1、概況

某冷軋不銹鋼企業不銹鋼鋼板的混酸酸洗藥劑采用硝酸、氫氟酸，排放的混酸廢水經中和、石灰除氟后，總氮濃度最高可達2000mg/L（硝態氮占比≥98%），屬于超高濃度總氮廢水，考慮采用反硝化工藝進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，出水水質滿足《鋼鐵工業水污染物排放標準》（GB13456—2012）的表2排放限值。生物脫氮系統設計進、出水水質見表1。

該生物脫氮系統采用新型IBR反硝化工藝，沉淀池前置，工藝流程見圖1。好氧泥水混合液經氣提回流至沉淀池，上清液外排，污泥重力沉降并下滑進入缺氧池，實現污泥回流。該工藝具有如下優點：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），泵后設氣動調節閥，可按需調節進水流量。

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℃），進水水溫≥30℃時開啟冷卻塔，投加鹽酸調節pH值為3~4，根據進水總氮投加甲醇。

④IBR池1座，容積7000m3，有效HRT=75h，分為A/B兩個系列；各池有效HRT見表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℃），鼓風機3臺（風量15m3/min，風壓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，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 進水總氮變化規律

雖然設置了調節池、事故池，實際運行中系統進水（即調節池出水）的總氮濃度波動仍然較大，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。這與生產線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，嚴格控制進水總氮，調整各項運行參數，具體見表3。

其中甲醇投加量按下式計算：

式中：N1為4h進水總氮量，kg；N2為進水總氮濃度波動補償量，kg；n為4h時間段序列數；X為進水總氮濃度，mg/L；Q為4h進水量，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為甲醇質量分數，%；ρ為甲醇密度，kg/L。

運行中發現，甲醇投加系數宜取2.5~3.0，高于3.0時出水COD易超標；低于2.5時對出水總氮去除效果暫無影響，但是污泥容易老化，出水氨氮上升；低于2.2時出水各項水質迅速惡化。當缺氧池3總氮超過閾值（12mg/L）時，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，需適量投加鹽酸，防止堿度過高抑制反硝化效果。

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，進水總氮濃度越高，缺氧池內ORP越低。但是當進水總氮過高，硝態氮在缺氧池內不能充分降解時，ORP亦會上升，這時并不能說明系統惡化，穩定運行一段時間后數據會自行恢復。

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

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時反硝化也不受影響，但是這種情況持續時間短，因為風機的充氧能力有限，大比例回流時好氧末端溶解氧也會迅速下降。

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

③水溫

高濃度總氮廢水反硝化反應會釋放大量的熱，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，使整個生化池水溫上升5.9℃；這也與系統未開冷卻塔時實測溫升5~8℃基本一致（見圖3）。

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

④污泥濃度及污泥負荷

經石灰除氟后，廢水未經去除硬度便送至生物脫氮系統。經測量，廢水的鈣硬度基本與總氮濃度呈線性正相關，比例約（1~1.3）∶1，這使得反硝化產生的堿度（總氮濃度的3.57倍）過剩，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，MLVSS/MLSS僅為0.25~0.35；但是由于沉淀池污泥下滑快無堆積、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圖4。

從圖4可以看出，該生物脫氮系統整個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，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圖5。

當出水總氮≤5mg/L，在數據記錄時皆以5mg/L計，因此實際總氮去除率部分高于圖5中所列數據。總體來說，該生物脫氮系統自投運以來，出水水質穩定，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的次數占同時段總化驗次數的99.5%。

系統設有超標回流機制，能確保全廠總排口總氮≤15mg/L達標排放。

4、工藝不足及應對措施

4.1 進水鈣硬度高，極易結垢

受前段除氟工藝的影響，系統進水鈣硬度高而極易結垢，生物脫氮系統同時也成為除硬系統，如此極易出現如下問題：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后續過濾器的濾砂結垢，嚴重時呈黃豆大小，過濾效果直線下降；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，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定期利用移動式潛污泵，對生化池角落的積泥進行清理。

優化建議：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減少進水量，提高回流比是首選；②開啟備用風機，增加供風量（但會增加電耗和甲醇耗量）。

優化建議：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：①瞬時進水水量過大；②氣提回流量偏小（調小或臨時關閉氣提供氣）；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，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，及時發現短流、翻泥情況的發生。

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（硝態氮占比≥98%）從400~1200mg/L降至15mg/L以下，一步實現達標排放，總氮去除率≥99.0%。

②處理超高濃度總氮廢水時，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有明顯差異；由于系統進水總氮濃度波動大，需要實時監控進水總氮量，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行。

③在超高濃度總氮廢水工藝設計時，還應考慮生化放熱對系統的影響；反硝化反應放熱會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，可通過強化運行管理進行彌補，確保達標排放。（來源：上海東振環保工程技術有限公司）