设计案例 | 污水处理厂循环式硝化脱氮法设计与运行管理

再生水作为新型的水资源，其回收和利用日益受到重视，可广泛应用于洗车、绿化浇水和生产过程中的冷却用水等。但是,一般的活性污泥法不能有效地去除污水中氮、磷等无机污染物，需对污水处理厂实施改造,以达到高效除磷脱氮,并提高出水水质。通过对污水处理厂的SRT和A-SRT值、MLSS浓度和循环比以及二沉池负荷等运行指标进行设定并对部分处理设施实施改造，即可取得理想的出水水质。在日本东京的森崎水资源再生中心等设施中导入了循环式硝化脱氮法，取得了很好的运行效果。本文通过实际案例介绍循环式硝化脱氮法的设计及运行管理，为其他类似工程案例提供技术参考。

Part 1 循环式硝化脱氮法的原理和工艺流程

1.1 生物脱氮的原理

循环式硝化脱氮法是采用好氧缺氧的生物脱氮方法，使溶解于污水中的氮化合物width=69,height=17,dpi=110最终分解成氮气(N2)逸出水体而得到有效处理。首先是在氧气充足的水体中硝化，把有机氮转化成无机氮，然后在缺氧的水体中把无机氮转化成N2。

(1)硝化过程

在好氧池中，通过自养型菌类的亚硝酸生成细菌(主要为Nitrosomonas)和硝酸生成细菌(主要为Nitrobacter)的作用，把有机氮width=69,height=17,dpi=110氧化成硝酸性氮width=75,height=14,dpi=110这个过程称为硝化反应。

(2)脱氮过程

将硝化反应后含有width=79,height=14,dpi=110的硝化液循环送入缺氧池中。由于池内几乎不存在溶解氧，在厌氧性细菌的作用下，使硝酸盐类氮素得到还原，把width=35,height=14,dpi=110和width=35,height=14,dpi=110还原成N2。这些厌氧性细菌统称为脱氮细菌[1]。脱氮过程中的H+是由污水中的有机物以及活性污泥微生物细胞内的有机物释放的，因此，只要确保有机物浓度在一般城市污水的程度之下，就可保证脱氮效果，而不需要再从外部加入H+供应体(如甲醇、氢氧化钠等)。

1.2 循环式硝化脱氮法的工艺特点

对于一般城市污水，经一沉池沉淀后的流入水，总氮的年平均去除率可以达到60%～70%。本方法的脱氮率受流入水水温、流入水的氮素和有机物的浓度、缺氧池和好氧池中浮游物质的滞留时间、循环比、MLSS浓度、好氧池中溶解氧的浓度和pH等的支配和影响。因此，在决定设计目标水质时，有必要对上述设计条件进行考虑和研究。另外，如果希望达到更高的脱氮率，可以考虑采用消化液，使脱氮率提高10%[2]。

本处理方法和活性污泥法相比，有以下几个特点。

(1)脱氮率的目标值设定在60%～70%时，生物反应池的容积将大于标准活性污泥法的曝气池。

(2)生物反应池将被分成两段，缺氧池需有保证维持缺氧状态的构造。

(3)需具备使硝化液进行循环的泵设备。

(4)生物反应池内的MLSS浓度高于标准活性污泥法的值。因为提高了二沉池中流入浮游物的负荷，有必要降低设计水面负荷，并增大反应池的有效水深。

(5)循环泵和缺氧池等的设置，相应会增加运行管理项目。

(6)本处理方法不仅具有较高的脱氮率，BOD、SS的去除率也会同时提高。

1.3 循环式硝化脱氮法工艺流程

本方法的主要工艺流程为：反应池前半段缺氧池进行脱氮，后半段通过曝气保证溶解氧的浓度，进行硝化反应，硝化液通过循环泵返送回缺氧池，最终达到脱氮的目的。另外，根据流入水的水质情况，适当添加甲醇(CH3OH)或强碱(NaOH)以保证处理效果。运行初期或雨天，进水BOD浓度偏低，可设置直接将经沉砂池后的进水送入生物反应池。工艺流程如图1所示[2]。

Part 2 循环式硝化脱氮法的设计方法

2.1 设计流程

采用循环式硝化脱氮法需首先按国家污水排放标准或再生水水质要求设计出水水质，并根据集水区相关资料等设计水量、进水水质和水温等参数，通过计算确定生物反应池、循环泵等设备的设计容量、停留时间、曝气量等参数，设计流程如图2所示[3]。

2.2 主要参数的设定

(1)设计水温、水量和水质

由于循环式硝化脱氮法的硝化细菌增殖速度和脱氮效率会随温度的下降而降低，为保证冬季的出水水质，建议设计水温为一年中月平均值的最低值，生物反应池的设计容量和水质参数参考冬季的相关数据，其中设计水量以冬季的日进水水量最大值为基准[4]。

(2)SRT和A-SRT

污泥停留时间(SRT)计算方法为系统中全部浮游固体质量除以一天中从污水系统中排出的浮游固体物总质量(包括剩余污泥量与处理水中的浮游物质量)。分析各类微生物的不同增殖速度来调整SRT值，可以有效控制活性污泥中的微生物，从而提高处理效果。

脱氮的硝化菌是好氧菌，应该以控制好氧的浮游固体物质在处理系统中的滞留时间(aerobic-SRT)为准，以θXA来表示。硝化细菌的增殖速度受温度的影响，根据试验结果，θXA与温度(T)的计算如式(1)[4]。

θXA=δ×20.6e(-0.062 7T)

(1)

其中：δ——进水碳氮浓度的变动修正系数，一般取1.2～1.5。

设计中θXA取值应大于式(1)的计算值。

(3)MLSS浓度和循环比

为了保证硝化细菌的含量，A-SRT尽可能取最大值，因此，MLSS浓度需高于标准活性污泥法。为了在减少供气量的同时保持MLSS浓度处于低值范围，在实际的处理运行中，夏季由于硝化细菌增殖速率较快，可以把MLSS浓度设定在较小值。

MLSS浓度是影响反应池容量的关键参数。根据运行经验，MLSS浓度为2 000～3 000 mg/L，考虑到冬季的情况，MLSS浓度的设计值建议选取3 000 mg/L[4]。

(4)好氧池和缺氧池的容积

好氧池的容积VA与进水水量Qin和污水在好氧池内的滞留时间tA有关。而tA与进水浓度、污泥的转换率、好氧池中的活性污泥量以及θXA有关，具体计算如式(2)。

VA=Qin×tA

tA=θXA×(a×CsBOD,in+b×Css,in)/[(1+C×θXA)×X]

(2)

其中：Qin——进水水量，m3/d；

θXA——好氧浮游固体物的滞留时间，d；

CsBOD,in——进水溶解性BOD浓度，mg/L；

Css,in——进水SS浓度，mg/L；

a——溶解性BOD的污泥转换率，单位为g MLSS/(g SS)，一般取值为0.5～0.6；

b——SS的污泥转换率，单位为g MLSS/(g SS)，一般取值为0.9～1.0；

C——污泥的自分解系数，1/d；

X——MLSS浓度，mg/L。

缺氧池的容积VDN为反应池容量V和好氧池容量VA之差，V计算如式(3)。

V=CBOD,in×Qin/(LBOD/X×X)

(3)

其中：CBOD,in——进水BOD浓度，mg/L；

LBOD/X——BOD-SS负荷[kg BOD/(kg MLSS·d-1)]，根据经验取值为0.05～0.10 kg BOD/(kg MLSS·d-1)。

(5)脱氮速度定数

脱氮速度定数KDN[mg N/(g MLSS·h)]表示单位时间内一定浓度的活性污泥去除氮素能力的定数，其计算如式(4)。

KDN=LNOX，DX×10³/(24VDN×X)

(4)

其中：LNOX，DX—循环回缺氧池的硝化液中含有氮素(NOT-N)的总量，kg/d。

LNOX，DX由循环泵返送回缺氧池的量和回流污泥泵返送回的两部分求和得出，污水厂流入原水中的NOT-N可忽略不计，因此，LNOX，DX计算如式(5)。

LNOX,DX=CNOX,DX×(Qr+Qc)×10^-3

(5)

其中：Qr——污泥返送量，m³/d；

Qc——循环水量，m³/d。

CNOX,DX可以根据进水中氮浓度CTN,in(mg/L)由式(6)求得。

CNOX,A=α×CTN,in/(1+R)

(6)

其中：α——CTN,in中将被硝化去除的氮比例，一般取0.6～0.7；

R——循环比(常数)。

(6)曝气量

本处理方法的曝气量需满足有机物的氧化、硝化脱氮、内源呼吸需求以及维持好氧池中溶解氧的浓度。有机物的氧化需氧量DB，微生物的内生呼吸所需量DE和溶解氧浓度的维持需氧量DO的计算方法与标准活性污泥法类似。硝化脱氮需氧量(kg/d)计算如式(7)。

DN=α×CTN,in×Qin×103×4.57

(7)

其中：α——设计全氮素CTN,in中将被硝化去除的比例，一般取0.6～0.7；

4.57——单位铵性氮素硝化时需氧量，width=126,height=17,dpi=110

总需氧量ΣD=DB+DE+DO+DN，根据ΣD可计算出曝气量。

(7)二沉池的负荷

由于本方法需要保持MLSS在高浓度下运行，需增加二沉池中的进水浮游固体负荷。二沉池需保持在比标准活性污泥法低的水面积负荷，按经验取值为15～25 m3/(m2·d)。由于细微的污泥流出会使水的氮浓度上升，为了便于运行管理，需保持一定的水量余地，二沉池的有效水深按经验取值为3.5～4.0 m[3]。

Part 3 运行管理的注意事项

3.1 水质管理

为了保证设施的除氮效率，运行时除了日常的水质管理，还必须对缺氧池和好氧池内的水质进行定期监测，以针对水质情况判断设施的运行状况并及时调整。主要测定项目和取水点如表1所示[5]。

3.2 反应池进水水质的调整

反应池的进水有机物浓度偏低时，会造成缺氧池内的脱氮效率低下。因此，必须对反应池的进水水质进行调整，方法主要有两种：减少初沉池的使用数，降低初沉池内的有机物去除率；沉砂池出水直接送入生物反应池[5]。

3.3 缺氧池的氧化还原电位

测定池内的氧化还原电位(ORP)可以准确把握反应池的缺氧状况，保证脱氮反应的正常进行。ORP越低，表明缺氧池中的溶解氧浓度越小，利于脱氮反应的进行，ORP偏高，可以采取如下对策。

(1)调整好氧池的供氧量，使其末端的溶解氧浓度(MLDO)不会处于较大值。

(2)在搅拌缺氧池内的脱氮液时，避免采用把大量空气带入水中的机械。

(3)减少循环比，尽量减少从循环回流的硝化液中带入缺氧池的溶解氧。

3.4 好氧池的溶解氧浓度

好氧池内溶解氧浓度过低，会减慢硝化反应的速度，过高又会影响缺氧池脱氮的效果，并增加污水的处理成本。根据运行管理经验，好氧池末端的合理溶解氧浓度为1.5 mg/L。

3.5 二沉池的管理

二沉池的管理应注意尽量降低二沉池污泥的含水率，以减少污泥的回流量；同时，密切注意污泥的沉淀状况，避免污泥上浮现象的发生。

本工艺生物反应池内MLSS浓度处于较高值，要求高浓度的回流污泥，以减少污泥回流量，维持缺氧池的缺氧状态。过高的污泥浓度会降低二沉池内的污泥沉降性能，因此，需严格管理二沉池泥水界面，防止水质恶化。

3.6 现有活性污泥法处理设施的改造

针对现有活性污泥法处理设施的改造，需要注意以下几点。

(1)为实现快速、稳定的脱氮，需在缺氧池内安装机械搅拌装置。

(2)为防止空气带入水中，硝化液循环装置出口应安装于水面之下，并采用水头损失小的配管方式。

(3)原曝气池改为生物反应池，需在池内造一层隔墙。

(4)为应对二沉池和生物反应池内浮渣等问题，需增设去浮渣设备，防止淤积。

(5)设置初沉池的短路水路。

(6)除了在适当位置设置DO计、MLSS计、ORP计和回流污泥浓度计等外，为了提高硝化效率，并减少能源浪费，需把DO计和ORP计的信息直接反馈到曝气装置的控制系统。

(7)与标准活性污泥法相比，单位处理水量的需氧量会相应增加，因此，要求增大空气供应量。在不改变散气装置的前提下，需重新考虑增加供气装置(鼓风机等)的能力。

Part 4 结论

本文介绍了循环式硝化脱氮法的工艺流程，归纳总结了循环式硝化脱氮法的设计程序以及运行管理的注意事项等，并讨论了主要参数的设定方法。随着经济的发展和各种产业的不断扩大，水环境的污染将日趋严重，需采用有效的处理方式达到高效脱氮、再生利用的目的。

参考文献

[1] 日本下水道协会. 下水道维护管理指针[Z].

[2] 井出哲夫. 水处理工学[Z].

[3] 日本下水道协会. 高度处理设施设计[Z].

[4] 日本建设省土木研究所. 生物学的硝化脱氮处理[Z].

[5] 活性污泥循环变法研究会. 循环式氮素除去的运行管理[Z].