城市污水高效处理工艺的分析

乔韵青

（黄河水利出版社有限责任公司，河南 郑州 450003）

引言

目前我国城市污水内的碳、氮含量普遍为4 mg/L，呈现典型的低污染特性，通常采用全程硝化反硝化处理方案进行污水处理，虽然能够满足污水处理要求，但是在处理过程工艺流程复杂、碳源消耗量大、污水中总氨去除率低，严重影响了污水处理效率和经济性。

通过对污水处理过程的分析，本文提出了一种新的短程硝化反硝化污水处理工艺，对其工艺过程和最佳工作环境进行了分析验证，实际验证表明，新的污水处理工艺能够将总氨去除率提高14.5%，净化时无碳源需求，对提升城市污水处理效率和经济性具有十分重要的意义。

1 短程硝化反硝化原理

目前城市污水处理过程中采用的是全程硝化反硝化处理工艺，在生产过程中，首先在富氧的环境下进行NH3-N→NO2--N→NO3--N转变，然后再经过缺氧环境中进行NO3--N→NO2--N→N2，最终去除水中的氨。通过对整个硝化反硝化过程的分析，在富氧环境中将NO2--N转变为NO3--N和在缺氧环境中将NO3--N转变为NO2--N完全是一个相反的过程，该过程的存在不仅增加了硝化过程的工艺流程，而且也增加了在污水处理过程中碳源的需求。

结合城市污水处理的实际需求，采用新的短程反硝化处理工艺，该工艺省略了NO2--N和NO3--N相互转变的环节，有效缩短了整个污水处理流程，减少了反应容器的容积。该处理工艺的核心是为氨氧化细菌提供一个富氧的环境，抑制亚硝态氮氧化细菌的活性，从而提高短程硝化反硝化过程[1]。在处理过程中的溶解氧分布情况对短程硝化反硝化的影响巨大，因此，本文重点对不同溶解氧分布对短程硝化反硝化过程的影响情况进行分析。

2 溶解氧对短程硝化反硝化过程影响验证方案

为了获取短程硝化反硝化的最佳运行环境，提高短程硝化反硝化效率和经济性，本文提出了一种富氧/缺氧交替运行测试方案[2-3]，建立了短程硝化反硝化生物试验池，其整体结构如图1所示。

在该生物试验池中，风管控制阀分别用于控制好氧前端、中端及后端的控制阀，用于对整个试验池内好氧端的曝气量进行控制，在生物池中设置了3个在线溶解氧仪器，用于对好氧前端、中端及后端的溶氧量进行监测，在试验池内还设置有3个推流器，分别位于厌氧池、好氧池的前端、好氧池的终端，用于对整个试验池内的污水进行导流，满足连续试验的需求。

在试验过程中，通过对3组风管控制阀的调整，使试验池内的反应区域在富氧和缺氧的状态下交替运行，在氮素转换为NO2--N后，马上进入到缺氧环境中进行反硝化脱氮，进而提升在污水处理过程中的脱氮效率。本文设置了7组试验条件，对最佳短程硝化反硝化条件进行验证，各种试验条件汇总如表1所示。

表1 短程硝化反硝化参数表

3 试验结果分析

根据7种试验工况，对在短程硝化反硝化过程中的氨、氮的变化情况进行分析，在反应过程中氮素的形态和亚硝态氮的变化情况如下页图2所示。

由图2可知，在工况A和工况B的情况下，溶液内的NO3--N的质量浓度平均在14.1 mg/L，而此时溶液内NO2--N的平均质量浓度仅不到0.18 mg/L，溶液内亚硝态氮的占比小于1.4%，该过程是典型的全程硝化过程，对水中氨的去除率约为97.7%，对总氮的去除率低于59%。

针对以上两种工况的情况，对溶液内的溶解氧进行了优化。在工况C的情况下，溶液中NO3--N的含量有了略微降低，NO2--N的平均质量浓度从不到0.18 mg/L上升到了0.72 mg/L，对氨氮的去除率约为96.4%，对水中总氨的去除率约为60.2%。

当在D和E工况情况下，溶液中NO3--N的质量浓度有了进一步的下降，其平均质量浓度从最初的14.1 mg/L降低到了目前的2.12 mg/L。溶液中NO2--N的质量浓度从0.83 mg/L提高到了5.64 mg/L，溶液中出水氨氮的质量浓度降低到了0.69 mg/L，溶液内总氮的质量浓度降低到了8.44 mg/L，总氮去除率约为74.5%，比在工况A情况下提升了约14.5%。

在工况F、G的情况下，可以看到虽然溶液中的总氮去除率可以继续下降，但溶液内的氨氮质量浓度却快速提高，最高已经达到了2.49 mg/L，已经远远超出了水质安全的需求，因此该工况下的溶解氧无法满足安全过滤的需求。

通过分析可知，在工况A和工况B情况下，溶液内总氮含量较高，主要是溶液内溶解氧的含量较大，硝化反应进行得比较彻底，但由于大量溶解氧的存在，对反硝化脱氮产生了极大的抑制作用，水中的氮元素主要是以NO3--N的形式存在。但在C工况下，通过降低溶液内溶解氧的浓度，使溶液中NO3--N的浓度下降，表明降低溶解氧可以降低NOB的增长，提高总氮去除效率。在工况D和工况E的情况下，在区域II和区域III内进行缺氧工况和富氧的交替，此时亚态硝酸盐的累积率约为66.7%，完全达到了短程硝化及反硝化的需求。在工况G和F的情况下，在区域III内的溶解氧浓度较低，导致溶液内的氨氮指标出现明显的波动，难以满足水体净化的安全性需求。

4 碳源消耗情况分析

碳源是维持废水内微生物生长繁殖所必须的，直接决定了微生物的活性，对污水处理效果的影响巨大[4-6]。在不同工况下碳源的需求情况如图4所示。

由图4可知，在工况E、工况F和工况G的情况下，碳源的投入量均为0。而在工况A的情况下，碳源的投入量约为600 kg。因此，采用工况E的短程硝化反硝化过程，能够取消碳源的投入，极大地提升了污水处理效率和经济性。

5 结论

针对城市污水处理中采用全程硝化反硝化工艺所存在的碳源消耗量大、污水中总氨去除率低的现状，提出了一种新的短程硝化反硝化污水处理工艺。对该工艺情况的最佳应用工况进行分析，结果表明：

1）短程反硝化处理工艺省略了NO2--N和NO3--N相互转变的环节，有效缩短了整个污水处理流程，减少了反应容器的容积。

2）采用富氧/缺氧交替运行的方案，能够在氮素转换为NO2--N后，马上进入到缺氧环境中进行反硝化脱氮，进而提升在污水处理过程中的脱氮效率。

3）新的污水处理工艺能够将总氨去除率提高14.5%，净化时无碳源需求，对提升污水净化效率和经济性具有十分重要的意义。