岳一珠
上海吉威电子系统工程有限公司无锡分公司 江苏无锡 214028
摘要：现代工业生产所排放的工业废水是造成现代社会水污染问题异常严峻的一大根源，在工业废水中，大多数工业废水的种类都对水体有毒有害，尤其是高浓度含氨氮废水，一旦将其排入江河之中，极易导致水体富营养化的危害后果，进而导致水体自然灾害的频发、水质恶化、水生态遭受严重破坏等问题。因而，对于高浓度含氨氮废水排放之前的有效处理非常有必要。本文介绍了生化法处理氨氮的工艺系统，对运行控制进行分析。
关键词：氨氮排水；生化系统；硝化
半导体芯片制造一般都有较高浓度的氨氮废水排放；这些废水如不加以控制地排放，排水中的氨氮会使水体产生富营养化，使藻类大量繁殖，这些藻类消耗了大量的溶解氧，并产生腥臭和有毒有害物质，从而造成河流中鱼虾的灭绝。由于藻类的大量繁殖和死亡，后续还会造成湖泊水体的沼泽化，其至退化，使人类可资利用的淡水资源减少。因此做好半导体芯片工厂的氨氮废水处理意义重大。
一、生化法处理氨氮的工艺系统
生化法处理氨氮，主要由硝化和反硝化两个过程组成，反应方程式如下：
亚硝化反应：
硝化反应：
硝化总反应：
反硝化反应：
从以上的反应式可以看出，硝化反应需在好氧的环境下进行，而反硝化反应需在厌氧的环境中进行。
比较典型的半导体芯片工厂氨氮废水处理流程如图所示，处理系统中各单位设备或构筑物功能和特点如下：
氨氮废水处理流程
1、脱氮池与传统氨氮生物处理系统相比，由于半导体芯片工厂的氨氮废水中一般含有较高浓度的硝酸盐氮NO3-N，因此一般会在流程始端设置脱氮槽首先进行脱氮处理，以降低后续硝化池的硝酸盐氮NO3-N负荷。原水和返回的循环污泥在脱氮池的入口处进入，并同时补充碳源和磷源。与后端的硝化池相比脱氮池密闭性好，池顶除了少数几个管道接口外基本全封闭避免空气与液体的接触，维持脱氮槽的厌氧环境。脱氮池还安装有搅拌机，对原水，污泥，药剂等进行充分混合。搅拌机需设置减速器降低到较小的转速，一般维持在10rpm以内，这样可以在确保混合质量的基础上，避免空气的卷入。脱氮池内的溶解氧应维持在0.5 ppm以内。
2、硝化池是氨氮处理的主要单元，硝酸菌和亚硝酸菌在此繁衍生存，硝化反应在池中不断进行。硝化池构造上与传统推流式的曝气池相似，但除了设置在线式DO计之外，还必须安装在线式pH计。由于硝化反应会不断降低硝化池内的pH值，为维持活性需始终保持pH的监测，并应自动控制注入碱来维持pH值。碱注入点设置在硝化池的始端较好，而pH计安装在靠近硝化池行程的中间部位较好，这样的配合不仅能保持硝化池整体pH值不至于有过大落差，同时也能精确控制药剂的投加。同样重要的还有曝气，曝气装置较多的采用微孔曝气软管和微孔曝气盘。与传统曝气池相比氨氮处理的硝化池需要更高程度的溶解氧，所以应强化曝气装置。
3、再脱氮池，硝化反应不断产生硝酸根，因此在硝化池后应通过再脱氮池进行脱氮，再脱氮池和一级脱氮池没有太大差别，同样安装有减速装置的搅拌机等，只是不需要污泥循环：另外，药剂只有碳源的添加，一般不需要添加磷源。但从长期稳定运行考虑，再脱氮池添加的碳源可能会多于一级脱氮池。
4、再曝气池与硝化池相比，再曝气池较小，再曝气池的主要功能是吹脱，将前端脱氮产生的N2从泥水混合液中充分吹脱出来。避免后端生物沉淀池的污泥膨胀现象。为充足的曝气是这里唯一需要考虑的，再曝气池无药剂添加、无污泥循环。
二、运行控制
对于生化法处理氨氮来说，运行管理和传统生化法有不少类似，
1、硝化池内充足的溶解氧(DO)。与传统生化法相比，氨氮处理系统的硝化池需要更充足的溶解氧。硝化反应需要在更高的溶解氧水平下，才能有效正常进行，一般硝化池的最适宜DO应保持在4ppm以上，考虑到原水负荷的波动，硝化池DO最低也应保持在2.0 ppm以上，低于此值，硝化反应会受到抑制。另外，DO也可作为观测硝化性能的一项依据。正常情况下，系统始终处于不断接收排水的状态，由于处理负荷的波动，硝化池DO会呈现在一定范围的上下波动趋势；波峰一般对应氨氮低负荷的排水，波谷对应氨氮高负荷时的排水。在产品生产工艺和产量不变的情况下，同一季节，波峰波谷值相对稳定，若硝化池DO出现上升趋势，甚至超过之前波峰值时可能就是硝化菌群活性降低，数量减少的一个信号。硝化池内曝气器的选择，对于DO的水平以及稳定运行具有重要的影响。曝气器由于长年位于水底，因此稳定性应作为首先考虑的因素。传统微孔曝气软管容易出现破裂，这样会造成硝化池内的曝气不均，对运行管理带来很多不利因素。
2、全面的营养
（1）碳源
半导体芯片工厂都采用超纯水作为生产用水，生产工艺中使用到多种化学品，即使是有机类也往往是难降解的有机物。这样就造成了生产排水的可生化性差，若仅依靠这种排水维持生物系统的健康稳定是无法完成的。所以必须在系统中添加碳源。最有效的碳源可采用甲醇，它能被生物菌群充分的分解和利用。应关注甲醇的易燃易爆特性，在相关设备的安装和运行管理方面，设置相应的安全、防护措施，确保装置的安全、稳定运行。半导体芯片工厂一般都会有IPA废液排放，这些废液可以利用作为NH3-N处理系统的添加碳源。由于IPA也属于易燃易爆，因此设备和管道布置应根据综合厂区总体布局考虑，务必遵循安全第一的原则。碳源投加量的控制应遵循碳氮的合理比例，碳氮(C/N)比计算理论值为2.86，也就是转化lgNO3-N为N2所需的碳源有机物为2.86 g。从工程实际来说，为确保脱氮效果，有些系统的实际C/N控制得更高一些。
（2）防止碳源的过量
碳源投加的过量是造成半导体氨氮废水处理系统不稳定因素之一，投加的碳源主要用于脱氮，也就是反硝化菌的消耗；硝化反应的亚硝酸菌和硝酸菌都是好氧自养菌，只需以水中的CO32-、HCO3-离子和CO2为碳源，即能很好地生存和繁殖。当硝化池内COD负荷过高时，大量异养菌就会大量繁殖，这些异养菌主要参与COD，BOD的去除以及分解其他可生化降解的有机物。此时，硝化菌群就会被这些异养菌所包围，生长和繁殖不断受到抑制，从而造成硝化性能的恶化。由于半导体芯片工厂的氨氮废水水质存在波动，在脱氮池投加较多甲醇，在脱氮负荷较小的时候，脱氮池末端就容易产生碳源的“泄漏”，造成硝化池额外的COD负担。这些额外COD负担对于硝化池中的硝化菌群来说是危险甚至致命的，工程实践表明，当出现“碳源泄漏”，硝化池的氨氮去除率会迅速恶化，而即使马上阻止了“碳源泄漏”，氨氮去除率也很难在短时间内恢复。这确实从实际上说明在碳源更强势的情况下，硝化池内的硝化菌群的生长遭到了明显的抑制。
在运行控制中对系统进水负荷、脱氮槽碳源营养液的投入量、硝化槽pH和曝气量及沉淀槽污泥回流量的管理是保证系统稳定运行中的关键。通过对系统各处理段水质分析和对硝化槽pH的控制管理可降低系统的运行费用。在保证系统稳定运行的前提下对系统的各个处理段进行水量及药剂量的再调整降低运行成本可能是今后运行管理的新方向。
参考文献：
[1]张蔚萍,陈建中.低碳高浓度含氮废水的生物脱氮技术[J].环境保护,2013(06):20.
论文作者:岳一珠
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/24
标签：碳源论文; 脱氮论文; 系统论文; 曝气池论文; 溶解氧论文; 生化论文; 废水论文; 《防护工程》2018年第12期论文;