一种化肥废水处理工艺优化方法

摘要

本发明提供一种化肥废水处理工艺优化方法。原工艺先将化肥废水经过调节池均质、均量后，废水再由污水泵从调节池泵入初级曝气池，以去除部分COD及废水中的有毒有害物质。废水经初次沉淀池后，进入缺氧池/好氧池前置反硝化生物脱氮段以及后续物化深度处理部分，同时，在生化系统中添加高效微生物菌群。本发明通过对初曝池溶解氧浓度、缺氧/好氧前置反硝化生物脱氮段硝化液回流比R和污泥回流比r2的优化，提高了对化肥废水的总氮去除率，TN去除率从优化前的41.1%提高到了优化后的66.7%。优化后系统的COD、氨氮去除率分别高达95.8%和98.8%；TN去除率达到了66.7%，较优化之前提高了25.6%。

说明书

技术领域

本发明涉及一种化肥废水处理工艺的优化方法，尤其是对于化肥废水脱氮工艺的改造、优化颇为有效。

背景技术

近年来，我国河流、湖泊等水体的富营养化问题越来越严重，导致水体不断恶化，水生生物的生存受到影响。引起水体富营养化一个很重要的原因是氮的污染。因此，污水处理厂处理工艺的脱氮效果受到了越来越多的关注。

在我国，现已建立的污水处理厂，特别是20世纪90年代建设的有脱氮要求的污水处理厂，大多采用了A/O前置反硝化生物脱氮工艺。目前，很多处理厂的工艺运行由于受水质条件、运行管理、经费等各方面条件的影响，总氮去除效果都不高，存在着总氮超标的情况。随着我国环保要求的不断提高，化肥废水的排放标准也日趋严格，越来越多的污水处理厂面临着提标改造、工艺优化的难题。如何对这些污水厂进行有效、经济、可行的改造和优化，提高其脱氮能力已经引起越来越多学者的关注。

污水厂的改造就是在对现有污水厂不进行大的改、扩建的前提下，通过改进其运行方案、运行维护程序来提高处理能力和处理效率。污水厂优化改造一般遵循以下3个原则：⑴ 经过对污水厂运行全面、系统的研究，提出充分挖掘污水厂现有设备潜能的措施，以较少的投入实现较优的运行效果；⑵ 利用污水厂运行中积累的经验参数（如溶解氧浓度、碳氮比、污泥沉降性能、泥龄、混合液回流比等）作为改建和扩建时的工艺设计参数，并且尽量采用中试或生产性试验对设计参数进行验证，使设计具有针对性和适用性；⑶ 工艺优化、改造应尽量选用运用成熟、运行管理经验丰富的工艺。

通过调整工艺的运行参数、改变工艺的运行方式，在尽量减小原有工艺改动的情况下进行工艺优化，提高其处理效率的优化方式受到越来越广泛的运用。

发明内容

化肥废水作为一种低碳氮比工业废水，A/O工艺对它的脱氮效果并不理想。为了克服低碳氮比、运行参数不合理等因素的影响，本发明提供了一种通过改变工艺运行参数来提高脱氮效率的化肥废水处理工艺优化方法。

化肥废水处理的工艺流程为：调节池—初级曝气池—初沉池—A/O（缺氧池—好氧池）—二次沉淀池—絮凝沉淀池—出水。

高氨氮化肥废水在完全混合型的调节池内通过鼓风曝气混合均匀。水质均匀之后的废水进入初级曝气池，进水部分COD及有毒有害物质得到有效去除。之后，废水经初沉池沉淀进入A/O（缺氧池—好氧池）前置反硝化脱氮段，经硝化反硝化作用，废水中的氨氮、COD、TN得到有效去除。好氧池的出水经二沉池沉淀后排出系统。

原工艺运行中存在的问题主要有：（1）工艺设计的缺陷。采用的初曝池/缺氧池/好氧池处理工艺，对COD、氨氮均有很高的去除率，初曝池的设置极大地提高了工艺运行的稳定性和抗冲击负荷能力。但是，在实际的运行中，发现初次曝气池对COD有很强的去除能力，去除率高达60%~70%。当进水COD平均浓度为500mg/L时，初次曝气池出水COD平均浓度只有200mg/L左右。如此低浓度的COD无法满足后续的缺氧池的反硝化对碳源的需求，导致系统反硝化能力很差。（2）硝化液回流比过高。硝化液回流比是影响A/O反硝化生物脱氮的一个重要因素。好氧池的硝态氮借助硝化液回流返回到缺氧池，保证反硝化的顺利进行。但是，硝化液回流比过高或过低都不能实现工艺的最佳脱氮能力。回流比过低会导致硝酸盐氮回流量过少，造成缺氧池的反硝化潜力不能充分利用；同时，部分碳源进入好氧池，增大了好氧池的曝气量。而回流比过高，则不仅增加了硝化液回流所需的动力费用，还会使得好氧池的溶解氧回流到缺氧池，破坏其反硝化环境。（3）反硝化所需的碳源不足。生物脱氮系统的反硝化能力主要是可利用碳源数量的函数，C/N是重要的设计参数。一般认为，只有当废水的C/N值大于4时，才能满足反硝化对碳源的需求，而实际运行中缺氧池的碳氮比远低于这个值。

本发明提出的一种化肥废水处理工艺优化方法，包括如下优化条件和步骤：

（1）调节池的水质调节

化肥厂高浓度氨氮、COD废水通过调节池底的鼓风曝气管曝气，使其混合均匀，调节池内COD浓度为430~550mg/L，氨氮浓度为50~95mg/L；

（2）初级曝气池的DO优化

经调节池均值、均量后的化肥废水进入初级曝气池去除部分COD，但是该池的COD去除率跟DO浓度密切相关。因此，必须优化DO参数，使其处理后的COD既能满足后续缺氧池的反硝化需要，又不至于导致系统处理后出水的COD超标。优化后的初曝池DO浓度为0.5~0.9mg/L，最佳为0.9mg/L。

（3）初沉池处理

初级曝气池的出水经初沉池沉淀后，部分污泥回流至初级曝气池以维持池内的污泥浓度为2000~3000mg/L，剩余污泥排至集泥井。

（4）缺氧/好氧（A/O）前置反硝化生物脱氮段的运行参数优化

废水中的氨氮在好氧池中经硝化菌的硝化作用转化为硝酸盐氮（或亚硝酸盐氮），硝化液从好氧池通过管道回流至缺氧池，在缺氧池中进行反硝化作用，好氧池的出水经二沉池沉淀后排出。运行中，控制缺氧池DO浓度在0.2~0.45mg/L，好氧池DO在1.5~2.5mg/L之间，pH为7.5~8.5，污泥浓度为2500~3000mg/L。工艺优化前：硝化液回流比R为400%，污泥回流比r₂为75%。通过工艺优化，硝化液回流比R控制在280%~320%之间，污泥回流比r₂控制在90%~110%，最佳硝化液回流比R为300%，最佳污泥回流比r₂为100%。通过对缺氧/好氧前置反硝化运行参数的优化，工艺对总氮的去除能力得到大幅度提高。

上述的化肥废水处理工艺优化方法中，若二沉池出水的COD和SS超标，则出水进入絮凝沉淀池处理，投加絮凝剂PAC，或加入PAC和PAM。PAC的投加量按100ppm/m³废水进行。PAM的投加量按1ppm/m³废水加入。

上述的化肥废水处理工艺优化方法中，通过优化初级曝气池的溶解氧浓度控制该池的出水COD浓度，调节缺氧池废水的碳氮比，从而达到调控缺氧池反硝化作用的目的。通过对缺氧池/好氧池前置反硝化段污泥回流比和硝化液回流比的控制优化，进一步提高了工艺的总氮去除能力。

为了提高工艺的脱氮效果，本发明针对性地提出了以下几项工艺运行优化措施：（1）通过减少初曝池的空气供给量，适当降低初曝池的DO浓度，以达到降低其COD去除率的目的。通过减小DO浓度降低初曝池COD去除率，能有效缓解缺氧池反硝化所需碳源严重不足的困境；（2）优化A/O段的硝化液回流比R；（3）优化缺氧/好氧前置反硝化生物脱氮段的污泥回流比r₂；以达到优化工艺运行的目的。

原工艺先将化肥废水经过调节池均值、均量，废水再由污水泵从调节池泵入初级曝气池（O₁池），以去除部分COD及废水中的有毒有害物质。废水经初次沉淀池后，进入缺氧池/好氧池（A/O）生物脱氮段及后续物化深度处理部分。工艺在原始参数下运行时，保持O₁池的DO为2.0mg/L、污泥回流比（r₁）为100%；A/O段的硝化液回流比（R）为400%、污泥回流比（r₂）为75%；A池的DO维持在0.2~0.45mg/L之间，O池DO维持在1.5~2.5mg/L；通过往添加碱，保持O池pH维持在7.5~8.5之间。在此工艺参数条件下运行，系统对COD、氨氮的去除能力都在90%以上，但是总氮去除率很低，仅有41.1%。在本发明中，通过对初曝池DO浓度、缺氧/好氧生物脱氮段污泥回流比r₂和硝化液回流比R的优化，工艺的总氮去除率得到了大幅度地提高，从优化前的41.1%提高到了66.7%。

上述的化肥废水处理工艺优化方法中，可在初级曝气池及A/O生物脱氮系统中使用微生物菌群，微生物菌群包括反硝化产碱菌、脱氮硫杆菌、排硫硫杆菌和氧化硫硫杆菌等，菌群具有较完整的分解链，可提高降解有机物及氨氮的能力，尤其适宜用于高氨氮化肥废水的处理。将上述微生物菌群构成生物链，投加入生化池中，强化已有活性污泥的处理能力，以达到污水处理的目的。

微生物群，经过反硝化产碱菌、脱氮硫杆菌、排硫硫杆菌和氧化硫硫杆菌的驯化及强化，其特性如下：

(1) 菌群本身无毒性、无致病性、不会造成二次污染;

(2)          去除COD、BOD5速度快、能力强;

(3)          去除NH3–N及难降解有机物的能力独特;

(4)          污泥沉降性能佳、紧密度高，稳定性好、污泥产量少;

(5)          生物制剂一次投加，无需补充，运行成本低廉，故障率低;

(6)          对pH值适应性强，6～9.5范围都能保持良好的处理效率;

(7)          耐冲击负荷高。

本发明相对于现有的污水处理工艺优化技术具有如下优势：

（1）仅通过调节现有工艺流程中的初曝池DO浓度就可以达到提高缺氧池碳氮比的目的，从而提高系统的总氮去除能力。这不仅节省了初曝池的曝气量，而且还有效地降低了出水的总氮浓度;

（2）通过优化硝化液回流比和污泥回流比，达到了提高总氮去除效率的目的;

（3）经物化深度处理后的出水达到了回用水标准，可用作化肥厂内的循环用水，达到资源化及节能减排的目的。

附图说明

图1为实例1中 DO=0.9mg/L时，初曝池COD去除效果变化曲线；

图2为实例1中DO=0.7mg/L时，初曝池COD去除效果变化曲线；

图3为实例1中DO=0.5mg/L时，初曝池COD去除效果变化曲线；

图4为实例1中不同溶解氧浓度下，初曝池COD去除效率变化图；

图5为实例2中不同硝化液回流比条件下，系统COD去除效果图；

图6为实例2中不同硝化液回流比条件下，系统NH₄⁺-N去除效果图；

图7为实例2中不同硝化液回流比条件下，系统TN去除效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但是实施例并不构成对本发明要求保护范围的限制。

实施例1

化肥废水处理系统的工艺流程为：调节池—初级曝气池—初沉池—A/O（缺氧池—好氧池）—二次沉淀池—絮凝沉淀池—出水。

本例中，化肥厂高浓度氨氮、COD废水通过调节池底的鼓风曝气管曝气，使其混合均匀，原水通过调节池的调配，COD浓度均值在430~550mg/L之间。

初曝池的运行调控对整个系统的运行效果非常关键。初曝池的主要功能是去除废水中的部分COD。该池COD去除率的高低直接影响到后续缺氧池的反硝化所需碳源的供应量。DO作为一个影响初曝池COD去除率的主要因素，它的优化调控显得极其重要。

初级曝气池的出水经初沉池沉淀后，部分污泥回流至初级曝气池以维持初级曝气池内的污泥浓度MLSS控制在2500mg/L左右，剩余污泥排至集泥井，污泥回流比r₁控制在100%。图1 为初曝池溶解氧浓度为0.9mg/L时，初曝池的COD去除率效果变化示意图。图2 为初曝池溶解氧浓度为0.7mg/L时，初曝池的COD去除率效果变化示意图。图3 为初曝池溶解氧浓度为0.5mg/L时，初曝池的COD去除率效果变化示意图。图4为在不同好氧池溶解氧浓度下的COD去除效率变化图。从图1至图4，可以看出：初曝池进水COD浓度均值分别为541.6mg/L、541.6mg/L、517.67mg/L，初曝池DO相应地控制在0.9mg/L、0.7mg/L、0.5mg/L的条件下，初曝池COD的去除率分别为64.03%、48.45%、39.16%，初曝池出水COD平均浓度分别192.35mg/L、278.22mg/L、317.49mg/L。DO浓度对初曝池COD去除率有很大影响。在一定的DO范围内，初曝池COD去除率随DO浓度的降低而降低，去除率从DO为2.0mg/L时的64.03%下降到DO为0.9mg/L时的39.16%。

因此，通过调节初曝池DO浓度实现对初曝池COD去除率的调控是可行的。这就是说，可以通过调节初曝池的DO浓度来改善进入缺氧池的废水的碳氮比，从而实现对反硝化反应的调控。在缺氧池碳源不足的情况下，可以通过调低初曝池DO浓度来提高缺氧池废水的碳氮比，从而提升反硝化脱氮能力。优化运行结果表明，初曝池DO应该控制在0.5~0.9mg/L之间，最佳为0.9mg/L。

实施例2

A/O段脱氮效果的好坏直接影响到工艺的总氮去除效率。控制运行参数为：初曝池DO为0.8mg/L，污泥回流比r₁为100%；好氧池DO为2.4 mg/L，pH控制在7.5-8.0之间，污泥浓度MLSS为3000mg/L，污泥回流比r₂为75%。

通过调节池对水质的调节，R=200%时，系统进水COD、氨氮、总氮的平均浓度分别为435.87mg/L、53.91mg/L和57.30mg/L；R=300%时，系统进水COD、氨氮、总氮的平均浓度分别为518.40mg/L、82.15mg/L和86.30mg/L；R=400%时，系统进水COD、氨氮、总氮的平均浓度分别为434.07mg/L、68.93mg/L和73.84mg/L。

图5为不同硝化液回流比条件下，系统COD去除效果变化图。R为200%、300%、400%时，COD平均去除率分别93.41%、94%和93.46%。不同硝化液回流比条件下，COD的去除率基本一致；硝化液回流比对COD的去除效率影响甚微。图6为不同硝化液回流比条件下，系统NH₄⁺-N去除效果变化图。

从图6中可知，系统对氨氮的去除效率均在97%以上，平均去除率都高于99%。系统对氨氮有很好的去除效果，硝化液回流比的变化对氨氮的去除效果几乎没有影响。系统之所以对氨氮有如此高的去除率，一方面是由于通过加强对好氧池DO、pH等条件的控制，为硝化菌进行硝化作用提供了一个合适的环境；另一方面是因为目前系统的氨氮负荷远低于设计负荷，远低于系统的设计硝化能力。

图7为不同硝化液回流比条件下，系统TN去除效果变化图。不同硝化液回流比条件下，系统对总氮的去除效率有显著差别。当硝化液回流比从200%提高至300%，系统的总氮去除率从41.57%提高到了56.80%。但是继续将硝化液回流比提高至400%，总氮去除率却有所降低，仅为36.84%。这主要是回流比过高，硝化液回流带入缺氧池的溶解氧会破坏缺氧环境从而影响脱氮效果。实际的工艺运行中，硝化液回流比的提高还会带来更大的动力消耗。

实际运行表明，硝化液回流比应该控制在280%~320%之间，最佳值为300%。

实施例3

在水质较为稳定的情况下，工况1采用优化前的参数运行：初曝池DO为0.9mg/L、污泥回流比r₁为100%，好氧池DO为2.0mg/L、pH为7.5~8.0、硝化液回流比为400%、污泥回流比r₂为75%。工况2采用优化后的参数运行：初曝池DO为0.9mg/L、污泥回流比r₁为100%，好氧池DO为2.0mg/L、pH为7.5~8.0、硝化液回流比为300%、污泥回流比r₂为100%。

不同工况下的运行结果如表1所示, 表中，除了去除率（%）之外，其它指标的单位均为mg.L^-1。

表1 不同工况下的运行结果对比分析

运行结果表明，工况2采用了优化后的工艺参数，其COD、氨氮、TN的去除效率都高于工况1。两工况的COD总去除率分别为93.5%和95.8%，差别不是很大，工况2稍优于工况1。在工况1、工况2条件下，好氧池出水的氨氮平均浓度分别为3.1mg/L、1.0mg/L，去除率分别高达96.2%、98.8%，工况2更高。

工况2的总氮去除率远高于工况1，分别为66.7%和46.7%。工况2总氮去除率远高于工况1的原因主要有：（1）工况2条件下的初曝池COD去除率低于工况1时的去除率，使得工况2条件下的初曝池出水碳氮比（4.49）高于工况1条件下的初曝池出水碳氮比（3.07），从而为工况2运行条件下的缺氧池的反硝化提供了较好的水质条件；（2）工况2条件下的好硝化液回流比低于工况1条件下的，从而为工况2条件下的缺氧池创造了更好的缺氧环境；（3）工况2时污泥回流比较工况1时的更高，缺氧池中的反硝化细菌数量上占优势。因此，工况2条件下更高的脱氮效率。

在优化后的参数下运行，工艺的处理效率远高于优化前的运行效率。运行实践证明，采用该发明提出的处理工艺优化方法可以大幅度地提高工艺的稳定性和脱氮效率。