污水处理外加碳源反硝化工艺管理指导手册试行.docx
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污水处理外加碳源反硝化工艺管理指导手册试行
2、生物反硝化原理
2.1反硝化反应
总的反硝化过程可以用以下方程式表示：
2NO3+10e+12H→N2+6H2O
其中包括以下四个还原反应还原反应：
硝酸盐还原为亚硝酸盐：
2NO3+4H+4e→2NO2+2H2O
亚硝酸盐还原为一氧化氮：
2NO2+4H+2e→2NO+2H2O
一氧化氮还原为一氧化二氮：
2NO+2H+2e→N2O+H2O
一氧化二氮还原为氮气：
N2O+2H+2e→N2+H2O
2.2反硝化碳源
理论上，生物反硝化的碳氮比要求大于3（即BOD/TKN＞3），才可以实现较好的反硝化效果。
微生物进行反硝化可利用的碳源主要是进水中的碳源，当进水中碳源不足时，需要外加碳源促进反硝化，一般常用的反硝化碳源有乙酸钠、甲醇、乙醇等。
2.3反硝化碳源加药点
生物反硝化，有前置反硝化和后置反硝化，前置反硝化一般是指在二级生物池内投加碳源，后置反硝化一般是在反硝化滤池进口投加碳源。
综合来看，主要有以下外加碳源加药点：
1）厌氧池进口；
2）厌氧池出口；
3）缺氧池进口；
4）缺氧池中间段；
5）好氧池中间段（促进短程反硝化）；
6）滤池进口（后置反硝化，本手册暂不包括该部分内容）；
根据污水性质和实际工艺特点，每个污水处理厂需要寻找最合适的碳源投加点，达到外加碳源的充分利用和高效反应。
合适加药点的选择方法见下文第3.2条内容。
3、工艺控制措施
3.1溶解氧的控制
A2O工艺和改良型A2O氧化沟的好氧段都需要供氧保证生物好氧反应的进行，考虑到内回流的反硝化，好氧池的溶解氧不宜过高。
一般有以下溶解氧控制原则：
1）控制较低的溶解氧
好氧池出水端溶解氧最好能控制在1mg/L左右，以便减小内回流带到缺氧池溶解性氧影响反硝化效果。
2）间隔控制曝气量的大小
合理控制过程溶解氧，避免好氧池过程溶解氧过高，对末端和内回流位置产生影响，可以通过空气管阀门合理控制，同时用便携式溶解氧仪表检测好氧池各位置溶解氧，一般过程溶解氧最好控制在2mg/L以下，可以有间隔波动。
当控制较低溶解氧和间隔曝气时，需要连续几天检测好氧池沿程各点的氨氮数值，考察在该工艺控制条件下氨氮和COD在好氧池的沿程降解情况，一方面是要保证好氧池出水氨氮和COD数值达到排放标准，另一方面可以根据氨氮和COD的沿程降解情况控制间隔曝气量的大小和沿程各点溶解氧的波动区间。
取样点
指标
好氧池进水端
中间点1
中间点2
中间点3
好氧池出水端
COD（mg/L）
氨氮（mg/L）
3）控制较低的内回流位置溶解氧
对于内回流位置，溶解氧最好能控制在1mg/L以下，减小内回流携带的氧对缺氧池碳源的消耗，以及溶解氧对缺氧池反硝化环境和反硝化速率的影响。
理论上，1g溶解氧会消耗1.15gCOD。
因此，如内回流携带的溶解氧较高，其对缺氧池的碳源消耗量非常大，尤其会迅速消耗外加的小分子碳源有机物，导致外加碳源浪费。
3.2最佳加药点的比选和最佳加药量确定
根据上文第2.3条内容，二级生物池有多个合适的外加碳源加药点，对于不同的污水处理厂，其最佳的加药点并不相同，这就需要针对具体的污水处理厂加强研究分析，找出最佳的加药点。
可以通过对生物池不同位置加药点投加相同量的碳源，然后检测厌氧池出口和缺氧池出口的硝态氮含量，并最终通过缺氧池出口的硝态氮含量判断最佳的碳源加药点，同时记录厌氧池出口和缺氧池出口的ORP数值，进行对比分析。
1）加药点试验比选
以下是硝态氮和ORP取样检测分析表：
加药点
取样点
厌氧池进口
厌氧池出口
缺氧池进口
缺氧池中间位置
硝氮
ORP
硝氮
ORP
硝氮
ORP
硝氮
ORP
8:
00
厌氧池出口
缺氧池出口
10:
00
厌氧池出口
缺氧池出口
12:
00
厌氧池出口
缺氧池出口
14:
00
厌氧池出口
缺氧池出口
16:
00
厌氧池出口
缺氧池出口
通过对不同加药点投加相同加药量时缺氧池出口的硝态氮数值对比分析缺氧池反硝化效果，一般情况下，碳源加药点最合适的位置是使得缺氧池出口硝态氮最低。
同时，考虑ORP指标，观察硝态氮数值最低时对应的ORP数值是否最低。
2）试验周期和取样时间
现场进行加药点比选时，首先可以集中讨论分析可行性的加药点，选择有效的加药点进行现场运行实验，每个试验点的试验时间不少于12h，取样不少于5组（取样时间间隔1~2h），实验时间延长，有利于实验结果数据的代表性。
根据各加药点周期试验结果，选取1~2个合适的加药点，继续进行周期试验，验证并确定最佳加药点。
3）初始加药量的确定
当选择确定进行试验比选的加药点后，需要确定初始加药量。
如果是正常运行的污水处理厂，可以以目前可以保证出水达标的加药量作为初始加药量。
如果是开始调试运行的污水处理厂或者是准备投加碳源的污水处理厂，可以根据原水BOD和总氮数值、出水达标排放BOD数值、TN数值，理论计算外加碳源加药量。
根据以下公式计算每天外加碳源需要的BOD量：
BOD碳源=Q*3*（TN进水-TN出水）*10-3-（BOD进水-BOD出水）
式中：
BOD碳源——需要投加的碳源BOD总量，单位：
kg/d；
Q——进水流量，单位：
m3/d；
TN进水——进水总氮数值，单位：
mg/L；
TN出水——出水总氮数值，单位：
mg/L；
BOD进水——进水BOD数值，单位：
mg/L；
BOD出水——进水BOD数值，单位：
mg/L；
根据以上公式，可以计算出每天需要投加的碳源BOD总量，当流量Q是每小时流量时，可以计算出每小时需要投加的碳源BOD总量。
然后根据以下公式计算碳源投加量：
甲醇B/C≈0.78，乙酸钠B/C≈0.75；
乙酸钠加药量计算：
V乙酸钠=BOD碳源*103/（0.75*COD乙酸钠理论）
式中：
V乙酸钠——乙酸钠加药量，m3/d；
COD乙酸钠理论——液态乙酸钠理论COD数值（一般20万mg/L），单位：
mg/L；
甲醇加药量计算：
V甲醇=BOD碳源*103/（0.78*COD甲醇理论）
式中：
V甲醇——甲醇加药量，m3/d；
COD甲醇理论——液态甲醇理论COD数值（一般99%含量是118万mg/L），单位：
mg/L；
4）试验过程中调整加药量
为防止出水超标，当更换加药点进行试验研究时，根据实时检测的硝态氮数值，如数值迅速升高，需要适量加大该加药点的加药量，记录调整加药的时间点和调整后的加药点，继续进行该加药点的实验，取样不少于5组。
当需要适量增加该加药点碳源加药量时，可以根据上升的硝态氮数值和C/N=3计算需要增加的碳源量。
增加乙酸钠加药量计算公式：
V’乙酸钠=3*Q*（硝氮2-硝氮1）*103/（0.75*COD乙酸钠理论）
式中：
V’乙酸钠——增加的乙酸钠加药量，m3/d；
硝氮2——上升后缺氧池出口硝态氮数值，mg/L；
硝氮1——缺氧池出口需要控制的硝态氮数值，mg/L；
增加甲醇加药量计算公式：
V’甲醇=3*Q*（硝氮2-硝氮1）*103/（0.78*COD甲醇理论）
式中：
V’甲醇——增加的甲醇加药量，m3/d；
Q——进水流量，单位：
m3/d；
硝氮2——上升后缺氧池出口硝态氮数值，mg/L；
硝氮1——缺氧池出口需要控制的硝态氮数值，mg/L；
根据以上计算公式，可以根据控制的缺氧池出口硝态氮数值，计算需要增加投加的碳源投加量。
5）确定最佳加药量
当确定最佳加药点后，根据出水总氮指标数值，调整初始加药量（增加或减少），控制合适的缺氧池出口硝态氮数值，一般可以控制在0~5mg/L之间（当出水标准级别较低时，硝态氮控制数值可以放宽），保证出水总氮达标排放。
以上调整后的碳源加药量，可以作为该阶段的最佳碳源加药量。
由于污水处理厂是动态运行，进水水质和水量的变化会对污水处理厂的工艺运行产生较大的影响，因此各污水处理厂需要摸索出不同进水水质水量条件下需要控制的碳源加药量，工艺控制上人工进行动态调整。
自控有条件的，可以将摸索出的各参数写进自控程序，由程序控制和调整。
3.3短程反硝化的控制
A2O工艺和改良型A2O氧化沟都可以加强好氧段短程反硝化的控制，短程反硝化的控制要求比较严格，尤其需要控制较低的过程溶解氧数值（参照上文第3.1条）。
A2O工艺短程反硝化效果较改良型A2O氧化沟一般较差，但两种工艺都可以通过控制过程溶解氧和外加碳源促进短程反硝化。
一般情况下，由于短程反硝化的实现效果较困难，建议尽量不要外加碳源，仅利用进水中的碳源加强短程反硝化。
3.4跌水充氧的控制
有些污水处理厂的内回流位置有跌水充氧，根据跌水高度的不同，跌水前后溶解氧会增加2~7mg/L。
1g溶解氧理论上消耗1.15gCOD，因此跌水对缺氧池的影响非常明显，需要采取措施尽量减小跌水，如控制后续配水井进口闸门开启度或者跌水段增加缓冲斜板等，都可以很好的控制跌水。
3.5回流比的调整
合适的内外回流比可以达到最佳的生物反硝化脱氮效果，如回流比较小，虽然缺氧池反硝化脱氮效果好，但是由于回流量不足，导致好氧池出水的硝态氮浓度较高，并影响到出水总氮达标，如回流比较大，虽然可以保证较多的硝化液回流进行反硝化，但是过大的回流比会破坏缺氧池的反硝化环境，并影响到生物脱氮，降低反硝化速率。
因此，实际运行中，需要摸索控制最佳的内回流比。
一般有以下控制原则：
1）控制较低的缺氧池ORP
理论上，缺氧池ORP控制在0以下，说明反硝化环境较好，反硝化速率较快，所以反硝化运行初期，可以通过外加碳源、减小内回流等措施调节较低的缺氧池ORP，形成较好的反硝化环境，然后逐步减小碳源投加量以及增加内回流比，逐步达到最佳的反硝化效果。
但并不是必须控制缺氧池ORP在0以下，ORP指的是缺氧池的氧化还原电位，最终通过缺氧池出口硝态氮数值反映缺氧池的脱氮效果。
有些时候，ORP在30~50之间，但反硝化脱氮效率很好，也属正常的缺氧池ORP。
2）控制合适的缺氧池出口硝态氮数值
当缺氧池反硝化环境较好时，增加碳源投加量，缺氧池出口的硝态氮数值会继续下降。
根据达标排放标准，通过测量缺氧池出口硝态氮数值和总氮数值，在保证总氮达标的前提下，寻找最佳的缺氧池出口硝态氮数值。
上文第3.2条第5点已说明如何确定最佳加药量，当通过实验选取最佳加药量后，可以在最佳加药量上下选取相关数值（±10%、±20%、±30%），进行运行实验，每个加药量均进行周期取样（周期时间同上文第3.2条第2点），检测缺氧池出口硝态氮和总氮。
以下是取样检测分析表：
加药量1（最佳量-30%）
加药量2（最佳量-20%）
加药量3（最佳量-10%）
加药量4（最佳量）
加药量5（最佳量+10%）
加药量6（最佳量+20%）
加药量7（最佳量+30%）
硝氮
总氮
硝氮
总氮
硝氮
总氮
硝氮
总氮
硝氮
总氮
硝氮
总氮
硝氮
总氮
8:
00
10:
00
12:
00
14:
00
16:
00
根据以上取样检测分析表数据，可以得出在不同加药量时缺氧池出口的硝态氮数据和总氮数据，根据达标排放要求，最接近达标排放总氮限值所对应的硝态氮数值，则是缺氧池可以控制的出水最合适的硝态氮数值。
在工艺运行各参数控制调整时，可以以该硝态氮数值作为参考标准。
以上分析表中，当调整某加药量进行试验时，如缺氧池出口总氮数据已无限接近达标限值时，需要停止该加药量的试验，调整高一级别加药量继续进行试验，防止造成出水总氮超标。
当调整某加药量进行试验时，如缺氧池出口硝态氮数据已小于0.5mg/L，说明该加药量过量，需要停止该加药量的试验，调整低一级别加药量继续进行试验。
3）内回流比的确定和动态调整
上文第3.5条第1点在控制较低的缺氧池ORP时是动态调整内回流比实现ORP的下降，摸索合适的内回流量，初步得出的内回流量可以作为内回流比参考数值，然后在该参考回流比数值上下选取相关数值（±10%、±20%、±30%），进行运行实验，每个加药量均进行周期取样（周期时间同上文第3.2条第2点），检测缺氧池出口硝态氮和总氮。
试验过程中，保持其他工艺参数尽量没有变动，特别是运行水量和加药量需要保持稳定，以保证试验的准确性。
试验内回流比保证在100~300%之间，水量低于设计负荷的污水处理厂允许内回流比超过300%进行试验。
以下是取样检测分析表：
内回流比1（参考值-30%）
内回流比2（参考值-20%）
内回流比3（参考值-10%）
内回流比4（参考值）
内回流比5（参考值+10%）
内回流比6（参考值+20%）
内回流比7（参考值+30%）
硝氮
总氮
硝氮
总氮
硝氮
总氮
硝氮
总氮
硝氮
总氮
硝氮
总氮
硝氮
总氮
8:
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12:
00
14:
00
16:
00
根据以上取样检测分析表数据，可以得出在不同内回流比时缺氧池出口的硝态氮数据和总氮数据，根据达标排放要求，最接近达标排放总氮限值所对应的硝态氮数值，则是缺氧池可以控制的合适内回流比。
当调整某内回流比进行试验时，如缺氧池出口总氮数据已无限接近达标限值时，需要停止该内回流比的试验，调整高一级别内回流比继续进行试验，防止造成出水总氮超标。
以上内回流比的试验时理论方法，实际工艺中内回流的方法主要有：
闸门内回流、固定台数内回流泵、气提内回流等，这些方法都存在无法精确调整内回流量的情况。
因此，实际运行中，可以按以下方法调整内回流进行试验和控制：
Ø闸门内回流：
根据初步确定的参考内回流量时的闸门开启度，在闸门上安置360°度数盘，按度数调整内回流量，由于闸门开启关闭一点点，都会影响到回流量的大幅变化，因此可以按照3°或者5°等小区间调整上下调整内回流量，经过多次试验，摸索闸门的合适调整方式；
Ø固定台数内回流泵：
可以通过增加变频器精确控制流量，当不具备增加变频器时，则试验开启不同台数内回流泵时的工艺运行效果；如果回流泵出口有阀门控制的，可以调节阀门开启度来调整内回流量，并记录阀门开启度；
Ø气提内回流：
根据设计说明书，估算单组气提内回流管道的内回流量，然后根据需要，开启一组或者多组气提内回流管道，同时，可以调整气提内回流管道的空气阀门开启度调节单组内回流管道的回流量，并对比估算回流量大小。
4）外回流比的调节和控制
外回流比一般是50~100%，理论上，调节外回流比主要是用于厌氧池的聚磷菌释磷反应，但外回流携带有一定含量的硝态氮，会在厌氧池进行一定的反硝化反应。
因此，在保证生物除磷的基础上，可以适当调整外回流比的大小，当厌氧池的出口硝态氮浓度低于1mg/L时，是合适的外回流量，不会加大缺氧池反硝化脱氮的硝态氮浓度。
取样检测方法同内回流。
3.6加药量的控制和计量
上文第2.2条提到反硝化脱氮需要的碳氮比一般是大于3（BOD/TKN＞3），这样才可以达到最佳的反硝化效果。
因此，根据生物池的进水BOD数值和凯氏氮数值，可以计算理论上需要外加的碳源量。
当确定了最佳加药点并形成较好的缺氧池ORP环境后，根据理论计算的碳源量、缺氧池出口硝态氮数值、内外回流比等，确定合适的碳源加药量，并符合理论数值。
同时，需要加强加药量的精确计量。
经过对部分污水处理厂的液体药剂计量统计，由于加药流量计的误差，导致加药量的计量不精确，影响到工艺判断分析。
所以，需要加强药剂精确计量，可以通过以下方法核算：
1）加药流量计定期校验；
2）根据加药罐一段时间的加药体积反算加药量；
3）对加药管出口液体药剂定时计量；
4）统计一段周期的进药量，与该周期的加药量台账数据对比；
通过对以上方法核算正确的加药量，并每月与财务数据对比，保证加药量的准确。
3.7污泥浓度的控制
1）污泥浓度对反硝化脱氮的影响
通过对生物反硝化的研究，发现污泥浓度对反硝化脱氮的影响明显，如某污水处理厂，当污泥浓度在2000mg/L以下时，需要投加约3~4吨的液态乙酸钠碳源，当污泥浓度3000~4000mg/L时，需要投加约1吨左右的液态乙酸钠碳源，当污泥浓度达到4000mg/L以上时，不需要外加碳源，出水总氮就可以达到排放标准。
以上案例说明污泥浓度对缺氧池反硝化的影响明显，综合分析来看，主要有以下原因：
（1）污泥浓度升高，好氧池的溶解氧易于控制，不容易过高，曝气的均匀性得到加强，所以内回流的溶解氧数值一定程度上是较低浓度的稳定，对缺氧池的反硝化环境影响较低；
（2）污泥浓度升高，污泥中反硝化细菌的数量增加，通过数量优势加强了反硝化脱氮效果；
（3）污泥浓度升高，污泥负荷降低，低负荷下反硝化细菌活性增强，反硝化速率提高；
（4）污泥浓度升高，污泥吸附有机物的能力增强，有利于反硝化细菌利用吸附的污水中有机物进行脱氮。
2）污泥浓度的研究控制
根据上文内容，说明污泥浓度对生物反硝化脱氮的影响非常大，因此需要深入研究如何控制合适的污泥浓度。
一般情况下，二级好氧生物工艺的污泥浓度在2000~6000mg/L之间，理论上，当污泥浓度较高时，由于MLVSS含量较高，污泥中的反硝化细菌数量较多，所以具有较好的反硝化脱氮效果，但污泥浓度的过高容易造成电能浪费，并影响出水水质。
因此，建议对于需要高效生物脱氮的污水处理厂，可以控制稍高的污泥浓度，一般可以控制在4000~5000mg/L之间，然后可以对比不同污泥浓度时的反硝化效果、电能、出水SS数值，确定合适的污泥浓度数值。
3.8生物池前端工艺减少碳源损失
生物反硝化脱氮需要一定的碳氮比，运行中首先需要考虑的是利用原水中的碳源进行反硝化，当原水中的碳源不足时再外加碳源促进反硝化，因此，需要采取措施尽量减少二级生物池前端工艺对原水中的碳源减少影响。
主要有以下措施：
1）沉砂池的控制
如是旋流沉砂池，尽量保证旋流沉砂池的连续运行，冲刷砂粒上附着的有机物进入污水中，并随污水进水生物池；如是曝气沉砂池，控制合适的曝气量，在保证有机物能够从砂粒上冲刷脱落并减少曝气对有机物的消耗。
2）水解池的控制
有些污水处理厂设计时考虑到进水中可能含有工业废水，因此在生物池前端设置水解池，减少二级生物池的有机负荷。
但实际运行时，经常是进水COD并不是很高，而水解池的设置却又消耗损失了一部分原水中的碳源，导致碳源浪费，所以需要采取措施，减少水解池对原水中碳源的影响。
可以采取以下措施：
Ø水解池超越运行，停运水解池；
Ø水解池填料拆除；
Ø水解池大量排泥，减小水解池的水解效果；
Ø水解池排泥选择性排入二级生物池。
Ø水解池出口减少跌水充氧。
4、总结
生物反硝化脱氮的影响因素较多，需要在污水处理厂的运营中积累数据，并加强分析和研究，提高生物反硝化速率和效率，减少外加碳源的投加。
同时，需要加强各工艺参数的经常性试验和精确控制，并实时调整，达到最佳的生物脱氮效果。
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