NDC脱氮工艺及运行效果分析

武珍明 常 明 赵阳丽

(博天环境集团股份有限公司，西安 710065)

0 引言

含氨氮废水传统的处理方法包括物理法、化学法、生化处理法［1－2］。随着环保要求日趋严格，单一的物理或化学方法处理很难达到排放标准，而核心“生化处理”单元的工艺选择与设计对废水的最终处理结果起着决定性作用。

项目组在大量工程实践和试验研究的基础上，研发出一项高效脱氮新技术—NDC脱氮技术(专利号:ZL201420518219.6)。该NDC反应器集稀释、均质、反应、沉淀为一体，运行模式以周期多段不等时梯度进行，工艺流程短、占地面积小、构造简单、便于操作与维护管理，氨氮去除效率高。目前，该技术在煤化工废水处理中已经得到了推广应用，对氨氮具有良好的处理效果。

1 NDC脱氮工艺特点

N O－Limited Double Cycle Reactor简称NDC，中文名称为无终端双循环反应器，同时释义为Nitrification and Denitrification Cycle。NDC反应器充分利用了生物脱氮原理、活性污泥动力学零级反应、一级反应方程、Monod模型、短程硝化/反硝化原理、Barnard理论、以及新的酶催化动力学方程［3－7］，通过整合一系列工程技术方法为优势硝化、反硝化菌群的培养创造条件，从而实现高效脱氮的目的。基于上述理论与工程实践，NDC脱氮工艺具有如下特点。

1.1 独特的结构设计

NDC反应器的结构如图1所示。

图1 NDC反应器结构示意

根据生物反应动力学、水力梯度及反硝化优势菌群反应速率特性，NDC反应器采用了独特的结构设计，整个反应器在结构上分为主反应区和强化反硝化区。强化反硝化区设在反应器的进水端，大小为整个池体的1/10～1/8，并设置了特殊水力循环搅拌系统。强化反硝化区在整个运行过程中，只搅拌不曝气，使强化反硝化区始终处于缺氧状态，适合反硝化菌的大量繁殖。从主反应区回流到强化反硝化区的硝酸盐氮与进水有机物、强化反硝化区的微生物迅速混合，利用刚进入强化反硝化区的溶解性有机物作为反硝化碳源，在无需补充碳源的情况下即可起到彻底反硝化的作用。强化反硝化区底部设置了布水孔，可均匀配水至主反应区，主反应区通过供氧、搅拌同时运行来提供硝化所需的溶解氧和水力梯度条件，运行20 min左右时停止供氧曝气，继续水力搅拌，使运行环境过渡到缺氧状态，为反硝化菌提供适宜增殖环境，高速反硝化脱氮15 min后再次开启曝气供氧系统，进入好氧硝化段，以此重复交替运行，直至达到设计去除效率。

强化反硝化区的设置可实现如下功能:

(1)在强化反硝化区，新进废水经过快速混合搅拌反应后，有机负荷降低，水质变得均匀，然后再通过底部布水孔均匀配水至主反应区，改善了水力条件。

(2)强化反硝化区相对独立，适合于高效反硝化菌种的投加，在长期运行过程中筛选出的高浓度、高活性优势菌群，能适应进水水质的变化。废水进入后，通过稀释、吸附、快速降解作用，不仅起到有效的水质缓冲作用，还提高了有机物去除效率、增强了反硝化能力，具有很强的耐冲击负荷能力。

(3)强化反硝化区在整个运行过程始终处于缺氧状态，生物菌群中反硝化菌占优势，约3/4的运行时间都有硝化液回流至强化反硝化区，可利用刚进入强化反硝化区的溶解性易降解有机物，通过酶反应快速将回流的硝态氮转化为氮气，有效提高脱氮效率。

1.2 高效反硝化菌种的投加

反硝化作用(Denitrification)是微生物以氮氧化物作为电子受体产生能量的过程，是涉及多种酶和多种中间产物并伴随着电子传递和能量转化的复杂生化反应。反硝化菌是硝酸盐呼吸的载体，离开了反硝化菌，硝酸盐呼吸也将不复存在［8］。

培养驯化出的反硝化菌种在调试运行初期直接接种至前段强化反硝化区，强化反硝化区中微生物种群由于受到接种菌种的影响，增殖很快，镜检发现投加菌种初期微生物种类丰富多样，主要包括细菌、丝状菌、真菌以及少量原生动物。运行15 d后反硝化效果得到了显著提高并趋于稳定，镜检显示反应区以杆菌、球菌为主，同时伴随有少量的螺旋菌。大量优势菌种的稳定增殖为反硝化反应的进行奠定了基础。

1.3 新型专有曝气、搅拌设备

生化法处理的关键就是创造适宜微生物生长的条件，强化微生物的新陈代谢功能，加快污水中污染底物与微生物的接触频率，使反应快速、彻底。满足该条件的设备需具备两个功能，即高效供氧与搅拌混合。NDC反应器使用了RJ型蝶式射流曝气器，曝气器结构由内腔、外腔、双重喷嘴、进液口和进气口等组成。工作时，液体从内喷嘴高速射出，由于射流的紊动和能量交换作用，与外腔的气体形成强烈掺混，瞬间完成氧气从气相向液相中的转移，氧利用率高达20% ～30%;在运行过程中通过控制循环水量及空气量，可分开控制充氧和搅拌过程。

1.4 合理的运行步序

NDC反应器集反应、沉淀、排水为一体，运行模式与SBR相似，分为进水、反应、沉淀、滗水四个阶段，并以周期循环方式进行，运行周期可根据需要进行调整，典型的NDC工艺以4 h、6 h、8 h为一个循环周期。在反应阶段，将主反应区的硝化、反硝化过程分割成4～8段。在硝化段供氧、搅拌同时运行，提供硝化反应所需的溶解氧和水力梯度条件，运行20～40 min时停止供氧曝气，继续水力搅拌，使运行环境过渡到缺氧状态，为反硝化菌提供适宜增殖环境，使主反应区进入反硝化阶段。高速反硝化脱氮10～30 min后再次开启供氧系统，进入好氧硝化段。每段时间都不相等且时长递减，在缺氧段溶解氧浓度控制在0.5 mg/L以下，硝化段和反硝化段的时间，根据反应速率和去除效率计算确定，使反应始终控制在高效段，提高了反应效率，缩短了反应时间。

NDC反应器的运行次序使主反应区在时间上分隔为多次交替出现的缺氧、好氧转换阶段。主反应区内多级好氧、缺氧交替运行，硝化时间短，硝化产物以亚硝态氮为主，反硝化时间同样较短，是典型的短程硝化、反硝化，此过程减少了亚硝酸盐氧化成硝酸盐，然后硝酸盐再还原成亚硝酸盐两个反应的发生。其硝化速率约为传统好氧硝化工艺的1.38倍，反硝化速率约为传统缺氧反硝化工艺的1.25倍。反应效率高，缩短了反应时间。在运行过程中，能根据实际运行的监测数据合理调配投加碱液、磷盐、甲醇的时间，而并非在整个反应过程中全程投加，节省了加药量，降低了运行成本。

2 NDC技术应用实例

将NDC脱氮技术应用于陕煤集团的某煤制烯烃项目，该煤制烯烃项目污水处理装置接纳的污水主要包括:煤气化段产生的废水、甲醇制烯烃段产生的废水、回用水装置的排水及厂区生活污水和初期污染雨水等。

2.1 进水水量水质参数

污水处理站设计规模为:600 m3/h。进水水质及设计出水指标如表1所示。

表1 污水处理站进水水质及设计出水指标

2.2 工艺流程

从进水水质特点来看，进水C O D和氨氮的浓度较高;排水对C O D和氨氮的去除效率要求均达到95%以上，在多种方案比较基础之上，选择NDC反应器作为污水处理站的处理工艺，工艺流程如图2所示。

图2 污水站处理工艺流程

厂内生活污水和初期雨水经过机械格栅截留较大粒径的悬浮物、漂浮物后流至废水调节池，气化段和甲醇制烯烃段的生产废水直接排入废水调节池内。这些厂区内的生活、生产废水在调节池内充分混合后经泵提升至沉淀器进行混凝沉淀处理，去除以胶体及悬浮物形式存在的污染物。沉淀器出水自流至NDC反应池，经充分的反应后排入出水监测池，进入后续回用水处理单元。沉淀器排出的泥渣、NDC反应池排出的剩余污泥分别进入污泥处理系统。

2.3 运行效果分析

图3、4、5分别是连续监测两个月进出水C O D、NH3－N和TN的运行浓度。

从进出水C O D、NH3－N对比图可以看出，当C O D的进水浓度在900～1 100 mg/L之间波动时，出水C O D的浓度值基本稳定在40 mg/L附近;NH3－N进水浓度大多在250～350 mg/L之间波动，出水浓度稳定在10 mg/L以下;TN的进水浓度基本在300～400 mg/L之间，出水浓度稳定在20 mg/L以下，从出水的指标看完全达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》排放要求。由此可以看出，NDC反应器抗负荷冲击的能力很强，运行稳定，对C O D、NH3－N和TN具有良好的处理效果。

图3 进出水C O D浓度

图4 进出水NH3－N浓度

图5 进出水TN浓度

3 结论

(1)NDC反应器在池型设计上增设强化反硝化区，利于高效菌种的投加和驯化，同时具有缓冲、耐负荷冲击的作用;合理的运行次序，有效的分配曝气和搅拌时间，使主反应区内的好氧硝化和缺氧反硝化交替进行，使硝化与反硝化反应充分、彻底。

(2)从实际运行效果来看，出水稳定达标，对氨氮、TN的处理效率显著，当污水氨氮、TN含量在400 mg/L以下时，脱氮效率可以达到95% ～99%。

(3)NDC脱氮技术在含中、高浓度氨氮的工业废水处理方面应用前景广阔。比如:煤化工企业废水处理系统，尤其是气化工段废水处理;化肥企业废水处理系统;焦化企业废水处理系统，工业园区、市政污水等适合于活性污泥法的污水处理系统等。

［1］李军，杨秀山，彭永縥.微生物与水处理工程［M］.北京:化学工业出版社，2002:35－78.

［2］ A.Mosquera－Corral，M.K.de Kreuk，Heijnen J.J.Effects of oxygen concentration on N－removal in an aerobic granular sludge reactor［J］.Water Research，2005，39，(12):2676 －2686.

［3］周群英，高廷耀.环境工程微生物学［M］.北京:高等教育出版社，2000:87－108.

［4］张兰英，刘娜.现代环境微生物技术(第2版)［M］.北京:清华大学出版社，2007:162－177.

［5］高大文，彭永臻，王淑莹，等.交替好氧/缺氧短程硝化反硝化生物脱氮［J］.环境科学学报，2004，24(5):761－775.

［6］王兰，张清敏，胡国臣.现代环境微生物学［M］.北京:化学工业出版社，2006:42－56.

［7］王淑莹，孙洪伟，杨庆，等.传统生物脱氮反硝化过程的生化机理及动力学［J］.应用与环境生物学报，2008，14(5):732－736.

［8］ L.W.Hulshoff Pol，S.I.de Castro Lopes，G.Lettinga.Anaerobic sludge granulation［J］.Water Research，2004，38(6):1376－1389.