。

1 基本原理

生物脱氮主要通过硝化作用和反硝化作用实现[1]。

硝化作用是在微生物的作用下将氨氮（NH4-N）氧化为亚硝酸盐氮（NO2-N），亚硝酸根进一步被氧化为硝酸盐氮（NO3-N）的过程，这一过程可以用式（1）～式（3）表示。

亚硝化菌：

硝化菌：

总氧化反应：

硝化过程中所涉及的细菌通常都是自养菌，其

图1 生物脱氮过程中氮的转化

根据式（4），每氧化1 g氨氮需要消耗7.14 g碱度和4.33 g氧气。

反硝化作用是在缺氧条件、微生物的作用下将亚硝酸盐氮、硝酸盐氮还原成气态氮（N2）的过程，这一过程可以用式（5）和式（6）表示。

对于硝酸盐：

对于亚硝化盐：

式（5）和式（6）中电子的供体为有机物，为微生物提供能量并被氧化稳定。根据一般规则估算，每还原1g硝酸根需要4 g BOD。

2 生物脱氮系统工艺流程

在实验室条件下，利用反硝化工艺对反渗透浓水进行试验处理，因反渗透浓水生化性较差，其主要表现为COD较高而BOD较低，BOD/COD低，以取样结果计算，其BOD/COD小于0.1，为保证在反硝化过程中有足够的有机物电子供体，以工业园副产甲醇作为其有机物来源。试验进水水质情况如表1所示。

从水质情况看，总氮主要来源为硝酸根，实验室中调整BOD5/TN在3～5，同时控制进水pH在7～8，温度25～35℃，溶解氧含量小于0.5 mg/L，利用现有生化系统污泥进行驯化，驯化4 d后，厌氧污泥即可快速进行反硝化反应，在碳源足够的情况下，TN去除率可以达到97%，试验结果如表2所示。

表1 试验进水水质

表2 试验结果

根据试验结果，选取前置反硝化工艺对反渗透浓水中的总氮进行去除，以MBR膜取代二沉池实现泥水分离，以工业园副产甲醇作为反硝化阶段有机碳源，设计工艺流程如图2所示[2]。

图2 设计工艺流程

3 系统设计

生物脱氮系统的设计按照缺氧/好氧系统设计方法，其基本原则为根据废水流量和特性计算好氧区硝化过程，进而计算出混合液浓度，根据缺氧区总的硝酸盐浓度计算内回流比，选定缺氧池容积及布置，然后进行缺氧区计算验证，确定合理的缺氧池设计结果，进而对好氧区需氧量、碱度等进行计算，最终确定生物脱氮系统设计，具体计算流程如图3所示[3]。

图3 生物脱氮系统设计计算流程

此次设计进水流量150 m3/h，调整后进水COD为1 200 mg/L，进水硝酸盐浓度150 mg/L，进水氨氮浓度10 mg/L。设计出水COD为60 mg/L，出水硝酸盐浓度30 mg/L，出水氨氮浓度小于5 mg/L。

根据现场空间及设计计算结果，设计选定各构筑物及工艺情况如下：储水池800 m3，缺氧池1 500 m3，好氧池1300 m3，膜池80 m3[4]。

设计内回流比IR=4，设计污泥龄70 d，在30℃时，日处理总氮可达690 kg。

MBR膜选用某品牌的中空纤维膜组件。

4 运行控制关键因素

由于本系统主要考虑来水中硝酸盐的去处，因此运行过程中主要关注反硝化系统的控制条件。

4.1 有机碳源

有机碳源是微生物生长和繁殖所需能量的主要来源，同时根据反硝化过程的作用机理，有机碳源作为反硝化过程的电子供体，对于反硝化过程具有至关重要的作用。一般认为当BOD/TN≥4时，可以达到理想的脱氮目的，当废水中BOD/TN＜3时，需要额外投加碳源[5]。本系统采用副产甲醇作为额外补充碳源，通过DCS系统，根据进水BOD、TN检测值，自动计算甲醇加入量，根据甲醇泵出口流量计，通过变频器自动调节甲醇加入量，确保系统碳源稳定供应。

4.2 溶解氧（DO）

反硝化细菌属于兼性细菌，需保证反硝化过程在缺氧条件下进行，即DO保持在0.5 mg/L以下。本系统中采用在线氧化还原电位（ORP）检测仪监控系统反硝化效果和缺氧系统是否存在过量溶解氧，控制缺氧池内ORP小于-250 mV，可以确保系统具有优异的反硝化性能。

4.3 pH

在反硝化脱氮反应中会产生碱度，pH值一般总是升高的，与硝化有机体相反，pH值的变化对脱氮反应的影响较小。一般情况下，当pH值在7～8时，脱氮效率不受显著影响。当pH低于6.0～6.5时，最终产物中N2O占优势，当pH大于8时，会出现NO2

-的积累。为控制生化系统的pH，确保生化反应在适宜的pH范围内进行，在好氧段设置有在线pH计，信号引入DCS系统中，在好氧段入口设置pH调节系统，通过加入酸、碱调节好氧段pH在7.5～8.0，酸碱加药管线上设置调节阀，加入量根据pH显示值分段自动调整。

4.4 温度

温度对于脱氮处理工艺具有较为显著的影响，对于反硝化过程，最适宜的温度为20～35℃，当温度低于15℃时，反硝化速率明显下降，当温度低于5℃时，虽然反硝化反应能够进行，但是速率极低。

图4 pH对反硝化速率的影响

5 结论

通过对目前反渗透浓水水质的分析，与提标后的排放指标进行对标，差距主要存在于硝态氮的脱出。根据实验室研究、试验，利用生化法的反硝化可以对硝态氮有良好的脱除作用。根据设计计算，利用外加副产甲醇作为有机碳源，将BOD/TN调整为4，并严格控制缺氧段ORP、pH、温度等条件，可以将来水中的总氮脱除至40 mg/L，硝酸盐的脱除率可以达到95%。