我國氮肥生產(chǎn)企業(yè)長期以來排放廢水中有機(jī)物與總氮的比值僅為1～2，不能滿足常規(guī)脫氮工藝對處理水質(zhì)碳氮比的需求，因此常需要額外投加甲醇等有機(jī)物對碳源進(jìn)行補(bǔ)充，處理成本過高; 而目前，國內(nèi)外對適用于低碳氮比廢水的如短程硝化反硝化、厭氧氨氧化等新型脫氮工藝多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，工程應(yīng)用實(shí)例很少。因此，作者從實(shí)際污水處理廠倒置A2/O 工藝系統(tǒng)中好氧區(qū)部分區(qū)段在控制低濃度DO 運(yùn)行時(shí)其脫氮效果明顯提高的現(xiàn)象中受到啟示，并結(jié)合好氧區(qū)低溶解氧區(qū)域分布與總氮去除率關(guān)系初步分析結(jié)果，提出缺氧/厭氧/微氧/好氧工藝(A2/O2 工藝)，在中試取得較好生物脫氮效果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用于河南某氮肥化工企業(yè)廢水處理站(15 000 m3/d)。運(yùn)行結(jié)果表明，在不額外投加碳源的條件下，出水COD、氨氮、總氮等水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到國家和河南省《合成氨工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

在A2/O2系統(tǒng)中，由于存在多個(gè)不同運(yùn)行條件的功能區(qū)，且較倒置A2/O 工藝增加了一個(gè)微氧區(qū)向厭氧區(qū)的混合液回流，因此其運(yùn)行狀況更加復(fù)雜，各種氮化合物濃度在不同功能區(qū)中由于稀釋和降解而變化多樣。為深入了解該系統(tǒng)的運(yùn)行情況，依據(jù)系統(tǒng)處理效果、各功能區(qū)碳源消耗、氮化物濃度沿程分布和運(yùn)行參數(shù)變化，對其反應(yīng)過程進(jìn)行分析，證實(shí)了A2/O2工藝生物脫氮過程具有短程硝化反硝化的特征。借鑒城市污水廠中的比能耗指標(biāo)對A2/O2生物處理系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析，為國內(nèi)同類廢水生物脫氮處理提供借鑒。

1、工程概況

1. 1 原水水質(zhì)

河南某大中型煤化工企業(yè)的生產(chǎn)能力已分別達(dá)到24×104 t/a 合成氨、40×104 t/a 尿素、6×104 t/a精甲醇、6×104 t/a 甲胺和6×104 t/a 二甲基甲酰胺(DMF)。實(shí)際綜合排水和設(shè)計(jì)處理水質(zhì)見表1。廢水碳氮比在1～2 的范圍內(nèi)波動(dòng)，具有明顯的低碳氮比水質(zhì)特征; 綜合排水具有較好的可生化性(B/C值約為0．45)，可為廢水生物脫氮處理提供第一類碳源。

1. 2 A2/O2 工藝系統(tǒng)

該企業(yè)采用A2/O2 工藝處理綜合廢水，設(shè)計(jì)規(guī)模為15 000 m3/d，工藝流程見圖1。該工藝是在現(xiàn)有倒置A2/O 工藝的基礎(chǔ)上，通過控制微氧池中DO濃度、pH 值，并增加微氧池至厭氧池的混合液回流來使短程硝化反硝化成為系統(tǒng)脫氮的主要途徑之一，實(shí)現(xiàn)低碳氮比氮肥生產(chǎn)廢水高效低耗脫氮。廢水首先進(jìn)入缺氧池，與回流污泥及來自好氧池的回流液混合進(jìn)行反硝化脫氮。然后進(jìn)入?yún)捬醭?，在此與來自微氧池的回流液混合進(jìn)行短程反硝化; 厭氧池中安裝填料，為厭氧氨氧化的發(fā)生提供一定的可能性。接著廢水進(jìn)入微氧池中進(jìn)行以短程硝化為主的硝化反應(yīng)，反應(yīng)后的出水進(jìn)入好氧池中進(jìn)行全程硝化反應(yīng)。通過以上生物組合池的處理后，廢水中大部分氨氮、總氮和有機(jī)物被去除。

各反應(yīng)池設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)如表2 所示。系統(tǒng)內(nèi)污泥濃度維持在2 000～3 000 mg/L，監(jiān)測期間水溫為20～30 ℃。

2、結(jié)果與討論

2. 1 A2/O2 工藝對污染物的去除效果

調(diào)試完成后，對A2/O2 工業(yè)化裝置進(jìn)行3 個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測，考察其對COD、氨氮和總氮的處理效果。監(jiān)測期間進(jìn)水COD、氨氮和總氮的變化幅度均較大，且COD超出設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)下限頻率為95．6%，氨氮和總氮超出設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)上限頻率為7%和5%，表明實(shí)際水質(zhì)碳氮比明顯低于設(shè)計(jì)水質(zhì)。在此情況下，出水COD、氨氮和總氮分別滿足50、15 和50 mg/L 排放標(biāo)準(zhǔn)限值的達(dá)標(biāo)率依次為94．2%、94．7%和90．2%，表明A2/O2 工藝對COD、氨氮和總氮具有良好的去除效果和較好的抗沖擊負(fù)荷能力。

2. 2 污泥負(fù)荷與處理效果關(guān)系

監(jiān)測期間各污染物的去除率都有隨著污泥負(fù)荷升高而升高的趨勢。COD負(fù)荷多集中在0．02～0．07kgCOD/(kgMLSS·d) 范圍內(nèi)，去除率約為65%～90%; 氨氮和總氮負(fù)荷分別集中在0．01～0．04kgNH3-N/(kgMLSS·d ) 和0．02～0．05kgTN/(kgMLSS·d) 范圍內(nèi)，去除率分別為90%～97%和56%～73%。總體來說，在監(jiān)測期間污染物能夠得到較好的去除，這也為同類工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了借鑒。

2. 3 污泥沉降性能

在運(yùn)行期間系統(tǒng)內(nèi)SVI 值比較穩(wěn)定，基本都在60～100 mL/g 之間。雖然微氧池中DO 濃度平均只有0．6 mg/L，但由于其后端好氧池內(nèi)DO 濃度維持在較高水平(2．2 mg/L)，并且停留時(shí)間達(dá)到9 h，因此并未對污泥的沉降性能造成顯著的影響，有效避免了常規(guī)低DO 條件下短程硝化反硝化工藝中常見的污泥膨脹問題。

2. 4 COD、氮化合物濃度和控制參數(shù)沿程分布

在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，對A2/O2 系統(tǒng)各功能區(qū)中COD和各類氮化合物濃度及運(yùn)行控制參數(shù)進(jìn)行30d 連續(xù)監(jiān)測，其平均值結(jié)果如圖2 所示。

廢水首先進(jìn)入缺氧池，與來自好氧池的混合液以及來自二沉池的回流污泥混合，氨氮濃度大幅下降。好氧池混合液帶來的大量NOx--N，在缺氧池DO 均值為0．2 mg/L 條件下可充分利用進(jìn)水中的碳源進(jìn)行反硝化反應(yīng)。根據(jù)碳平衡計(jì)算可知，約44．6%的COD是在缺氧區(qū)中經(jīng)反硝化降解的。由于反硝化過程中會產(chǎn)生一定的堿度，缺氧池中pH值保持在7．6 左右。

厭氧池接收了來自缺氧池的出水及微氧池150%的混合液，氨氮濃度進(jìn)一步稀釋。同時(shí)，厭氧池集中了來自缺氧池和微氧池中大量的NOx--N，在厭氧池中(DO 值約為0．16 mg/L) 利用剩余碳源可進(jìn)行進(jìn)一步的反硝化反應(yīng)，使得約27．8%的COD得以去除。值得注意的是，由于來自微氧池回流液的NOx--N中約50%為NO2--N，其反硝化過程所需碳量較NO3--N減少40%左右，因此可有效減少系統(tǒng)碳的消耗，實(shí)現(xiàn)不外加碳源條件下TN 的達(dá)標(biāo)排放。另外，來自微氧池的低pH 值回流混合液部分抵消了反硝化過程產(chǎn)生的堿度，使得厭氧池內(nèi)pH值從7．6 降至7．4。

微氧池中DO 約為0．6 mg/L，厭氧池出水帶來的COD和氨氮在有氧環(huán)境下可分別發(fā)生碳化反應(yīng)和硝化反應(yīng)。但是由于該廢水本身COD濃度較低，在之前缺氧區(qū)和厭氧區(qū)中的反硝化過程中又消耗了大部分，因此微氧池中COD濃度較厭氧池中下降的幅度很小，僅為22．9%; 而氨氮濃度下降約40%。通過對亞硝酸鹽和硝酸鹽的濃度進(jìn)行比較可以看出，微氧區(qū)內(nèi)的亞硝酸鹽積累率達(dá)到48% 左右，接近短程硝化反硝化的判斷標(biāo)準(zhǔn)(50%) 。這主要是因?yàn)檩^低的DO 濃度(DO＜1．0 mg/L) 對硝化細(xì)菌的抑制程度大于亞硝化菌，更有利于亞硝化菌的富集。另外，由于亞硝化菌的真正基質(zhì)FA 對硝化細(xì)菌也具有明顯的抑制作用，所以在微氧池內(nèi)投加堿度保持pH 值在7．8 左右，可使FA 濃度(0．95 mg/L) 處于硝化菌的抑制范圍而不會對亞硝化菌產(chǎn)生影響。因此通過DO 和pH 值控制，可強(qiáng)化微氧池內(nèi)短程硝化反應(yīng)的進(jìn)行，為整個(gè)A2/O2 系統(tǒng)的高效低耗脫氮打下基礎(chǔ)。在A2/O2 工藝的小試中，保持同樣的運(yùn)行條件可使微氧區(qū)的亞硝酸鹽積累率達(dá)到90%以上，可是在實(shí)際工程應(yīng)用中由于其水量水質(zhì)波動(dòng)均較大，因此亞硝酸鹽積累率只能達(dá)到48%左右，但是從前述處理效果可以看出，其已可較好地滿足實(shí)際工程對出水達(dá)標(biāo)排放的要求。

好氧池中DO 濃度均值為2．2 mg/L; 受硝化過程堿度消耗影響，其pH 值下降至7．2。在此條件下硝化細(xì)菌占據(jù)優(yōu)勢地位，因此可將來自微氧池的NO2--N和氨氮充分氧化為NO3--N，其亞硝酸鹽積累率下降至23．2%，恢復(fù)全程硝化運(yùn)行。由于在之前微氧池中可生物降解的COD基本已經(jīng)消耗殆盡，因此好氧池中COD濃度基本沒有變化; 而氨氮經(jīng)好氧池進(jìn)一步硝化處理后，出水從14．7 mg/L 降至5．1 mg/L，保證了出水氨氮的達(dá)標(biāo)排放，這說明A2/O2 系統(tǒng)中好氧池的設(shè)置是十分必要的。

2. 5 A2/O2 生物處理系統(tǒng)能耗分析

借鑒城市污水處理廠比能耗分析的方法，對廢水處理站內(nèi)A2/O2 系統(tǒng)的用電設(shè)備進(jìn)行了實(shí)際電耗檢測，取三次檢測耗電量均值統(tǒng)計(jì)其比能耗，即噸水處理電耗及處理1kgCOD、氨氮、總氮電耗等，結(jié)果如圖3 所示。

廢水處理站A2/O2 系統(tǒng)噸水比能耗和COD比能耗分別達(dá)到0．43 kW·h/m3 和1．51 kW·h/kg，氨氮和總氮比能耗分別為3．43 kW·h/kg 和2．94kW·h/kg。工程應(yīng)用表明: A2/O2 工藝是一種較為節(jié)能的氮肥生產(chǎn)廢水生物脫氮處理工藝。

3、結(jié)論

①采用A2/O2 工藝處理氮肥工業(yè)廢水(15 000 m3/d)，在實(shí)際處理負(fù)荷變化較大的情況下，出水COD、氨氮、總氮等指標(biāo)可滿足國家和河南省《合成氨工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

②穩(wěn)定運(yùn)行期間，COD、氨氮和總氮污泥負(fù)荷分別為0．02～0．07kgCOD/(kgMLSS·d)、0．01～0．04kgNH3-N/(kgMLSS·d) 和0．02～0．05kgTN/(kgMLSS·d)，其去除率基本可穩(wěn)定在65%、90%和56%以上，并可有效避免低DO 條件下污泥沉降性能不佳的問題。

③控制微氧池DO 值為0．6 mg/L、pH 值為7．8，并提高其混合液回流比至150%，亞硝酸鹽積累率達(dá)到48%，處理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化運(yùn)行。

④ A2/O2 系統(tǒng)噸水和COD比能耗分別達(dá)到0．43 kW·h/m3 和1．51 kW·h/kg，氨氮和總氮比能耗分別為3．43 kW·h/kg 和2．94 kW·h/kg，該工藝在處理氮肥化工廢水脫氮過程中實(shí)現(xiàn)了低能耗運(yùn)行。