来水总氮导致抑制生物硝化反应调整策略--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

来水总氮导致抑制生物硝化反应调整策略

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：程增强¹ 徐波²

[导读] 摘要：化工污水处理装置生化系统采用水解酸化+A/O工艺，是传统二级生物处理过程，主要以微生物组成的活性污泥絮凝体为核心，在有机氮转化为氨氮的基础上，通过硝化和反硝化菌的作用，将氨氮通过硝化转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化的作用还原为氮气的过程。

        中国石油兰州石化公司污水处理厂甘肃兰州 730060
        摘要：化工污水处理装置生化系统采用水解酸化+A/O工艺，是传统二级生物处理过程，主要以微生物组成的活性污泥絮凝体为核心，在有机氮转化为氨氮的基础上，通过硝化和反硝化菌的作用，将氨氮通过硝化转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化的作用还原为氮气的过程。虽然具有运行管理简单，能耗低等优点，但来水有机物成分复杂，难降解有机物含量高；水质、水量波动较大；其有机物组成复杂，含有较多毒物、高分子长链及苯类、酚类等难降解污染物，部分特征污染物浓度过量会对生化系统微生物产生抑制、毒害作用。本文主要介绍2019年以来不同特征污染物对系统造成冲击后，通过系统分析和对症调整策略，形成一套能够缩短微生物复壮周期的高效调整经验。
        关键词：来水总氮；抑制生物硝化反应；调整策略
        1本装置来水氮元素主要构成
        本装置来水氮元素主要含有总氮、氨氮、硝态氮、凯氏氮。根据2019年分析数据均值测算，化工来水总氮含量51mg/L，氨氮15.73mg/L，硝态氮20mg/L，凯氏氮15.27mg/L，可以转化为氨氮的氮元素占来水总氮含量的70%。
        2硝化反应过程反应机理
        在好氧条件下，通过亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用，将氨氮氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的过程，称为生物硝化作用。
        反应过程如下：
                                      亚硝酸盐菌
        NH4++3/2O2 NO2-+2H++H2O-△E
        △E=278.42KJ
        第二步亚硝酸盐转化为硝酸盐：
                                       硝酸盐菌
        NO-+1/2O2 NO3--△E    △E=278.42KJ
        上述两个反应式都是释放能量的过程，氨氮转化为硝态氮并不是去除氮而是减少它的需氧量。硝化反应总方程式：
        NH4++2O2   NO3-+2H++H2O-△E     △E=351KJ
        综合氨氧化和细胞体合成反应方程式如下：
        NH4+1.83O2+1.98HCO3- 0.02C5H7O2N+0.98 NO3-+1.04 H2O+1.88H2CO3
        由上式可知：在硝化过程中，1g氨氮转化为硝酸盐氮时需氧4.57g；硝化过程中释放出H+，将消耗废水中的碱度，每氧化lg氨氮，将消耗碱度（以CaCO3计）7.lg。
        3来水总氮导致抑制生物硝化反应过程分析
        装置TN的主要构成形式为氨氮、硝态氮、有机氮，但是某些特定的废水中有机氮较高，例如化肥厂苯胺装置废水2019年TN分析数据均值为683.86mg/L，且80%以上为有机氮，故化工来水TN的组成主体是有机氮，所以氨化反应是系统去除TN的主要过程。
        3.1缺少碳源
        在硝化反硝化过程中，去除TN要求的CN比理论为2.86，在实际运行中CN（COD：TN）比一般控制在4—6，以本装置2019年1—10月数据为例，来水COD均值为469mg/L，TN均值为51mg/L，CN比为9，可见化工来水碳源充足，缺少碳源不是本装置抑制生物硝化反应的主要原因。
                     表1 不同的C/N的脱氮效果对比图

        3.2内回流比过低
        A/O工艺的全称为“倒置硝化反硝化工艺”，A/O工艺的脱氮效率与内回流比成正比。根据脱氮效率公式，内回流比r越大脱氮效率越高，当内回比过低时会直接导致脱氮效率低。本装置2019年年均水量为1050m³/h，内回流共3台立式离心泵，单台流量2300m³/h，正常情况下内回流系统机泵开一备二，可达200%回流量，当来水总氮异常升高或是超标时，可开二备一进行操作，使回流量可达300%-400%，由此可见回流比r不是本装置抑制生物硝化反应的主要原因。
        3.3反硝化池厌氧环境被破坏
        查阅相关文献，当反硝化池DO大于0.5 mg/L时，会破坏缺氧环境，使兼性异养菌优先利用氧气来代谢，硝态氮无法脱除，导致系统内部TN不降反升，本装置虽在2016年通过将A/O池O段进口处1/3段，由空气曝气改为机械搅拌延长反硝化段，但原A段依然依靠空气搅拌，导致2019年A/O池A段溶解氧均值达到0.94mg/L，厌氧细菌生存环境被严重破坏，未形成优势菌种。综上所述硝化细菌无法在原缺氧段形成优势菌种，大部分总氮未完全转化为硝态氮，使硝化段负荷大幅增加，是本装置抑制生物硝化反应的主要原因。
        3.4来水有毒物质导致抑制生物硝化反应过程分析
        抑制硝化反应的主要原因：一是特征污染物或毒物浓度较高时，硝化反应过程中的异养微生物浓度会大大超过硝化菌的浓度，从而使硝化菌不能获得足够的氧而影响硝化速率；二是特征污染物或毒物浓度持续超标时，会对硝化菌产生直接的毒害或抑制作用，干扰或破坏硝化细菌的正常生理活动。毒物达到一定峰值时，会使活性污泥中毒，失去生物硝化处理功效，甚至发生污泥解体，造成污泥无法沉淀，严重时会造成出水COD、氨氮同时存在超标风险。
        4来水总氮导致抑制生物硝化反应调整策略
        4.1生物法调整策略
        总氮化合物在生物作用下可实现向氮气的转化，在操作中来强化每个过程的转化效率，达到减轻抑制生物硝化反应过程的目的。
        4.1.1提高系统污泥浓度
        通过停排剩余污泥，系统内污泥浓度升高，污泥含量大幅增长，将污泥自身碳源作为反硝化碳源，来间接提反硝化段升碳源。
        4.1.2提高水解池泥位
        通过增加水解酸化池泥位至3.5-4.0m，利用剩余污泥在厌氧水解酸化阶段产生的高浓度有机酸作为系统内碳源，为生化系统补充碳源的同时实现了污泥减量化。
        4.1.3提高内回流比
        将内回流比r提升至200~400%，在A/O系统中，回流比r与脱氮效率R之间的关系为：R=r/（1+r），其中，r为内回流比，R为污泥回流比。故提升回流比，可以强化总氮去除效率。
        4.1.4将延长A段改搅拌
        将原A/O池O段穿孔管曝气关闭，改用8台机械搅拌器运行，通过延长A段反应过程，为反硝化细菌提供有利的生存环境。
        4.2高级氧化法法调整策略
        通过氧化使总氮化合物直接转化为氨氮，当氨氮浓度较高时还可利用折点加氯法将氨氮转化为氮气。

        图1总氮高级氧化转化过程图
        通过将臭氧发生器产量提升至45-55kg/h，使污水中的总氮化合物在臭氧接触池进行高级氧化，将生化法无法有效去除的高浓度总氮化合物转化成氨氮。
        4.3维持高负荷氨氮硝化过程必须的溶解氧浓度
        高负荷氨氮硝化过程需要消耗大量溶解氧，但氧浓度并非越高越好。由氧气在水中的传质方程可知，液相主体中的DO浓度越高，氧的传质效率越低。综合考虑氧在水中的传质效率和微生物的硝化活性。将鼓风机风压控制在58-59Kpa，调控好氧段的DO在4-5mg/L左右，可以在不浪费能耗的情况下最大限度地降低高浓度氨氮带来的生物硝化抑制过程。
        5结束语
        综上所述，生物法成本较低，效果稳定，但工艺复杂，操作控制节点难度较大，反应时间较长；高级氧化法省去中间转化步骤，更快速直接，但成本较高，折点加氯法控制难度大，效果不稳定。故如需进一步降低来水总氮抑制生物硝化反应过程产生的负面效应，还需将原A/O池A段由曝气运行改为机械搅拌方式运行。
        参考文献：
        【1】张胜利，刘丹.次氯酸钠氧化脱出废水中NH3-N的研究[J].工业用水与废水，2009，40（3）：23-26.