高效脱氮技术在二级河道水质保持中的应用

高效脱氮技术在二级河道水质保持中的应用

于胜南

天津蓝天环科环境科技股份有限公司  300382

0引  言

近年来，城市河流污染是我国面临的主要环境问题之一，连接城乡的二级河道水体水质一般呈现有机污染物浓度低、氮磷营养盐浓度相对过高的现象，低碳氮比限制了污水处理系统的反硝化作用，不利于传统脱氮技术对水体中氮的去除[1]。

1 水中氮元素的危害

在自然水体中，植物和藻类的生长往往会受到氮元素和磷元素的限制。农业面源污染是河道水体氨氮含量增加的主要原因，当过量的氮元素随着地表径流或降雨而不断进入水体，就会引起水体的富营养，导致水生植物以及藻类过度繁殖，因此产生一系列的不良后果，当作为饮用水用途时，污染甚至会引发甲状腺功能亢进、胃癌等疾病[2]。

2 脱氮技术

2.1 传统脱氮技术

传统硝化-反硝化工艺分为两个阶段 ：在好氧条件下硝化细菌将废水中的有机氮转化为氨氮，再将氨氮进一步氧化成亚硝态氮和硝态氮，反硝化菌在缺氧条件下利用碳源将硝态氮还原为氮气，从而将氮从废水中去除。

传统脱氮工艺硝化-反硝化可以有效去除废水中的氮，但仍然存在如硝化菌群增殖速度慢、流程长、占地面积大等问题，为保证氨氮的去除率，系统的水力停留时间需要延长，为控制硝化阶段产生的酸度，必须投加碱中和，进而增加处理成本，而且操作不当可能产生二次污染等。

2.2 低碳氮比污水脱氮技术

低碳氮比污水脱氮技术主要分为外加碳源、无外加碳源两种方式。外加碳源脱氮技术是污水厂的常用方法，通过外加碳源以满足反硝化反应的要求，满足排放标准，甲醇、乙酸和乙酸钠是常用的几种碳源类型。无外加碳源脱氮技术主要包括厌氧氨氧化、亚硝化脱氮技术、短程硝化反硝化和同步硝化反硝化[3]。

厌氧氨氧化技术是以厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐为电子受体，在厌氧条件下将污水中氨氮氧化为氮气的生物反应过程。该项技术对外界条件（pH值、溶解氧、温度等）有很高的要求。

亚硝化脱氮技术是在亚硝化阶段控制氨氧化，然后进行脱氮。该项技术的核心是应用了不同生长速率的硝酸菌和亚硝酸菌，高温条件下，亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌的生长速率，亚硝酸菌的最小停留时间小于硝酸菌这一固有特性控制系统的水力停留时间，使其介于硝酸菌和亚硝酸菌最短停留时间之间，从而使亚硝酸菌浓度较高，硝酸菌自然消除，从而保持亚硝酸的稳定积累。

短程硝化反硝化技术是一种新型的脱氮工艺。其基本原理是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，通过分别培养驯化亚硝化细菌和反亚硝化聚磷菌, 通过亚硝化细菌将氨氮在亚硝化作用下转化为亚硝态氮，然后不经硝态氮的生成过程直接由反亚硝化聚磷细菌将亚硝态氮转化为氮气的过程。

同步硝化反硝化脱氮技术是在同一个反应器内同时发生硝化、反硝化和脱碳过程。在活性污泥的絮体中，由于氧转移的限制，从絮体表面到核心不同水平的氧浓度分布不均匀。微生物絮体外表面氧的浓度高于内层氧浓度。在生物絮团粒径足够大时，可以在菌胶团内部形成缺氧区，在这种情况下，絮体外层以好氧硝化菌为主，主要进行硝化反应，而内层以异养反硝化菌为主，主要进行反硝化反应。除了活性污泥絮凝体外，一定厚度的生物膜中还可能存在在溶解氧梯度，导致生物膜内层形成缺氧微环境[4]。

3 项目实际应用

3.1 河道概况

河道全程6.46km，不涉及工业排污，主要超标污染物为氨氮和总磷，个别月份高锰酸盐指数和有机物超标，主要污染源以上游河道沿线农业面源污染为主。氨氮浓度范围为0.03~12.4mg/L，平均值为3.08mg/L；BOD5浓度范围为1~22mg/L，平均值为10.6mg/L；化学需氧量浓度范围为8~59mg/L，平均值为32.5mg/L。

3.2 高效脱氮装备工艺介绍

该项目应用的高效生物脱氮装备以同步硝化反硝化技术为依托，将污水依次流经除砂器、生物床反应器、沉淀池、纤维转盘超效分离器进行处理。在生物床反应器中，投加一定数量的悬浮载体会提高其中的生物量及生物种类，从而提高反应器的脱氮效率。由于填料密度接近于水，在曝气的时候会与水呈完全混合状态，因此，微生物生长的环境为气、液、固三相。载体在水中的碰撞和剪切作用，会使空气气泡更加细小进而增加氧气的利用率。另外一个优势是每个载体内外均具有不同的生物种类，内部生长一些厌氧菌或兼氧菌，外部生长好氧菌，每个载体都是一个微型反应器促使硝化反应和反硝化反应同时存在，加强了污水脱氮效率。

溶解氧是本装备的主要的影响因素，当溶解氧浓度很高时，它可以渗透到生物膜中，使其内部难以形成缺氧区，氨氮大量被氧化为硝酸盐和亚硝酸盐，出水总氮仍然很高；相反当溶解氧浓度很低时，生物膜内部就会形成很大比例的厌氧区，生物膜反硝化能力增强，但由于缺乏溶解氧会导致装备硝化效果下降，出水氨氮削减有限，仍然无法达标排放。

3.3 高效脱氮装备设计

为维持研究河道水质，在河段下游点位布置高效流离脱氮设备一套，设计循环净水量2000m3/d，循环净化河段500m，下游抽水，上游排水。

通过脱氮装备中填料的截留和固定的作用，使硝化菌的大量繁殖，提高氨氮的去除效率。在生物床反应器内部合理的布局，形成好氧、缺氧和厌氧区，能有效减少污泥产量，具有较好的脱氮除磷效果。

表2  主要设备与材料表

3.4设备安装

项目上高效脱氮装备安装流程如下：技术交底→物资准备→材料采购和运输→设备开箱验收→室内鼓风机和加药设备安装→浮动泵站及进水管道组装→模块化水处理设备（含除砂器）就位安装→出水管道安装→系统调试、试运行→验收。

按以上步骤安装完成后，设备调试无误进入试运行阶段，设备试运行设定要求为单次运行不少于8小时，间隔运行累计不少于72h，机电设备无故障地连续、可靠运行、监测点位氨氮指标稳定保持地表水V类，即可满足后续生产性运行。项目实际应用过程中氨氮去除率可达90％以上。

4结论与展望

高效脱氮装备在项目实际应用过程中效果显著，监测点位水质满足地表水V类标准。设备运行可以增强水体自净能力，起到水体水质保持作用。

（1）在相关研究和实践中，传统的硝化反硝化脱氮工艺需要较大的曝气量，同时对维持微生物生长的碳源的需求量很大，导致运行成本处于高位。采用新型的高效脱氮处理技术，可以一定程度上降低曝气量和碳氮比的需求，从而降低含氮废水的处理成本。

（2）河道各个断面污染源不尽相同，受污染水体的碳氮比亦不相同，高效复合脱氮菌群的技术装备值得进一步研究，探索其运行条件，如溶解氧、温度等对总氮去除效率的影响，从而优化高效复合脱氮设备的脱氮效率。

参考文献

[1]赵联芳,朱伟,赵建. 人工湿地处理低碳氮比污染河水时的脱氮机理[J].环境科学学报, 2006(11): 1821-1827.

[2] 程家贵, 裴廷权, 成晓阳,等. 低碳氮比生活污水脱氮处理工艺及应用[J]. 皮革制作与环保科技, 2022(013):118-120.

[3] 丁红. 低碳氮比生活污水脱氮处理技术研究现状[J].化工设计通讯,2021,47(07):88-89.

[4]胡凯耀, 王亚娥, 李杰. 浅析氮素循环机制及污水脱氮技术研究进展[J]. 应用化工, 2022(006):051.