污水處理系統(tǒng)脫氮提標(biāo)運行與優(yōu)化升級改造總結(jié)

張元勇，劉 娟

（兗礦魯南化工有限公司，山東滕州 277527）

0 引 言

總氮是衡量水質(zhì)好壞的重要指標(biāo)之一，由于歷史原因，大部分已建成和正在建設(shè)的城市和工業(yè)污水處理廠（站）的污水處理工藝對COD、BOD、氨氮的去除效果良好，而對總氮的去除效果不理想，加之 《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）也未對總氮指標(biāo)提出要求，這就造成了部分企業(yè)污水處理設(shè)施存在排水氨氮達(dá)標(biāo)而總氮超標(biāo)的情況。

近年來，隨著公眾對環(huán)保要求的逐漸提高，國家逐漸意識到總氮治理的重要性，在《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）、 《合成氨工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13458—2013）中先后提出了總氮排放指標(biāo)要求；2018年，山東省制定《流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB37／3416—2018），明確提出了分行業(yè)、分時段總氮排放限值要求。同時，各地也開始陸續(xù)將排水總氮指標(biāo)納入主要污染指標(biāo)考核范圍內(nèi)，并要求企業(yè)和污水處理廠限期安裝總氮在線監(jiān)測儀器，對企業(yè)而言，污水處理設(shè)施提標(biāo)升級勢在必行。以下對某煤化工企業(yè)污水處理設(shè)施總氮提標(biāo)運行與優(yōu)化升級改造作一介紹。

1 污水處理系統(tǒng)簡況

1.1 系統(tǒng)概況

山東省某煤化工企業(yè)采用水煤漿加壓氣化工藝生產(chǎn)粗煤氣，繼而合成甲醇、醋酸、醋酸乙酯、丁醇、聚甲醛等產(chǎn)品；現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)建于2006—2007年間，其設(shè)計處理能力為26000 m3／d，采用“A／O＋UASB”三級處理工藝，是當(dāng)時國內(nèi)煤化工行業(yè)最大的污水處理裝置。

污水處理系統(tǒng)廢水主要包括煤氣化廢水、有機(jī)化工 （甲醇、醋酸、丁醇、聚甲醛、醋酐、醋酸乙酯等生產(chǎn)裝置）廢水和生活污水，各路廢（污）水混合后進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)及處理后出水水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 污水處理系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)

總之，該煤化工企業(yè)污水處理系統(tǒng)出水達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978—1996）一級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，但出水總氮指標(biāo)達(dá)不到山東省《流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB37／3416—2018）要求，提標(biāo)運行和優(yōu)化改造勢在必行。按照DB37／3416—2018的要求，污水處理系統(tǒng)提標(biāo)改造目標(biāo)為出水總氮含量≤15mg／L。

1.2 工藝原理、工藝流程及主體構(gòu)筑物

1.2.1 工藝原理

生物脫氮法可去除多種含氮化合物，總氮去除率可達(dá)60%～85%，二次污染小且比較經(jīng)濟(jì)，因此在國內(nèi)外應(yīng)用最多。該煤化工企業(yè)污水處理系統(tǒng)總氮治理采用生物脫氮法，即先將有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，然后將氨態(tài)氮進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成氮氣而消除污染，主要包括硝化和反硝化兩個階段。

（1）硝化。硝化反應(yīng)是在好氧條件下通過好氧硝化菌的作用將廢水中的氨氮氧化為亞硝酸鹽或硝酸鹽，包括兩個基本反應(yīng)步驟——由亞硝酸菌參與的將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的反應(yīng)（亞硝化反應(yīng)2NH＋4＋3O2→2NO-2＋2H2O＋4H＋）和由硝酸菌參與的將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的反應(yīng)（硝化反應(yīng)2NO-2＋O2→2NO-3）；反應(yīng)過程中，亞硝酸菌和硝酸菌都是自養(yǎng)菌，它們利用廢水中的碳源，通過與氨氮的氧化還原反應(yīng)獲得能量。

硝化菌的適宜pH范圍為8.0～8.4、最佳生存溫度為35℃。溫度對硝化菌的影響很大，溫度下降10℃，硝化反應(yīng)速度下降50%，DO濃度降至2～3mg／L，BOD5負(fù)荷降至0.06～0.10 kg／（kgMLSS·d），泥齡在3～5d以上。

反硝化菌的適宜pH范圍為6.5～8.0、最佳生存溫度為30℃。當(dāng)溫度低于10℃時，反硝化速度將明顯減慢；而當(dāng)溫度低至3℃時，反硝化過程將停止，DO 濃度降至0.5mg／L以下，BOD5／總氮＞3～5。

1.2.2 工藝流程

該煤化工企業(yè)污水處理系統(tǒng)采用A／O工藝。A／O工藝的優(yōu)越性在于除了能使有機(jī)污染物得到降解之外，還具有一定的脫氮除磷功能。污水處理系統(tǒng)設(shè)計處理能力為26000m3／d，其中生化處理（二級處理）系統(tǒng)為并聯(lián)的兩個系列，單系列處理能力為13000m3／d。升流式厭氧污泥床 （簡稱UASB）是由Lettinga等于1974—1978年研究成功的一項新工藝，該工藝裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、污泥濃度高和泥齡長、運行費用低、處理效率高等優(yōu)點，結(jié)合后續(xù)的接觸氧化池可實現(xiàn)深度脫氮除磷，因此“UASB＋接觸氧化”作為污水處理的三級處理系統(tǒng)使用。污水處理系統(tǒng)工藝流程簡圖見圖1。

圖1 污水處理系統(tǒng)工藝流程簡圖

1.2.3 主體構(gòu)筑物

該煤化工企業(yè)污水處理系統(tǒng)主體構(gòu)筑物：A池2座，總有效容積11000m3；O池2座，總有效容積28000m3；UASB池1座，有效容積850m3；接觸氧化池1座，有效容積5500m3。

2 污水處理系統(tǒng)運行狀況及存在的問題

2.1 運行狀況

從污水處理系統(tǒng)2019年6月運行數(shù)據(jù)中抽取部分具有代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)（表2），可以看出：①系統(tǒng)進(jìn)水CODCr約400mg／L、氨氮約82.9mg／L、總氮約135mg／L，出水CODCr約20.7mg／L、氨氮約0.02mg／L、總氮約40mg／L，表明整個系統(tǒng)對氨氮、CODCr的去除效果很好，出水指標(biāo)完全能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，且O池出水氨氮含量已達(dá)標(biāo)，表明O池硝化充分；②系統(tǒng)進(jìn)水總氮約135mg／L，出水總氮約40mg／L，整個系統(tǒng)對總氮的去除效果不好，且總氮去除主要集中在A／O生化池，后段幾乎沒有去除作用。

表2 2019年6月污水處理系統(tǒng)部分監(jiān)測數(shù)據(jù) mg／L

從現(xiàn)場情況來看，生化處理系統(tǒng)兩個系列混合液的總回流比基本在4左右，實際運行中接觸氧化池基本按缺氧狀態(tài)在運行（運行效果差）。

2.2 污水處理系統(tǒng)存在的主要問題

（1）整個系統(tǒng)總氮脫除效果較差，外排水總氮不能達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求。

（2）A／O工藝具備脫除總氮的功能，但效率不高，經(jīng)計算總氮去除率約為70%。

（3）污泥系統(tǒng)問題突出：系統(tǒng)中生化剩余污泥單獨進(jìn)濃縮池濃縮脫水；初沉池及三沉池污泥單獨進(jìn)另外一個濃縮池，由于濃縮池設(shè)計過小，起不到濃縮作用，因而污泥脫水效果差，且初沉池污泥排放不及時；因初沉池排泥不及時，導(dǎo)致跑泥現(xiàn)象嚴(yán)重，無機(jī)污泥進(jìn)入后續(xù)生化系統(tǒng)，引起活性污泥礦化，擠占了微生物生存空間，造成反硝化脫氮能力低下。

（4）數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)進(jìn)水碳氮比約為3，而反硝化最適宜的碳氮比為5～6，系統(tǒng)碳源不足。

3 提標(biāo)運行與優(yōu)化升級改造措施

3.1 增設(shè)碳源投加設(shè)施以提高A／O池脫氮效果

總氮去除的一個關(guān)鍵是控制適宜的總回流比，總氮的最大去除率是總回流比的函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系式為：

式中 η——系統(tǒng)的總氮去除率，%；

Rm——混合液總回流比，%；

Rs——二沉池污泥回流比，%；

Q——進(jìn)水流量，m3／d。

據(jù)上述函數(shù)關(guān)系式，計算得總回流比為1～10時對應(yīng)的總氮去除率分別為50.0%、66.7%、75.0%、 80.0%、 83.3%、 85.7%、 87.5%、88.8%、90.0%、90.9%。

據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，總回流比宜控制在3～4，即總氮最大去除率可達(dá)75% ～80%。目前該煤化工企業(yè)污水處理系統(tǒng)實際總回流比約為4，理論上總氮去除率可達(dá)80%，但實際去除率僅為70%。經(jīng)分析，造成A／O系統(tǒng)總氮去除率低的主要原因是碳氮比低（約2.5），須增設(shè)碳源投加設(shè)施。為此，在A池采用多點梯度投加方式投加碳源，以提升A池生物反硝化脫氮功能。

具體措施：以該煤化工企業(yè)甲醇生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的雜醇油和廢水作為碳源（其主要成分為甲醇、乙醇及丙醇等，有機(jī)物含量穩(wěn)定），控制進(jìn)水COD在600mg／L、控制生化系統(tǒng)C∶N∶P＝100∶5∶1的營養(yǎng)比例，調(diào)整總回流比在3～4的最佳值，提升總氮、總磷去除率，確保A／O池總氮去除率達(dá)80%。

3.2 增設(shè)碳源投加設(shè)施以優(yōu)化UASB運行

調(diào)節(jié)池進(jìn)水總氮含量約135mg／L，按照設(shè)計進(jìn)水總氮含量≤200mg／L計算，理論上O池出水總氮濃度可降至30～40mg／L，仍不能達(dá)到出水總氮含量≤15mg／L的排放要求，還需繼續(xù)反硝化脫氮。

由表2數(shù)據(jù)可知，實際運行過程中O池硝化充分——O池出水中總氮基本以硝態(tài)氮的形式存在，后續(xù)只需滿足反硝化條件即可，即需要通過UASB和接觸氧化工序繼續(xù)反硝化去除總氮約25mg／L，使系統(tǒng)出水總氮含量穩(wěn)定在15mg／L以下，即可保證系統(tǒng)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。據(jù)現(xiàn)有構(gòu)筑物狀況，UASB池及接觸氧化池總?cè)莘e約6400m3，經(jīng)計算完全可滿足總氮去除要求。

具體措施：在現(xiàn)有設(shè)施基礎(chǔ)上增設(shè)碳源投加設(shè)施，精準(zhǔn)投加碳源，提高碳氮比至5～6，確保投加的碳源只用于反硝化而不會作為COD消耗氧。

（1）從系統(tǒng)分析與應(yīng)用實際情況可知，在道路選線過程中應(yīng)用GIS技術(shù)是完全可行的，由此開發(fā)的輔助系統(tǒng)能為項目規(guī)劃及各階段設(shè)計提供可靠幫助，對保證設(shè)計合理性、準(zhǔn)確性均有重要作用。

3.3 新建污泥濃縮池以收集礦化污泥

針對污泥系統(tǒng)存在的污泥濃縮脫水效率低、初沉池跑泥問題，新建容積為1700m3污泥濃縮池和27m3污泥井各1座，以改善污泥組分、提升污泥反硝化脫氮能力。

3.4 增加菌種以保證生物脫氮迅速啟動

據(jù)需要增加生物菌種，生物菌種的主要組分為脫氮菌制劑、酶制劑、菌酶促生劑、營養(yǎng)物質(zhì)（酶活性單位15U／g），投加這些生物菌種可縮短調(diào)試周期，使生物脫氮迅速啟動，從而可提高總氮去除的穩(wěn)定性，使總氮去除率較常規(guī)生物脫氮工藝高10%以上。

4 提標(biāo)運行及優(yōu)化升級改造效果

經(jīng)過提標(biāo)運行及優(yōu)化升級改造后，2020年1月1日起污水處理系統(tǒng)投運，技術(shù)人員對系統(tǒng)運行情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，2020年2月污水處理系統(tǒng)主要監(jiān)測數(shù)據(jù)（均值）見表3。可以看出，污水處理系統(tǒng)進(jìn)水總氮、氨氮含量與優(yōu)化前相比基本無變化，通過補(bǔ)加碳源提高進(jìn)水COD，控制系統(tǒng)碳氮比在5～6，二級A／O生化處理出水總氮明顯降低，再經(jīng)過三級UASB（進(jìn)一步補(bǔ)加碳源）、接觸氧化后，總氮進(jìn)一步降低，外排水總氮含量全月均控制在15mg／L以下，滿足《流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB37／3416—2018）的要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

表3 2020年2月污水處理系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)（均值） mg／L

5 效益分析

5.1 投資及運行成本

5.1.1 投資

污水處理系統(tǒng)提標(biāo)運行和優(yōu)化升級改造總投資405萬元，包括土建費150萬元、設(shè)備費199萬元、安裝費56萬元。

5.1.2 運行成本

本項目設(shè)計投加的碳源為企業(yè)甲醇生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的雜醇油和甲醇廢水，不額外增加費用，同時可減少雜醇油（屬危險廢物）的處置費用。

5.2 環(huán)保效益

污水處理系統(tǒng)提標(biāo)運行和優(yōu)化升級改造后，環(huán)保效益和社會效益明顯：一是實現(xiàn)了污水處理系統(tǒng)排水總氮指標(biāo)的達(dá)標(biāo)，改善了排水水質(zhì)，對穩(wěn)定水體水質(zhì)發(fā)揮了積極的作用；二是減少了無效污泥循環(huán)進(jìn)入生化系統(tǒng)，避免了無效污泥擠占空間，減輕了無效污泥對生化污泥降解效率的影響，使活性污泥成分得到改良，利于實現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的良性運轉(zhuǎn)。

6 結(jié)束語

生產(chǎn)實踐表明，該煤化工企業(yè)污水處理系統(tǒng)提標(biāo)運行及優(yōu)化升級改造后，污水處理系統(tǒng)運行成本僅增加0.033元／m3，運行成本的增加在可接受范圍內(nèi)，但改造效果及環(huán)保效益、社會效益卻非常明顯——排水總氮明顯下降，污水處理系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定，排水符合山東省新修訂的《流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB37／3416—2018）要求，對河流下游斷面水質(zhì)具有改善作用；活性污泥組分得到改良，實現(xiàn)了污水處理系統(tǒng)的良性運轉(zhuǎn)?？傊?，本污水處理系統(tǒng)的提標(biāo)運行及優(yōu)化升級改造達(dá)到了預(yù)期效果，其成功應(yīng)用對類似企業(yè)污水處理系統(tǒng)脫氮提標(biāo)運行及優(yōu)化改造具有一定的借鑒和示范作用。