廢水（焦化）生物脫氮技術(shù)及工藝評述——焦化廢水生物脫氮工藝評述（3）
作者：葉振中
1.概述
焦化廢水生物脫氮的A/O、A-A/O工藝較成熟，在我國的焦化行業(yè)已得到廣泛的應用，如工藝參數設計合理，工藝條件控制適當，可取得較好的脫氮效果，是目前工程設計中優(yōu)先考慮的脫氮工藝。后者是前者的改進(jìn)型工藝，是在A(yíng)/O系統缺氧池之前加一個(gè)厭氧池，可起到酸化水解的作用，有利于大分子多環(huán)類(lèi)化合物鏈或環(huán)的斷裂，從而提高廢水的生物降解物性，因此A-A/O工藝的處理效果要優(yōu)于A(yíng)/O工藝。但A-A/O工藝的水力停留時(shí)間長(cháng)，基建投資相應也要高一些，并且焦化廠(chǎng)生物脫氮裝置大多是在原有的基礎上改擴建而成，廢水處理場(chǎng)地有時(shí)會(huì )受到限制，所以在工藝選取上應結合實(shí)際情況及水處理要求綜合考慮。
2.A/O工藝
（1）工藝流程
缺氧-好氧生物處理系統A/O工藝，它是隨著(zhù)廢水脫氮要求的提出而出現的。A/O工藝所完成的生物脫氮機理主要由硝化和反硝化兩個(gè)生化過(guò)程組成。廢水首先在好氧反應器中進(jìn)行硝化，使含氮有機物被細菌分解成氨，然后在亞硝化菌的作用下氨進(jìn)一步轉化為亞硝酸鹽氮（NO- 2 –N），再經(jīng)硝化菌作用轉化為硝酸鹽氮（NO- 3 –N）。硝酸鹽氮進(jìn)入缺氧或厭氧反應器后，經(jīng)過(guò)反硝化作用，利用廢水中原有的有機物，進(jìn)行無(wú)氧呼吸，分解有機物，同時(shí)將硝酸鹽氮還原為氣態(tài)氮（N2）。A/O工藝不但能取得比較滿(mǎn)意的脫氮效果，同時(shí)可取得較高的COD和BOD去除率。
依據硝化-反硝化的脫氮機理，誕生了多種組合形式的A/O型處理工藝。單級A/O工藝是指用一個(gè)缺氧反應器和另一個(gè)好氧反應器組成的聯(lián)合系統，從好氧反應器出來(lái)的部分混合液靠回流泵返回到缺氧反應器進(jìn)水端，另一部分進(jìn)入二沉池分離活性污泥后，上清液作為處理出水排放。A/O工藝的流程如圖1所示。
圖1 厭氧-好氧生物脫氮流程示意圖
活性污泥法所構成的A/O系統，一般是由缺氧區和好氧區組成。其中好氧區的設計和操作運行參數與常規曝氣池基本相同，設有曝氣裝置以維持足夠的供氧量，而原水是從缺氧區進(jìn)入，并與好氧區返回的硝化液混合，原水中的有機碳基質(zhì)正好成為反硝化的碳源而被利用。
生物膜法反應器所構成的A/O系統，是由相對獨立的2個(gè)填料床反應器串聯(lián)組成，其中一個(gè)保持缺氧狀態(tài)，另一個(gè)保持好氧狀態(tài)，反應器的填料與膜去相同，包括顆粒填料、軟性填料、立體彈性填料等。膜法A/O工藝一般能獲得比活性污泥法更好的脫氮效果，主要因為載體為生長(cháng)速度緩慢的硝化菌提供了適宜場(chǎng)所。特別是在缺氧反應器中，填充的軟性或彈性立體填料是大批抗毒物能力強和適應不良環(huán)境的反硝化菌的棲息地，因此對提高反硝化效果十分有益。
（2）影響A/O工藝運行的因素
根據有機碳基質(zhì)的性質(zhì)，廢水中可生化降解的有機物可分為三類(lèi)：第一類(lèi)為可快速生化降解的溶解性有機物，如有機酸、醇類(lèi)、葡萄糖等；第二類(lèi)為可緩慢降解性有機物，如烴類(lèi)、淀粉、高分子有機物等；第三類(lèi)則是微生物細胞物質(zhì)的自身氧化即內源呼吸。這三類(lèi)基質(zhì)在缺氧區作供氫體反硝化速率是不同的，其中內源呼吸時(shí)的反硝化速率僅為第一類(lèi)基質(zhì)的10％，第二類(lèi)基質(zhì)的反硝化速率略高于內源呼吸。從上述反硝化反應式程式可以推算出，轉化1mg/L硝酸鹽氮大約需要3mg/L的BOD5為碳源。當原水中的碳氮化較高，可快速生化降解的有機物充分時(shí)，反硝化可以只利用第一類(lèi)基質(zhì)。這時(shí)對于完全混合式的活性污泥法而言，所需的缺氧脫氮池容積較小，水力停留時(shí)間為0.5～0.1h即可。如原水的碳氮比較低時(shí)，反硝化就不可能僅利用此類(lèi)物質(zhì)，缺氧池的停留時(shí)間就應達到2.0～3.0h。
A/O工藝中的污泥泥齡主要受硝化細菌世代時(shí)間的影響，明顯比普通活性污泥法長(cháng)，其最短泥齡與溫度有關(guān)，溫度對泥齡和硝化程度都有很大影響，在冬季低溫時(shí)應采取措施加強硝化。
硝化菌是一種好氧性自養菌，生長(cháng)在好氧區。在生物膜法處理過(guò)程中，由于生物膜有一定的厚度，為了充分發(fā)揮生物膜的代謝能力，一般控制好氧段溶解氧（DO）＝3.5～4.5mg/L較合適，過(guò)低就會(huì )成為硝化反應的抑制因素。但對于活性污泥法，好氧區內的硝化菌生長(cháng)速率與溶解氧的關(guān)系，由大量實(shí)驗數據表明，DO濃度在2.0mg/L以上時(shí)比較合適。但對A/O工藝的好氧區并非DO越高越好，因為溶解氧會(huì )隨著(zhù)回流而進(jìn)入缺氧區，結果影響反硝化。
反硝化菌是一種兼性異養菌，在缺氧系統生長(cháng)。對于膜法反硝化系統，由于細菌周?chē)醐h(huán)境的差異，即當反應器內有一定溶解氧時(shí)，生物膜內層仍呈缺氧狀態(tài)。有關(guān)報道指出，當DO為1.0～2.0mg/L時(shí)，并不影響反硝化的進(jìn)行，但一般控制在DO≤1.0mg為宜。而對于活性污泥系統，缺氧區的溶解氧濃度則越低越好，最高不得大于0.5mg/L。為確保這一數值，缺氧區應采用水下攪拌，以避免水表面形成旋渦而溶于空氣，或采用表面封閉的形式。
缺氧段與好氧段的反應器容積比即A/O容積比對硝化及反硝化效果影響很大。一般認為對于可生化性較好的廢水，懸浮生長(cháng)系統的反硝化速率可以達到硝化速率的3～4倍，此時(shí)所需的A/O容積比較小。然而對于可生化性較差的廢水，所采用的A/O容積比應較大。另外，采用較大的A/O容積比，可使大部分有機物在缺氧段被去除，從而減輕好氧段的有機負荷。A/O的容積比可在模型試驗中，通過(guò)改變缺氧段與好氧段比例的大不來(lái)找出最佳的實(shí)驗值，作為生產(chǎn)性裝置的設計參數。
好氧段混合液回流的目的在于向缺氧提供反硝化反應所需的氧化態(tài)氮，因此回流比的大小對反硝化效果具有較大影響?；旌弦夯亓鞅却髸r(shí)，返回到缺氧段的氧化態(tài)氮量將增加，若缺氧段有足夠的碳源，則脫氮率得以提高。但相應增加動(dòng)力消耗，而且還會(huì )造成缺氧段DO值的升高，進(jìn)而影響反硝化效果。因此，應該存在一個(gè)最佳的混合液回流比。值得注意的是，回流比具有很大的選擇范圍，應根據具體水質(zhì)和工藝而選定。
硝化菌和反硝化菌的pH值適應范圍在6.0～8.5之間，以7.0～7.5為最佳。PH值過(guò)低則硝化率下降，但回升后抑制作用可以解除，不存在殘毒效應。在A(yíng)/O工藝中硝化和反硝化分別為酸化過(guò)程。硝化反應中產(chǎn)生的H+與水中的碳酸堿度結合，生成CO2和水。隨著(zhù)曝氣過(guò)程CO2不斷吹脫，pH值下降趨勢會(huì )被抑制，但這一過(guò)程破壞堿度，每氧化1.0mg/L的NH3-N即破壞7.2mg/L堿度。如水中堿度不足則會(huì )造成pH值嚴重下降，從而抑制硝化。另一方面，反硝化產(chǎn)物與CO2和OH-作用會(huì )產(chǎn)生碳酸堿度，每還原1.0mg/L氮會(huì )產(chǎn)生3.0mg/L堿度。二者綜合考慮，反硝化不足以補償硝化對堿度的破壞，總趨勢是堿度下降。一般為保證運行正常，往往需要向系統中投加石灰等堿加以調整。實(shí)例：1993年上海寶山鋼鐵公司焦化廢水A/O裝置投入運行，廢水中的NH3-N得到有效治理，混凝處理后COD也達到了國家排放標準。此后，臨汾鋼鐵等廠(chǎng)的焦化廢水A/O裝置也相繼投產(chǎn)，并獲得成功。
（3）A-A/O工藝
厭氧－兼氧－好氧組合工藝簡(jiǎn)稱(chēng)A-A/O，也有寫(xiě)成A/O的，它由3段生物處理裝置組成，即在單級A/O工藝的前段再設置厭氧反應器，目的在于通過(guò)厭氧過(guò)程使廢水的的部分難降解有機物得到降解去除，以改善廢水的可生化性。因為焦化廢水中含有大量的雜環(huán)及多環(huán)芒烴類(lèi)有機物，這些有機物在好氧條件下較難生物降解，通過(guò)厭氧酸化處理，可以將其轉化為小分子、易生物降解的有機物，提高焦化廢水的生物降解性，并為后續的缺氧段提供適合于反硝化過(guò)程的碳源，最終達到高效去除COD、BOD、N、P的目的，A-A/O系統的工藝流程如圖2所示：
圖2 厭氧-兼氧-好氧生物脫氮流程示意圖
廢水經(jīng)預處理后進(jìn)入厭氧反應器，使高COD物質(zhì)在該段得到部分降解，然后進(jìn)入兼氧段，進(jìn)行反硝化過(guò)程，最后進(jìn)入好氧段氧化降解有機物和進(jìn)行硝化反應，好氧段出水一部分回流進(jìn)入兼氧段，并與厭氧段出水混合，利用厭氧出水中的碳源進(jìn)行反硝化。另一部分出水進(jìn)入二沉地，分離活性污泥后作為出水，污泥直接回流到厭氧段。
A-A/O組合工藝的特點(diǎn)主要表現在：①具有較高的COD和NH3-N去除率，適合于處理高濃度COD和氨氮廢水；②厭氧段除了能夠降解部分難降解有機物外，還能改進(jìn)廢水的可生化性，以便于作為碳源而被反硝化利用，因而，其脫氮效果優(yōu)于單級A/O工藝；③A-A/O系統操作穩定，對水質(zhì)和流量有很好的抗沖擊能力；④兼氧-好氧通過(guò)回流所構成的循環(huán)系統，與單級A/O工藝基本相同。
實(shí)例：昆明鋼鐵公司焦化廠(chǎng)，利用原有生物處理工藝改造成A-A/O組合工藝，2001年進(jìn)行了調試與優(yōu)化，系統運行穩定，氨氮去除率大于99％，混凝后COD的去除率高于95％，出水中酚、氰、COD和HN3-N等均達到國家排放標準。
1.概述
焦化廢水生物脫氮的A/O、A-A/O工藝較成熟，在我國的焦化行業(yè)已得到廣泛的應用，如工藝參數設計合理，工藝條件控制適當，可取得較好的脫氮效果，是目前工程設計中優(yōu)先考慮的脫氮工藝。后者是前者的改進(jìn)型工藝，是在A(yíng)/O系統缺氧池之前加一個(gè)厭氧池，可起到酸化水解的作用，有利于大分子多環(huán)類(lèi)化合物鏈或環(huán)的斷裂，從而提高廢水的生物降解物性，因此A-A/O工藝的處理效果要優(yōu)于A(yíng)/O工藝。但A-A/O工藝的水力停留時(shí)間長(cháng)，基建投資相應也要高一些，并且焦化廠(chǎng)生物脫氮裝置大多是在原有的基礎上改擴建而成，廢水處理場(chǎng)地有時(shí)會(huì )受到限制，所以在工藝選取上應結合實(shí)際情況及水處理要求綜合考慮。
2.A/O工藝
（1）工藝流程
缺氧-好氧生物處理系統A/O工藝，它是隨著(zhù)廢水脫氮要求的提出而出現的。A/O工藝所完成的生物脫氮機理主要由硝化和反硝化兩個(gè)生化過(guò)程組成。廢水首先在好氧反應器中進(jìn)行硝化，使含氮有機物被細菌分解成氨，然后在亞硝化菌的作用下氨進(jìn)一步轉化為亞硝酸鹽氮（NO- 2 –N），再經(jīng)硝化菌作用轉化為硝酸鹽氮（NO- 3 –N）。硝酸鹽氮進(jìn)入缺氧或厭氧反應器后，經(jīng)過(guò)反硝化作用，利用廢水中原有的有機物，進(jìn)行無(wú)氧呼吸，分解有機物，同時(shí)將硝酸鹽氮還原為氣態(tài)氮（N2）。A/O工藝不但能取得比較滿(mǎn)意的脫氮效果，同時(shí)可取得較高的COD和BOD去除率。
依據硝化-反硝化的脫氮機理，誕生了多種組合形式的A/O型處理工藝。單級A/O工藝是指用一個(gè)缺氧反應器和另一個(gè)好氧反應器組成的聯(lián)合系統，從好氧反應器出來(lái)的部分混合液靠回流泵返回到缺氧反應器進(jìn)水端，另一部分進(jìn)入二沉池分離活性污泥后，上清液作為處理出水排放。A/O工藝的流程如圖1所示。
圖1 厭氧-好氧生物脫氮流程示意圖
活性污泥法所構成的A/O系統，一般是由缺氧區和好氧區組成。其中好氧區的設計和操作運行參數與常規曝氣池基本相同，設有曝氣裝置以維持足夠的供氧量，而原水是從缺氧區進(jìn)入，并與好氧區返回的硝化液混合，原水中的有機碳基質(zhì)正好成為反硝化的碳源而被利用。
生物膜法反應器所構成的A/O系統，是由相對獨立的2個(gè)填料床反應器串聯(lián)組成，其中一個(gè)保持缺氧狀態(tài)，另一個(gè)保持好氧狀態(tài)，反應器的填料與膜去相同，包括顆粒填料、軟性填料、立體彈性填料等。膜法A/O工藝一般能獲得比活性污泥法更好的脫氮效果，主要因為載體為生長(cháng)速度緩慢的硝化菌提供了適宜場(chǎng)所。特別是在缺氧反應器中，填充的軟性或彈性立體填料是大批抗毒物能力強和適應不良環(huán)境的反硝化菌的棲息地，因此對提高反硝化效果十分有益。
（2）影響A/O工藝運行的因素
根據有機碳基質(zhì)的性質(zhì)，廢水中可生化降解的有機物可分為三類(lèi)：第一類(lèi)為可快速生化降解的溶解性有機物，如有機酸、醇類(lèi)、葡萄糖等；第二類(lèi)為可緩慢降解性有機物，如烴類(lèi)、淀粉、高分子有機物等；第三類(lèi)則是微生物細胞物質(zhì)的自身氧化即內源呼吸。這三類(lèi)基質(zhì)在缺氧區作供氫體反硝化速率是不同的，其中內源呼吸時(shí)的反硝化速率僅為第一類(lèi)基質(zhì)的10％，第二類(lèi)基質(zhì)的反硝化速率略高于內源呼吸。從上述反硝化反應式程式可以推算出，轉化1mg/L硝酸鹽氮大約需要3mg/L的BOD5為碳源。當原水中的碳氮化較高，可快速生化降解的有機物充分時(shí)，反硝化可以只利用第一類(lèi)基質(zhì)。這時(shí)對于完全混合式的活性污泥法而言，所需的缺氧脫氮池容積較小，水力停留時(shí)間為0.5～0.1h即可。如原水的碳氮比較低時(shí)，反硝化就不可能僅利用此類(lèi)物質(zhì)，缺氧池的停留時(shí)間就應達到2.0～3.0h。
A/O工藝中的污泥泥齡主要受硝化細菌世代時(shí)間的影響，明顯比普通活性污泥法長(cháng)，其最短泥齡與溫度有關(guān)，溫度對泥齡和硝化程度都有很大影響，在冬季低溫時(shí)應采取措施加強硝化。
硝化菌是一種好氧性自養菌，生長(cháng)在好氧區。在生物膜法處理過(guò)程中，由于生物膜有一定的厚度，為了充分發(fā)揮生物膜的代謝能力，一般控制好氧段溶解氧（DO）＝3.5～4.5mg/L較合適，過(guò)低就會(huì )成為硝化反應的抑制因素。但對于活性污泥法，好氧區內的硝化菌生長(cháng)速率與溶解氧的關(guān)系，由大量實(shí)驗數據表明，DO濃度在2.0mg/L以上時(shí)比較合適。但對A/O工藝的好氧區并非DO越高越好，因為溶解氧會(huì )隨著(zhù)回流而進(jìn)入缺氧區，結果影響反硝化。
反硝化菌是一種兼性異養菌，在缺氧系統生長(cháng)。對于膜法反硝化系統，由于細菌周?chē)醐h(huán)境的差異，即當反應器內有一定溶解氧時(shí)，生物膜內層仍呈缺氧狀態(tài)。有關(guān)報道指出，當DO為1.0～2.0mg/L時(shí)，并不影響反硝化的進(jìn)行，但一般控制在DO≤1.0mg為宜。而對于活性污泥系統，缺氧區的溶解氧濃度則越低越好，最高不得大于0.5mg/L。為確保這一數值，缺氧區應采用水下攪拌，以避免水表面形成旋渦而溶于空氣，或采用表面封閉的形式。
缺氧段與好氧段的反應器容積比即A/O容積比對硝化及反硝化效果影響很大。一般認為對于可生化性較好的廢水，懸浮生長(cháng)系統的反硝化速率可以達到硝化速率的3～4倍，此時(shí)所需的A/O容積比較小。然而對于可生化性較差的廢水，所采用的A/O容積比應較大。另外，采用較大的A/O容積比，可使大部分有機物在缺氧段被去除，從而減輕好氧段的有機負荷。A/O的容積比可在模型試驗中，通過(guò)改變缺氧段與好氧段比例的大不來(lái)找出最佳的實(shí)驗值，作為生產(chǎn)性裝置的設計參數。
好氧段混合液回流的目的在于向缺氧提供反硝化反應所需的氧化態(tài)氮，因此回流比的大小對反硝化效果具有較大影響?；旌弦夯亓鞅却髸r(shí)，返回到缺氧段的氧化態(tài)氮量將增加，若缺氧段有足夠的碳源，則脫氮率得以提高。但相應增加動(dòng)力消耗，而且還會(huì )造成缺氧段DO值的升高，進(jìn)而影響反硝化效果。因此，應該存在一個(gè)最佳的混合液回流比。值得注意的是，回流比具有很大的選擇范圍，應根據具體水質(zhì)和工藝而選定。
硝化菌和反硝化菌的pH值適應范圍在6.0～8.5之間，以7.0～7.5為最佳。PH值過(guò)低則硝化率下降，但回升后抑制作用可以解除，不存在殘毒效應。在A(yíng)/O工藝中硝化和反硝化分別為酸化過(guò)程。硝化反應中產(chǎn)生的H+與水中的碳酸堿度結合，生成CO2和水。隨著(zhù)曝氣過(guò)程CO2不斷吹脫，pH值下降趨勢會(huì )被抑制，但這一過(guò)程破壞堿度，每氧化1.0mg/L的NH3-N即破壞7.2mg/L堿度。如水中堿度不足則會(huì )造成pH值嚴重下降，從而抑制硝化。另一方面，反硝化產(chǎn)物與CO2和OH-作用會(huì )產(chǎn)生碳酸堿度，每還原1.0mg/L氮會(huì )產(chǎn)生3.0mg/L堿度。二者綜合考慮，反硝化不足以補償硝化對堿度的破壞，總趨勢是堿度下降。一般為保證運行正常，往往需要向系統中投加石灰等堿加以調整。實(shí)例：1993年上海寶山鋼鐵公司焦化廢水A/O裝置投入運行，廢水中的NH3-N得到有效治理，混凝處理后COD也達到了國家排放標準。此后，臨汾鋼鐵等廠(chǎng)的焦化廢水A/O裝置也相繼投產(chǎn)，并獲得成功。
（3）A-A/O工藝
厭氧－兼氧－好氧組合工藝簡(jiǎn)稱(chēng)A-A/O，也有寫(xiě)成A/O的，它由3段生物處理裝置組成，即在單級A/O工藝的前段再設置厭氧反應器，目的在于通過(guò)厭氧過(guò)程使廢水的的部分難降解有機物得到降解去除，以改善廢水的可生化性。因為焦化廢水中含有大量的雜環(huán)及多環(huán)芒烴類(lèi)有機物，這些有機物在好氧條件下較難生物降解，通過(guò)厭氧酸化處理，可以將其轉化為小分子、易生物降解的有機物，提高焦化廢水的生物降解性，并為后續的缺氧段提供適合于反硝化過(guò)程的碳源，最終達到高效去除COD、BOD、N、P的目的，A-A/O系統的工藝流程如圖2所示：
圖2 厭氧-兼氧-好氧生物脫氮流程示意圖
廢水經(jīng)預處理后進(jìn)入厭氧反應器，使高COD物質(zhì)在該段得到部分降解，然后進(jìn)入兼氧段，進(jìn)行反硝化過(guò)程，最后進(jìn)入好氧段氧化降解有機物和進(jìn)行硝化反應，好氧段出水一部分回流進(jìn)入兼氧段，并與厭氧段出水混合，利用厭氧出水中的碳源進(jìn)行反硝化。另一部分出水進(jìn)入二沉地，分離活性污泥后作為出水，污泥直接回流到厭氧段。
A-A/O組合工藝的特點(diǎn)主要表現在：①具有較高的COD和NH3-N去除率，適合于處理高濃度COD和氨氮廢水；②厭氧段除了能夠降解部分難降解有機物外，還能改進(jìn)廢水的可生化性，以便于作為碳源而被反硝化利用，因而，其脫氮效果優(yōu)于單級A/O工藝；③A-A/O系統操作穩定，對水質(zhì)和流量有很好的抗沖擊能力；④兼氧-好氧通過(guò)回流所構成的循環(huán)系統，與單級A/O工藝基本相同。
實(shí)例：昆明鋼鐵公司焦化廠(chǎng)，利用原有生物處理工藝改造成A-A/O組合工藝，2001年進(jìn)行了調試與優(yōu)化，系統運行穩定，氨氮去除率大于99％，混凝后COD的去除率高于95％，出水中酚、氰、COD和HN3-N等均達到國家排放標準。
環(huán)保知識
消防類(lèi)