脫氮工藝在化工污水處理中的運用思考

劉花敏，張 鵬，馬凱強

（1.山東海倍特檢測有限公司，山東 濰坊 261057；2.山東藍晶海洋生物科技有限公司，山東 濰坊 261057）

近年來，我國化工行業(yè)發(fā)展速度加快，產(chǎn)污量也在不斷增長，尤其是化工污水的存在是引發(fā)污染事件的關(guān)鍵因素，必須要在社會發(fā)展和化工生產(chǎn)中予以高度重視?；の鬯械奈廴疚镱愋洼^多，其中氮元素是導(dǎo)致污水危害性增大的主要原因，因此在實踐工作中應(yīng)該著重對氮元素進行控制，以確保污水在排放時達到相關(guān)標(biāo)準要求，降低對環(huán)境的威脅。同時，要加快化工企業(yè)轉(zhuǎn)型的步伐，落實清潔生產(chǎn)的相關(guān)要求和規(guī)定。另外，由于脫氮難度較大，必須對當(dāng)前的脫氮工藝進行創(chuàng)新和優(yōu)化，以提高污水處理的效率和質(zhì)量，為環(huán)境友好型社會的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 脫氮工藝在化工污水處理中的意義

化工行業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的推動作用，特別是在工業(yè)化進程逐步加快的趨勢下，化工行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級已經(jīng)成為發(fā)展的主要趨勢，這也是增強行業(yè)活力的關(guān)鍵。傳統(tǒng)化工生產(chǎn)對污水的關(guān)注度不高，很多企業(yè)為了降低生產(chǎn)經(jīng)營成本，往往將污水直接排放到附近的河流、湖泊當(dāng)中，長此以往會引發(fā)嚴重的環(huán)境污染事件，使周圍的水體環(huán)境逐漸惡化，甚至影響人們的用水安全。這種粗放式生產(chǎn)模式無法適應(yīng)新時期社會發(fā)展的要求，所以必須以可持續(xù)發(fā)展理念為指導(dǎo)，積極做好污水的處理，并順應(yīng)社會發(fā)展的潮流引入清潔生產(chǎn)和污水處理工藝，從源頭上控制水污染問題。脫氮工藝主要是控制污水中的氮，將相關(guān)污染物的濃度控制在合理范圍內(nèi)，避免排放后造成水體環(huán)境的惡化，這不僅是社會發(fā)展的必然要求，更有助于推動企業(yè)的轉(zhuǎn)型步伐。從長遠看，可以加快自身生產(chǎn)模式的改造升級，為企業(yè)綜合競爭力的提升提供保障。脫氮工藝的引入雖然在前期會加大成本投入，但是從長遠看，可以創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益及生態(tài)效益，因此必須全面優(yōu)化脫氮工藝，以適應(yīng)當(dāng)前化工污水處理的特點。

2 傳統(tǒng)脫氮工藝在化工污水處理中的應(yīng)用

2.1 生物脫氮工藝

傳統(tǒng)脫氮工藝在化工污水處理中的應(yīng)用十分廣泛，可以控制污水中的氮元素，其中三級活性污泥法的效果較好，可以通過氨化作用、硝化作用和反硝化作用對氮氧化合物實施處理和控制。其中，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)過程呈現(xiàn)出一定的獨立性特點，需要設(shè)置污泥回流系統(tǒng)和沉淀池等，也可以通過控制反應(yīng)條件實現(xiàn)氮污染的快速處理。傳統(tǒng)生物脫氮工藝充分發(fā)揮了硝化細菌、反硝化細菌和好氧菌的作用，而且能夠創(chuàng)造良好的繁殖環(huán)境，為各類細菌的生長提供保障，并有助于提高整體處理效果，且反應(yīng)速度更加快速，不僅能夠起到良好的脫氮作用，而且能夠更好地控制化工污水中的BOD5[1]。但是，該方法也有一定的局限性，尤其是處理效率相對較低，而且需要借助較多構(gòu)筑物和設(shè)備等，因此會在很大程度上提高處理成本，不具備經(jīng)濟性特點，并且對碳源的需求量也較大，在處理過程中需要及時補充碳源，同時還需要大量的堿，這也是導(dǎo)致處理成本升高的主要原因。

2.2 A/O脫氮工藝

A/O脫氮工藝在傳統(tǒng)脫氮處理工作中應(yīng)用較多，屬于前置反硝化生物脫氮工藝，在缺氧池中可以滿足前置反硝化反應(yīng)的要求，而在好氧池中則可以滿足硝化反應(yīng)的要求?；の鬯诮?jīng)過缺氧池處理后，好氧池通過硝化反應(yīng)實施進一步處理，在該系統(tǒng)中設(shè)置了回流系統(tǒng)，可以將經(jīng)過處理后的混合液實施回流，為缺氧池的再處理提供便利。因此，回流處理工藝是該脫氮工藝的關(guān)鍵，可以確保微生物的數(shù)量滿足實際要求，提高好氧池和缺氧池的運轉(zhuǎn)效率。另一方面，硝化反應(yīng)屬于好氧池中的主要反應(yīng)，可以為缺氧池提供更多的硝酸鹽，因而加快了污水處理工作的進度。在反硝化反應(yīng)過程中，對于碳源的需求量較大，而混合液的進入則可以滿足該需求，為缺氧池的高效運轉(zhuǎn)提供支持，同時控制了化工污水中BOD5的濃度。

3 新型脫氮工藝在化工污水處理中的應(yīng)用

3.1 硝化-反硝化脫氮工藝

硝化-反硝化脫氮工藝是目前新型脫氮工藝的常見方式，主要包括短程硝化-反硝化工藝和同步硝化-反硝化工藝兩種。采用短程硝化-反硝化工藝時，需要在亞硝化過程中實施氨氮氧化處理，再利用反硝化的形式控制亞硝酸氮的濃度，產(chǎn)物主要是氮氣，可以滿足回收利用的要求。該工藝處理效率相對更高，而且系統(tǒng)運行穩(wěn)定性更強，可以在反應(yīng)器中同時開展硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)，因此整個脫氮工藝的流程更簡便，水停留時間不長，系統(tǒng)占地面積更小，可以控制系統(tǒng)的建設(shè)成本。在實際應(yīng)用中對于供氣量的需求也在降低，使系統(tǒng)的整體運行能耗得到全面控制，藥劑使用量更低，這也是控制整體成本投入的關(guān)鍵。

采用同步硝化-反硝化工藝時，在好氧反硝化菌的作用下可以實現(xiàn)快速處理，電子受體主要為氧和氮，可以實現(xiàn)氣態(tài)轉(zhuǎn)化，對于污水中NH4+的控制效果較好。同步硝化-反硝化脫氮工藝流程如圖1所示，污水進入到厭氧池后，再相繼通過沉淀池1、硝化池、沉淀池2、缺氧池和后曝氣、沉淀池3等實施處理，在此過程中設(shè)置了污泥回流系統(tǒng)，實現(xiàn)了污泥的有效處理。采用硝化-反硝化脫氮工藝時，內(nèi)回流系統(tǒng)和污泥回流系統(tǒng)的運行能耗較大，而且回流比相對較高，因此整體成本投入可能會有所升高。為了解決該類問題，需要在系統(tǒng)建設(shè)中引入變頻控制技術(shù)，以滿足回流泵的高效化運行需求[2]。在硝化處理中對于溶解氧的需求量較大，進入到缺氧池后會對整體脫氮效果產(chǎn)生干擾，因此應(yīng)該對其濃度進行合理控制，一般在2～4 mg/L左右，實現(xiàn)曝氣量的全面優(yōu)化，防止進入較多的溶解氧，一般在0.5 mg/L以內(nèi)。此外，還應(yīng)該對硝化-反硝化運行狀況實施全面監(jiān)測，分析裝置的實際負荷，從而改善整體運行效果，防止造成污泥上浮的情況，以確保水質(zhì)符合相關(guān)標(biāo)準。如果硝化菌較少，則需要及時投加，以縮短水力停留時間，并控制系統(tǒng)的運行能耗，這也是降低硝化-反硝化脫氮工藝成本的關(guān)鍵措施，有助于該工藝的推廣應(yīng)用。

圖1 同步硝化-反硝化脫氮工藝流程

3.2 厭氧氨氧化脫氮工藝

厭氧氨氧化脫氮工藝也是目前實踐工作中的關(guān)鍵工藝類型，采用該工藝時需要創(chuàng)造良好的厭氧環(huán)境，以滿足各項反應(yīng)需求。電子受體和電子供體的存在，是處理氨氮的關(guān)鍵，前者主要為亞硝酸鹽和硝酸鹽，后者主要為氨氮，在充分反應(yīng)后也可以實現(xiàn)對亞硝酸鹽和硝酸鹽的有效處理，再通過收集氮氣為化工生產(chǎn)提供資源支持，這不僅能夠達到控制污染的效果，而且實現(xiàn)了資源的回收再利用，具有良好的經(jīng)濟性特點。

在傳統(tǒng)硝化反應(yīng)中，對氧的需求量較大，但是采用氨氧化工藝則可以用亞硝酸鹽進行處理，使電子受體呈現(xiàn)出差異化。而在反硝化反應(yīng)中，電子供體主要是各類有機物，在厭氧氨氧化脫氮工藝中，可以有效發(fā)揮氨的作用。在目前化工污水處理工作中，傳統(tǒng)工藝的應(yīng)用依然較多，其中包括序批式活性污泥法、A/O法、厭氧-缺氧-好氧法（A2/O）等，相關(guān)處理工藝的成熟度相對較高，因此可以確保系統(tǒng)在運行中能夠維持良好的穩(wěn)定效果，但是也面臨處理效率和成本等問題[3]。

新型脫氮處理工藝在實踐中的應(yīng)用，可以有效降低占地面積，為生產(chǎn)作業(yè)創(chuàng)造良好的條件，而且對于成本投入的控制作用十分顯著。但是，該方法也存在一定局限性，特別是在興起之初會導(dǎo)致系統(tǒng)運行穩(wěn)定性受到影響，需要引入完善的自動化控制系統(tǒng)，否則耐沖擊能力無法得到可靠保障，這也是未來發(fā)展中需要著重考慮的問題。

3.3 A/O裝置改造脫氮工藝

傳統(tǒng)A/O裝置在運行中存在一定的局限性，因為運行能耗相對較大，導(dǎo)致脫氮處理工藝的運行成本升高，因此需要采取有效的改造措施，以完善A/O脫氮裝置的運行成效，符合目前化工污水處理工作的實際需求。A/O脫氮裝置的組成部分較多，主要包括了中沉池、A池、污泥回流泵、Q1池和Q2池、污泥井、二沉池、剩余污泥泵等?；の鬯谶M入A池處理后，再相繼通過Q1池、中沉池、Q2池和二沉池實施處理，在二沉池產(chǎn)生的底池污泥進入到污泥回流井當(dāng)中實施處理，回流污泥再次進入到Q1池進行處理，而剩余污泥則進入到泵房實施處理[4]。上述方法無法滿足當(dāng)前化工污水的脫氮工藝要求，因此需要通過改造工藝來改善整體的處理成效。在改造方案中主要是優(yōu)化工藝的前半部分，引入硝化-反硝化工藝，而不對后半部分進行改造，A池和Q1池分別進行缺氧反硝化反應(yīng)和好氧硝化反應(yīng)?；の鬯M入缺氧段后，可以在缺氧生物的作用下實施快速處理，同時進入到好氧段后采用好氧生物實施降解，以實現(xiàn)化工污水的快速凈化[5]。好氧生物普遍存在于活性污泥當(dāng)中，能夠?qū)の鬯械暮加袡C物進行氧化和分解，使硝態(tài)氮逐漸替代原有的有機氮。隨著硝態(tài)氮的增多，可以為缺氧段的處理工作提供保障，進一步發(fā)揮反硝化細菌的作用，提升含碳有機物的處理效率。在反硝化作用下，要控制污水中的污染物濃度，可以利用分子態(tài)氮替代硝態(tài)氮，產(chǎn)物中還包括了二氧化碳等，因而降低了化工污水的危害性。

改造后的A/O脫氮工藝不僅能夠起到良好的脫氮效果，而且對于污水中碳元素的控制作用也十分顯著。硝化液回流泵也是改造后A/O脫氮系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其功率為30 kW，采用5 kW的浮筒式水下攪拌器替代曝氣系統(tǒng)，同時借助于酸堿自動投加系統(tǒng)可以有效提高該系統(tǒng)的自動化處理水平。在該系統(tǒng)的運行過程中，主要能耗設(shè)備是酸堿自動投加系統(tǒng)和硝化液回流泵、攪拌器等，使酸堿的消耗量降低，具有一定的經(jīng)濟性特點。A/O裝置改造脫氮工藝流程如圖2所示。在系統(tǒng)實施改造后，分四次測定進水的總氮質(zhì)量濃度，分別為45.5 mg/L、34.0 mg/L、37.8 mg/L和66.3 mg/L，而出水總氮質(zhì)量濃度分別為9.23 mg/L、4.86 mg/L、7.45 mg/L和8.43 mg/L，去除率分別達到79.67%、85.71%、80.29%和87.29%[6]。在我國的相關(guān)標(biāo)準中，對出水中總氮質(zhì)量濃度的要求在40.00 mg/L以內(nèi)，因此通過上述數(shù)據(jù)可以看出改造后的工藝系統(tǒng)可以滿足出水質(zhì)量要求，去除率也較為穩(wěn)定，在80%左右[7]。

圖2 A/O裝置改造脫氮工藝流程

3.4 大孔樹脂吸附脫氮工藝

除了上述處理工藝外，大孔樹脂吸附脫氮工藝的應(yīng)用也逐漸增多，實現(xiàn)了傳統(tǒng)處理工藝和方法的有效創(chuàng)新，能夠全面評估化工污水的進水特點和出水水質(zhì)，了解具體的處理效果，以便對處理工藝實施全面優(yōu)化和改進。在應(yīng)用大孔樹脂吸附脫氮工藝時，應(yīng)該明確TN指標(biāo)的要求，以改善系統(tǒng)的整體運行成效。在反硝化深床濾池后方設(shè)置大孔樹脂吸附脫氮裝置，能夠快速吸附污水中的硝酸根，進而采用分離措施、濃縮措施等實施進一步控制，將總氮含量控制在規(guī)定范圍內(nèi)，降低污水的危害性。在系統(tǒng)運行一段時間后，吸附量可能達到閾值，這會對系統(tǒng)的處理效率產(chǎn)生一定影響，因此為了滿足樹脂物質(zhì)的應(yīng)用需求，需要加入適量的氯化鈉溶液，以改善樹脂的脫氮效果，這不僅能夠加快處理的進度，而且對于資源的循環(huán)利用效果更好，呈現(xiàn)出經(jīng)濟性的特點[8]。利用反硝化濾池對化工污水進行處理后，再通過大孔樹脂吸附脫氮裝置、消毒池實施處理，使出水水質(zhì)能夠達到標(biāo)準要求。如果樹脂在使用一段時間后出現(xiàn)飽和的情況，則可以通過進一步處理改善其吸附效果，滿足系統(tǒng)連續(xù)運行的要求[9]。化工污水中TN濃度相對較高，采用大孔樹脂吸附脫氮工藝可以起到良好的改善作用，而且對于其他污染物質(zhì)的吸附效果也較好，可以獲得較為穩(wěn)定的出水水質(zhì)。在實踐工作中，通常將該工藝和生物脫氮工藝聯(lián)合應(yīng)用，不僅可以確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，而且污染物質(zhì)的去除率更高，并降低了環(huán)境溫度等因素的影響，使系統(tǒng)的抗負荷沖擊能力更強。

4 結(jié)語

化工污水會對生態(tài)環(huán)境造成嚴重污染，因此在實踐工作中需要采取合適的脫氮工藝進行處理，嚴格控制其中氮元素的濃度，這是改善環(huán)境狀況的關(guān)鍵措施。在傳統(tǒng)脫氮工藝中，生物脫氮工藝和A/O脫氮工藝較為常見，但是隨著處理要求的提高，傳統(tǒng)方法具有一定的局限性。因此，應(yīng)該借助新型脫氮工藝對化工污水實施全面處理，其中包括硝化-反硝化脫氮工藝、厭氧氨氧化脫氮工藝、A/O裝置改造脫氮工藝和大孔樹脂吸附脫氮工藝等。不同工藝的處理效果和應(yīng)用要點存在差異，所以應(yīng)該結(jié)合化工污水的具體處理要求進行合理選擇，以達到最佳的處理效果。