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摘要：2019年度，浙江省发布了新清洁排放标准，其中TN的排放指标提升至12mg/l，对于还未建设深度反硝化处理功能单元的污水厂，带来了严峻的考验，而且建设完毕后的深度反硝化处理单元，运行成本极高，最佳方案就是在生反池将TN降到标准以下，某污水厂2016年出水年均TN12.24mg/l，2017年度出水TN10.71mg/l，进水26.58mg/l，去除率59.7%，2018年度比2017年更有所提升，出水TN10.48mg/l，进水32.18mg/l，去除率达到了67.4%.基本将全年平均TN降至11mg/l以下，但是面对更为严苛的清洁排放标准，仍旧远远不够，本课题旨在研究如果增加大量过程性仪表，对生反池进行分段曝气后整体总氮去除率的提升，并在课题研究过程中对TN去除工艺精细化、提前化控制的摸索。

第一章 脱氮过程介绍

反硝化，也称脱氮作用，是指细菌将硝酸盐（NO3−）中的氮（N）通过一系列中间产物（NO2−、NO、N2O）还原为氮气（N2）的生物化学过程。参与这一过程的细菌统称为反硝化菌。

反硝化菌在无氧条件下，通过将硝酸盐（NO3−）作为电子受体完成呼吸作用（respiration）以获得能量。这一过程是硝酸盐呼吸（nitrate respiration）的两种途径之一，另一种途径是是硝酸异化还原成铵盐（DNRA）。

1.1影响脱氮过程的因素

碳源

在污水生化处理过程中，能为反硝化细菌利用的碳源主要有污水中的碳源以及外加碳源。如果能够利用污水中的有机碳作为碳源是比较经济的。这要求污水中的BOD5/TN值大于3-5，如果不满足要求则需外加碳源。常用的外加碳源为甲醇，因为甲醇被分解后主要生成二氧化碳和水，不残留任何难降解的物质，而且反硝化速率高。

pH值

pH值是反硝化过程的重要影响因素，反硝化细菌最适的pH值范围为6.5-7.5，此时的反硝化速率最高;当pH值不在此范围内时，反硝化速率明显下降。

溶解氧

反硝化细菌是异氧兼性菌，只有在无分子氧的条件下反硝化菌才能利用硝酸盐或亚硝酸盐中的氧进行呼吸，使氮原子得到还原。如果反应器中的溶解氧浓度过高，分子态氧成为供氧物质，将使硝酸氮的还原过程受到抑制。

温度

反硝化细菌的最适生长温度为20-40℃，低于15℃时，反硝化速率明显降低。因此，在冬季低温季节，为了保持一定的反硝化速率，需要提高污泥停留时间，同时降低负荷，提高污水的停留时间。

硝态氮

在反硝化反应中硝态氮与碳源一样作为原料，一个良好的反硝化环境必须有足量的硝态氮，缺氧段出水硝态氮与出水硝态氮的差值是调整内外回流比的重要依据。

反应时间（停留时间）

上述五点是反硝化自身需要的充分必要条件，但是停留时间是现今制约绝大多数污水处理厂去除整体情况，特别在极端情况下（高TN浓度，或反硝化速率过低）的制约条件，硝化液回流量与停留时间的茅盾调节是脱氮工艺调节中除碳源投加外的最重要的指标。

第二章某污水厂改造前自身工艺潜力挖掘

某污水厂2016年脱氮系统数据汇总

从2016年脱氮相关的数据结合影响反硝化反应的几大要素可以看出：

1.某污水厂提标改造后的总氮去除率在50%左右，出水总氮指标虽在一级A范围内但是距离类Ⅳ类水（TN≤10mg/l）有较大的差距。

2.某污水厂进水B/C比在0.35以上，表明进水可生化性可以满足工艺需求，碳氮比年均11.47，在理论碳氮比12以上，总氮去除率可以达到70%左右。

3.关系到脱氮的各项数据中，对硝态氮的监控还不足。

4.根据各项数据数据反馈，某污水厂的总氮去除率有10%～20%的提升空间。

第三章潜力挖掘的过程

3.1 全过程水质分析

全过程水质分析可以有效的分析出进水COD、TN的组成部分，全厂的工艺流程中脱氮工艺的去除情况，便于在了解自身工艺的同时又可以在最有效的点上增加碳源投加点来促进脱氮工艺。

进水COD、TN分析

碳源成分：COD中不溶性COD占大部分为85-98%，平均92%;溶解性COD 占4-17%，平均8%，其中溶解性难生物降解COD占1-8%，平均5%，占溶解性COD 63%。

TN成分：

TN中氨氮部分为33-96%，平均58%;有机氮成分占了4-50%，平均30%;硝态氮占少数3-35%，平均12%;亚硝态氮几乎没有0-0.001%，平均0.001%。其中溶解性TN占39-91%，平均64%。

综上：

1.进水COD以不溶性COD为主，通过一级处理可以去除大部分，因此进入生物系统的碳氮可能没有进水数据显示出的11.47如此高，在冬季生物活性不高或进水COD很低的情况下，还是需要投加碳源来保证总氮去除率。

2.TN的组成成分与正常的生活污水中TN组成还是比较接近的，有机氮含量占一定比重，这部分有机氮需要通过氨化作用，转化为氨氮，进一步通过硝化、反硝化作用，进行去除。

3.2潜力提升的工艺改进

从前期工作得出的结论结合影响反硝化反应的几大重要因素中归纳：

1.需要确定适合某污水厂的内外回流比：从全过程分析看来，在生物系统的厌氧段就发生了大量的缺氧反应，因此外回流带回的硝态氮与反硝化菌是十分重要的，内回流又能为缺氧段带回厌氧段消耗完毕的硝态氮与DO，确保缺氧环境的前提下提供大量的反硝化反应的原料。

2.从水质分析看来，缺氧段发生内源反硝化反应，说明到达缺氧段之后碳源明显不足，需要外部碳源补充来进一步提升。

3.几大因素中，水温、pH不宜控制，而DO、碳源、硝态氮指标则可以通过工艺手段进行监测，并有效控制，如何确保一个优秀的反硝化环境是提升脱氮效率的前提。

3.2.1内外回流的测试

外回流保证厌氧段反硝化环境，内回流保证缺氧段反硝化环境。

3.2.2缺氧段加装在线DO仪与硝态氮仪器

在缺氧段出口加装在线硝态氮仪器，在缺氧段中段加装DO仪：

1.通过比对缺氧段出口硝态氮数据与出水的硝态氮数据可以灵活调整内回流的量，缺氧段出口硝态氮如过低，则表示回流的硝态氮不足，需要增开内回流，而缺氧段出水的硝态氮数据接进出水硝态氮数据，则表明在缺氧段已经利用完了所有的可以消耗的碳源来进行反硝化反应，需要添加碳源来辅助脱氮反映的进行。

2.内回流控制优先保证保证缺氧环境（DO≤0.5mg/l），在保持缺氧环境的前提下提供足量的硝态氮。

3.2.4改造并增设碳源投加点

某污水厂原有碳源投加点仅在缺氧段进口，且投加装置为自吸泵，投加量不稳定，容易造成浪费，某污水厂对此进行了改造与增添。

1.根据全过程水质分析，改造碳源投加点在厌氧段中段与缺氧段中段，碳源投加方式为两种：

（1）通过加大外回流并且开启厌氧段中段碳源开加强总氮去除

（2）加大内回流开启缺氧段中段碳源来促进总氮去除。

2.碳源投加泵选择可以精确投加的计量泵，可以根据缺氧出口硝态氮计算需要削减的量来进行灵活投加，并且投加十分均匀。

3.3成果对比

去除率61.78% 碳氮比平均为10.79 BOD/TN比平均4.16

16年全年总氮去除率51.34% 仅有6月7月小于10mg/l

全年的碳氮比为11.47 BOD/COD为4.15，全年出水总氮平均12.44mg/l

通过以上两表对比：

1.某污水厂自2017年3月工艺改进开始至论文结题时的2018年2月，某污水厂的总氮去除率比2016年全年高了10.44%

2.2017年的碳氮比与2016年相比下降了1.38，但是总氮去除率却上升明显。

3.4结论

1.适合某污水厂的外回流比例为91%，内回流则需要根据在线仪表辅助调整。

2.全过程水质分析有利于了解处理过程中哪里可以改进，便于在工艺异常阶段定点取样快速判断工艺异常，并且可以对自身进水水质有一个清晰的认知。

3.结合整个潜力挖掘的过程，在最后得到的经济上的效益，最直接的就是碳源投加成本的节省，万吨污水从0.45吨/万吨污水减少至0.35吨/万吨污水，减少了22.3%的碳源投加成本。

4.某污水厂的自身工艺潜力挖掘的目标基本实现，年均出水总氮降低了2.08mg/l，年均10.38mg/l，为接下来的总氮工艺提升打下了坚实的基础。

第四章分段曝气改造实行

根据课题目标，已经确定先要对生反池的硝化速率进行提高，因原先2018年的硝化速率在分段曝气时会对出水氨氮产生影响，首先需要提高硝化速率，某污水厂利用排泥替换原有污泥，增加污泥活性比例，降低污泥总量后投加外置硝化菌，停止一段时间的排泥培养硝化菌，DO控制由原本1mg/l左右提升至2.5mg/l，经过4个月的细菌培养，在2019年5月对全厂水质进行沿程检测，并测定硝化速率。

4.1 后置缺氧段点位确认

全过程水质分析可以有效的分析出进水COD、TN的组成部分，全厂的工艺流程中脱氮工艺的去除情况，便于在了解自身工艺的同时又可以在最有效的点上确定工艺点。

4.1.1沿程碳源、脱氮系统情况分析

COD使用情况

从上图可以得出：

1.大量的COD在厌氧段就被消耗完毕，进入缺氧段的COD只有一小部分，说明在厌氧段第一段就发生了的反硝化反应与释磷反应消耗碳源。

2.缺氧段COD变化不大，说明缺氧段的反硝化反应因某一种原料的缺失几乎不发生或者发生了内源反硝化反应。

脱氮情况

宁波某污水厂污水处理厂硝化速率图

工艺沿程测试的TN（STN）、NH3-N、NO3--N如上图所示。

1.由实验结果可知，在3.5 h反应时间内，宁波某污水厂污水处理厂生化池活性污泥反硝化分为3段，第一段利用进水中的快速碳源进行反硝化，反硝化速率为3.14 mg NO3--N/gVSS·h;第二段利用慢速碳源，反硝化速率下降明显，为1.76mg NO3--N/gVSS·h，COD的下降趋势与反硝化速率相同，反硝化速率越快时，碳源消耗速率上升，COD浓度降低; 第三段利用内源碳源，反硝化速率最低，为0.14 mg NO3--N/gVSS·h。

2.实验结果说明进水中反硝化菌可利用的碳源含量较低，快速碳源约占22%，且其易降解性相较于乙酸钠略弱，并且该厂活性污泥利用易降解碳源的反硝化过程较快，所以在TN超标时，若其中硝态氮含量较高，可通过外加碳源（如乙酸钠等）获得很好的反硝化效果。

3.总氮在厌氧段就有十分明显的下降，而在后续阶段均无明显变化，说明某污水厂的反硝化反映在厌氧段就已经发生，并且碳源在厌氧段就发生作用，与某污水厂COD在厌氧段大幅度下降的趋势相吻合。

4.后置缺氧段可以设置在第三廊道，第四廊道的停留时间可以去除10.75mg/l的氨氮，而1/2廊道可以去除21.5mg/l以上的氨氮，在进水氨氮不超过32mg/l以上三个廊道可以满足基本的硝化需求。

5.某污水厂硝化潜力在20.96mgNO3--N/（gVSS·h），潜力较好，有优质碳源的情况下可以快速的发生反硝化反应，在生物去除极限上（5mg/l）增加2m/l硝态氮的去除量的停留时间小于30min.

综上，在考虑到推流器布置，为防止没有曝气的情况下的泥水分层情况，参考某污水厂厌缺氧段的推流器距离，某污水厂后置缺氧段点位选择在1#生反池的第3廊道中段推流器后至第4廊道推流器前作为后期反硝化段，精细化位置视关闭曝气后溶解氧情况与泥水分层情况而定。

4.2 安装过程性仪表及工程改造

根据前期需要，购买了2台硝态、氨氮一体仪，及1mg/l以下高精度DO仪安装在后置缺氧段进行数据监测。并增添可变频的碳源投加计量泵，添加远程控制柜使碳源投加泵实现远程控制，并将现场所有硝态、氨氮、氯离子数据传输回中控，添加相关曲线，便于与出水TN数据相关联。

所有仪表安装在1#生反池中，可以与2#生反池，生反池的各项指标可以对比，并因某污水厂实际上为双子池运行，1#的各项硝态氮氨氮数据也可以同步反馈作为2#池体的运行的数据参数依据。

第五章成效与结论

5.1出水TN精细化稳定化控制

从三年同月幅度来看在水质突变前（2020年7月）某污水厂整体的出水TN波动从2018/2019/2020三年六月的整体波动来看2018年在7.5mg/l至14.7mg/l，波动较大，2019年已经没有超过14mg/l的TN基本控制在8～14mg/l之间，2020年保持在8mg/l至12mg/l效果显著，2021年2月基本在9～12mg/l之间碳源投加更加精细，TN控制稳定性上达到预期目标。

5.2前瞻性工艺调控

根据硝态氮仪表与出水总氮的联动关系，发现在缺氧出口段体现的硝态氮值所对应的出水总氮会在8小时后体现，目前某污水厂出水TN调整工艺已由原本的调整转变为具有6—12小时前瞻性、精细化的脱氮工艺调整。

具体利用方面：1.5.25高浓度水质冲击、10.7高氨氮废水冲击、10.30低浓度pH冲击班组均在出水超标前6小时，通过在线仪表准确的判断到了现在工艺的异常状态，及时反馈避免了出水超标。

1.今年8月水质突变后进水COD严重不足的情况，该套前瞻性的脱氮工艺调整有效避免了出水TN的超标风险，若当时未及时提早调控工艺，出水超标的风险将非常大。

5.3后置反硝化实验结论：

在2020年进行了一次夏季实验与一次冬季实验，两次实验相比因某污水厂冬季水温均在17℃以上，活性较为正常未出现冬季药耗大于夏季的情况。

1.碳源消耗：从消减量来看，基本单池4.5万吨日均投加量在5吨的情况下可以去除2mg/l左右的硝态氮，约0.55吨/万吨污水去除1mg/l。

2.去除极限：经过多次试验，即使加大碳源投加量，硝态氮在5mg/l左右就难以向下去除。

3.污泥浓度控制：因本次试验并未更改土建，仅为简单的关闭曝气并加强仪表监控，整体来看冬季的污泥浓度极易出现泥水分层，而夏季污泥浓度则不易出现，若要实现后置缺氧段工艺运行需要加强污泥排放保持在7000mg/l以下的污泥较好。

5.4结论

1.后置缺氧段的实验虽然运行制约较多，但是是切实可行，并可以实现的。

2.全过程水质分析有利于了解处理过程中哪里可以改进，便于在工艺异常阶段定点取样快速判断工艺异常，并且可以对自身进水水质有一个清晰的认知。

3.整个科技项目实行过程中，某污水厂此次的三个目标，出水的稳定、前瞻性调控、后置缺氧段的运用均初步达成目标，其中出水指标的稳定（碳源精细化控制）、脱氮工艺前瞻性调控均称为了某污水厂常规的调控手段，用来改进原本的脱氮调整手段，在项目实施过程中的收获远大于本课题本身的目的。

4.后置缺氧段的运用仍有较多的制约，某污水厂可以将它作为应急手段来作为大于60mg/l进水TN的特殊调控手段，常规调控时期的精细化控制于前瞻性调控仍有大量潜力可以继续挖掘。