1、概況

某冷軋不銹鋼企業(yè)不銹鋼鋼板的混酸酸洗藥劑采用硝酸、氫氟酸，排放的混酸廢水經(jīng)中和、石灰除氟后，總氮濃度最高可達2000mg/L（硝態(tài)氮占比≥98%），屬于超高濃度總氮廢水，考慮采用反硝化工藝進(jìn)行生物脫氮后達標排放。

該生物脫氮系統設計處理規模為80m3/h，已穩定運行3年，出水水質(zhì)滿(mǎn)足《鋼鐵工業(yè)水污染物排放標準》（GB13456―2012）的表2排放限值。生物脫氮系統設計進(jìn)、出水水質(zhì)見(jiàn)表1。

該生物脫氮系統采用新型IBR反硝化工藝，沉淀池前置，工藝流程見(jiàn)圖1。好氧泥水混合液經(jīng)氣提回流至沉淀池，上清液外排，污泥重力沉降并下滑進(jìn)入缺氧池，實(shí)現污泥回流。該工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：①污泥回流輸送機械破壞程度小，污泥濃度（MLVSS）可維持在較高水平；②回流比調節靈活，最大可達15；③能耗低，機械設備少，占地面積小。

2、主要工藝單元設計

①事故池1座，容積1200m3，有效水力停留時(shí)間（HRT）為13h，配提升泵2臺（1用1備，流量20m3/h）。

②調節池1座，容積1500m3，有效HRT=16.5h，配設雙曲面攪拌機2臺（功率7.5kW），提升泵2臺（1用1備，流量100m3/h），泵后設氣動(dòng)調節閥，可按需調節進(jìn)水流量。

③加藥配水池1座，容積18m3，有效HRT=10min，配設立式攪拌機1臺，冷卻塔1座（ΔT=10℃），進(jìn)水水溫≥30℃時(shí)開(kāi)啟冷卻塔，投加鹽酸調節pH值為3~4，根據進(jìn)水總氮投加甲醇。

④IBR池1座，容積7000m3，有效HRT=75h，分為A/B兩個(gè)系列；各池有效HRT見(jiàn)表2。

沉淀池表面負荷為0.6m3/（m2?h）；每格缺氧池配設雙曲面攪拌機1臺（功率7.5kW），共8臺，好氧池設穿孔曝氣管；另配置冷卻塔2座（ΔT=10℃），鼓風(fēng)機3臺（風(fēng)量15m3/min，風(fēng)壓78.4kPa，功率37kW），污泥氣提裝置2套，剩余污泥泵2臺（1用1備，流量20m3/h）。

缺氧池3設甲醇、鹽酸投加點(diǎn)，按需投加。

⑤中間水池1座，容積108m3，有效HRT=1.0h，配備提升泵2臺（1用1備，流量100m3/h）。

⑥過(guò)濾器2套，單套處理能力55m3/h，濾速10m/h。采用連續洗砂方式，洗砂回流水送至加藥配水池。

⑦出水監測槽1座，容積10m3。

⑧污泥濃縮池1座，容積300m3，設污泥濃縮機1臺（φ7.0m）。

⑨離心脫水機1臺，濕泥處理量10m3/h，設進(jìn)泥螺桿泵2臺（1用1備，流量10m3/h），泥斗1套（容積20m3）。

3、運行控制及運行參數

3.1 進(jìn)水總氮變化規律

雖然設置了調節池、事故池，實(shí)際運行中系統進(jìn)水（即調節池出水）的總氮濃度波動(dòng)仍然較大，并呈現超高、一般兩種明顯的濃度區間。超高濃度為800~1200mg/L，一般濃度為400~800mg/L。這與生產(chǎn)線(xiàn)廢酸排往廢水站或酸再生站相對應。

3.2 精細化控制

為了精準控制甲醇的投加量，保證出水總氮穩定達標，對調節池出水4h化驗一次（6次/d）。根據化驗數據，嚴格控制進(jìn)水總氮，調整各項運行參數，具體見(jiàn)表3。

其中甲醇投加量按下式計算：

式中：N1為4h進(jìn)水總氮量，kg；N2為進(jìn)水總氮濃度波動(dòng)補償量，kg；n為4h時(shí)間段序列數；X為進(jìn)水總氮濃度，mg/L；Q為4h進(jìn)水量，m3；Z為甲醇投加量，L/min；a為甲醇投加系數，一般取2.47kg/kgTN；B為甲醇質(zhì)量分數，%；ρ為甲醇密度，kg/L。

運行中發(fā)現，甲醇投加系數宜取2.5~3.0，高于3.0時(shí)出水COD易超標；低于2.5時(shí)對出水總氮去除效果暫無(wú)影響，但是污泥容易老化，出水氨氮上升；低于2.2時(shí)出水各項水質(zhì)迅速惡化。當缺氧池3總氮超過(guò)閾值（12mg/L）時(shí)，可按加藥配水池投加甲醇量的5%~20%適量補充甲醇，8h內總氮可迅速降至5mg/L以下。當缺氧池3內pH值≥7.8時(shí)，需適量投加鹽酸，防止堿度過(guò)高抑制反硝化效果。

3.3 主要指標檢測數據變化

①氧化還原電位（ORP）

本系統在缺氧池1、缺氧池2設置了ORP在線(xiàn)儀，缺氧池1的ORP一般為-420~-150mV，缺氧池2的ORP一般為-200~0mV。ORP能反映反硝化的劇烈程度，在水量一定的情況下，進(jìn)水總氮濃度越高，缺氧池內ORP越低。但是當進(jìn)水總氮過(guò)高，硝態(tài)氮在缺氧池內不能充分降解時(shí)，ORP亦會(huì )上升，這時(shí)并不能說(shuō)明系統惡化，穩定運行一段時(shí)間后數據會(huì )自行恢復。

以2019年11月數據為例（見(jiàn)圖2），當月系統進(jìn)水總氮濃度高，調節池超高液位，根據規定按工況9調整操作；當進(jìn)水總氮濃度突增時(shí)，缺氧池1的ORP明顯上升，缺氧池2的ORP同步下降，反硝化主場(chǎng)所發(fā)生了擴大后移。

②溶解氧（DO）

本系統中所謂的缺氧池，并不是嚴格意義的“缺氧”，所有缺氧池的DO普遍在2~3mg/L，隨流程略有降低。好氧末端溶解氧一般為3~5mg/L，氣提回流比越大缺氧池溶解氧越高，偶爾高至4~5mg/L時(shí)反硝化也不受影響，但是這種情況持續時(shí)間短，因為風(fēng)機的充氧能力有限，大比例回流時(shí)好氧末端溶解氧也會(huì )迅速下降。

分析主要原因可能是：a.硝態(tài)氮濃度高，傳質(zhì)推動(dòng)力大，反硝化菌更多優(yōu)先利用硝態(tài)氮中的氧進(jìn)行呼吸；b.雖然液相中DO>0.5mg/L，但是氧傳質(zhì)受阻，污泥絮體內部DO很低，不足以抑制反硝化的進(jìn)行。

③水溫

高濃度總氮廢水反硝化反應會(huì )釋放大量的熱，使得廢水溫度明顯上升。反硝化反應熱效應為35625kJ/kgNO-3（以N計），本系統按設計水量80m3/h、平均進(jìn)水總氮700mg/L、出水總氮5mg/L計算，僅反硝化反應放熱，就可以貢獻550kW，使整個(gè)生化池水溫上升5.9℃；這也與系統未開(kāi)冷卻塔時(shí)實(shí)測溫升5~8℃基本一致（見(jiàn)圖3）。

夏季來(lái)水水溫高達30~35℃，加上環(huán)境溫度高、散熱差，生化池內水溫很容易超過(guò)40℃，抑制微生物的生長(cháng)，因此設置冷卻塔十分必要。需要特別指出的是，常有人認為風(fēng)機熱風(fēng)是導致水溫上升的主要原因，實(shí)際情況是本系統風(fēng)機的運行功率僅74kW，對溫升的貢獻率低于10%。

④污泥濃度及污泥負荷

經(jīng)石灰除氟后，廢水未經(jīng)去除硬度便送至生物脫氮系統。經(jīng)測量，廢水的鈣硬度基本與總氮濃度呈線(xiàn)性正相關(guān)，比例約（1~1.3）∶1，這使得反硝化產(chǎn)生的堿度（總氮濃度的3.57倍）過(guò)剩，幾乎全部的鈣硬度將轉化為碳酸鈣留存在生物脫氮系統；污泥中存在大量惰性物質(zhì)，MLVSS/MLSS僅為0.25~0.35；但是由于沉淀池污泥下滑快無(wú)堆積、鈣泥的助沉，以及氣提對回流污泥絮體破壞小，生化池MLSS一般可高達40000mg/L，MLVSS一般在10000mg/L以上。

2020年1月―3月缺氧池污泥濃度及總氮負荷變化見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，該生物脫氮系統整個(gè)缺氧段的污泥負荷多為10~30mgTN/（gMLVSS?d），得益于IBR工藝MLVSS高的特點(diǎn)，其污泥總氮負荷并不比一般反硝化工藝高。根據各級缺氧池出水化驗數據，缺氧池1是主要的反硝化場(chǎng)所，總氮去除率一般在80%以上。

3.4 系統出水總氮變化

系統出水總氮變化見(jiàn)圖5。

當出水總氮≤5mg/L，在數據記錄時(shí)皆以5mg/L計，因此實(shí)際總氮去除率部分高于圖5中所列數據?？傮w來(lái)說(shuō)，該生物脫氮系統自投運以來(lái)，出水水質(zhì)穩定，總氮去除率一般在99.0%以上。截至2020年5月20日，出水水質(zhì)化驗次數總計約4700次，其中總氮≤5mg/L達2400余次，占51.1%；總氮為5.1~12mg/L共計2200余次，占46.8%。而近半年總氮≤12mg/L的次數占同時(shí)段總化驗次數的99.5%。

系統設有超標回流機制，能確保全廠(chǎng)總排口總氮≤15mg/L達標排放。

4、工藝不足及應對措施

4.1 進(jìn)水鈣硬度高，極易結垢

受前段除氟工藝的影響，系統進(jìn)水鈣硬度高而極易結垢，生物脫氮系統同時(shí)也成為除硬系統，如此極易出現如下問(wèn)題：①水下設備、管道結垢嚴重，停止曝氣2h穿孔曝氣管就可能堵塞；②生化池角落易積泥并固化，減少了有效池容；③后續過(guò)濾器的濾砂結垢，嚴重時(shí)呈黃豆大小，過(guò)濾效果直線(xiàn)下降；④池內儀表探頭結垢嚴重，測量數據出現偏差。

應對措施：①加大鹽酸投加量，增設鹽酸投加點(diǎn)，控制池內pH值≤7.8；②排泥管、曝氣管接入壓縮空氣，定期沖掃；③定期利用移動(dòng)式潛污泵，對生化池角落的積泥進(jìn)行清理。

優(yōu)化建議：可考慮在生化系統前增設除硬設施，并將IBR出水回流至除硬設施，充分利用反硝化堿度，少加甚至不加碳酸鈉等除硬藥劑。

不過(guò)由于碳酸鈣的存在，增加了污泥密度，使得IBR沉淀池的沉降效果較好，省去了原設計在回流污泥中投加的PAM；若減少生化系統內的碳酸鈣，是否會(huì )影響其維持目前的高污泥濃度，仍待研究。

4.2 氣提氣量不足，混合液回流量不能進(jìn)一步提高

提高混合液回流量，可以提高缺氧池的污泥濃度，使得系統更耐負荷沖擊，總氮去除效果更好更穩定，因此調節氣提回流比是一項重要的操作。

目前氣提回流裝置與好氧池曝氣系統共用同一氣源。在氣提進(jìn)氣口與好氧池曝氣器水深相同的情況下，氣提的供氣手閥開(kāi)度從45°調至90°，其氣量幾乎不變，混合液回流量最大維持在約150m3/h。

應對措施：①減少進(jìn)水量，提高回流比是首選；②開(kāi)啟備用風(fēng)機，增加供風(fēng)量（但會(huì )增加電耗和甲醇耗量）。

優(yōu)化建議：氣提回流裝置采用獨立氣源，并能夠任意調節氣量（采用變頻低壓風(fēng)機或壓縮空氣減壓后供氣）。

4.3 沉淀池出現短流、翻泥

由于IBR的沉淀池前置，當出現如下情況時(shí)：①瞬時(shí)進(jìn)水水量過(guò)大；②氣提回流量偏?。ㄕ{小或臨時(shí)關(guān)閉氣提供氣）；③缺氧池1至缺氧池2的底部管道結垢堵塞等，有可能導致沉淀池液位低于缺氧池1而出現短流，甚至大量翻泥。

由于正常運行時(shí)，IBR沉淀池液面僅比缺氧池1高出約0.1m，設置液位監控等措施難以起效，因此只有加強管理和巡檢，才能避免人為誤操作，及時(shí)發(fā)現短流、翻泥情況的發(fā)生。

5、結論

①IBR反硝化工藝具有沉淀池前置、高比例污泥回流等工藝特征，MLVSS維持在10000mg/L以上，缺氧段的污泥負荷為10~30mgTN/（gMLVSS?d），能將廢水總氮（硝態(tài)氮占比≥98%）從400~1200mg/L降至15mg/L以下，一步實(shí)現達標排放，總氮去除率≥99.0%。

②處理超高濃度總氮廢水時(shí)，諸如甲醇投加方式，系統ORP、DO等情況，與處理低濃度總氮廢水時(shí)有明顯差異；由于系統進(jìn)水總氮濃度波動(dòng)大，需要實(shí)時(shí)監控進(jìn)水總氮量，并對應調整甲醇的投加量，投加系數宜取2.5~3.0kg甲醇/kgTN；運行發(fā)現缺氧池ORP可低至-420mV，且DO為2~3mg/L，但并不影響反硝化的正常進(jìn)行。

③在超高濃度總氮廢水工藝設計時(shí)，還應考慮生化放熱對系統的影響；反硝化反應放熱會(huì )引起生化系統水溫上升5~8℃，夏季需考慮冷卻措施。

④該工藝仍存在結垢、短流、翻泥等不足，可通過(guò)強化運行管理進(jìn)行彌補，確保達標排放。（來(lái)源：上海東振環(huán)保工程技術(shù)有限公司）