1、概况
某冷轧不锈钢企业不锈钢钢板的混酸酸洗药剂采用硝酸、氢氟酸，排放的混酸废水经中和、石灰除氟后，总氮浓度最高可达2000mg/L（硝态氮占比≥98%），属于超高浓度总氮废水，考虑采用反硝化工艺进行生物脱氮后达标排放。
该生物脱氮系统设计处理规模为80m3/h，已稳定运行3年，出水水质满足《钢铁工业水污染物排放标准》（GB13456—2012）的表2排放限值。生物脱氮系统设计进、出水水质见表1。
该生物脱氮系统采用新型IBR反硝化工艺，沉淀池前置，工艺流程见图1。好氧泥水混合液经气提回流至沉淀池，上清液外排，污泥重力沉降并下滑进入缺氧池，实现污泥回流。该工艺具有如下优点：①污泥回流输送机械破坏程度小，污泥浓度（MLVSS）可维持在较高水平；②回流比调节灵活，最大可达15；③能耗低，机械设备少，占地面积小。
2、主要工艺单元设计
①事故池1座，容积1200m3，有效水力停留时间（HRT）为13h，配提升泵2台（1用1备，流量20m3/h）。
②调节池1座，容积1500m3，有效HRT=16.5h，配设双曲面搅拌机2台（功率7.5kW），提升泵2台（1用1备，流量100m3/h），泵后设气动调节阀，可按需调节进水流量。
③加药配水池1座，容积18m3，有效HRT=10min，配设立式搅拌机1台，冷却塔1座（ΔT=10℃），进水水温≥30℃时开启冷却塔，投加盐酸调节pH值为3~4，根据进水总氮投加甲醇。
④IBR池1座，容积7000m3，有效HRT=75h，分为A/B两个系列；各池有效HRT见表2。
沉淀池表面负荷为0.6m3/（m2•h）；每格缺氧池配设双曲面搅拌机1台（功率7.5kW），共8台，好氧池设穿孔曝气管；另配置冷却塔2座（ΔT=10℃），鼓风机3台（风量15m3/min，风压78.4kPa，功率37kW），污泥气提装置2套，剩余污泥泵2台（1用1备，流量20m3/h）。
缺氧池3设甲醇、盐酸投加点，按需投加。
⑤中间水池1座，容积108m3，有效HRT=1.0h，配备提升泵2台（1用1备，流量100m3/h）。
⑥过滤器2套，单套处理能力55m3/h，滤速10m/h。采用连续洗砂方式，洗砂回流水送至加药配水池。
⑦出水监测槽1座，容积10m3。
⑧污泥浓缩池1座，容积300m3，设污泥浓缩机1台（φ7.0m）。
⑨离心脱水机1台，湿泥处理量10m3/h，设进泥螺杆泵2台（1用1备，流量10m3/h），泥斗1套（容积20m3）。
3、运行控制及运行参数
3.1 进水总氮变化规律
虽然设置了调节池、事故池，实际运行中系统进水（即调节池出水）的总氮浓度波动仍然较大，并呈现超高、一般两种明显的浓度区间。超高浓度为800~1200mg/L，一般浓度为400~800mg/L。这与生产线废酸排往废水站或酸再生站相对应。
3.2 精细化控制
为了精准控制甲醇的投加量，保证出水总氮稳定达标，对调节池出水4h化验一次（6次/d）。根据化验数据，严格控制进水总氮，调整各项运行参数，具体见表3。
其中甲醇投加量按下式计算：
式中：N1为4h进水总氮量，kg；N2为进水总氮浓度波动补偿量，kg；n为4h时间段序列数；X为进水总氮浓度，mg/L；Q为4h进水量，m3；Z为甲醇投加量，L/min；a为甲醇投加系数，一般取2.47kg/kgTN；B为甲醇质量分数，%；ρ为甲醇密度，kg/L。
运行中发现，甲醇投加系数宜取2.5~3.0，高于3.0时出水COD易超标；低于2.5时对出水总氮去除效果暂无影响，但是污泥容易老化，出水氨氮上升；低于2.2时出水各项水质迅速恶化。当缺氧池3总氮超过阈值（12mg/L）时，可按加药配水池投加甲醇量的5%~20%适量补充甲醇，8h内总氮可迅速降至5mg/L以下。当缺氧池3内pH值≥7.8时，需适量投加盐酸，防止碱度过高抑制反硝化效果。
3.3 主要指标检测数据变化
①氧化还原电位（ORP）
本系统在缺氧池1、缺氧池2设置了ORP在线仪，缺氧池1的ORP一般为-420~-150mV，缺氧池2的ORP一般为-200~0mV。ORP能反映反硝化的剧烈程度，在水量一定的情况下，进水总氮浓度越高，缺氧池内ORP越低。但是当进水总氮过高，硝态氮在缺氧池内不能充分降解时，ORP亦会上升，这时并不能说明系统恶化，稳定运行一段时间后数据会自行恢复。
以2019年11月数据为例（见图2），当月系统进水总氮浓度高，调节池超高液位，根据规定按工况9调整操作；当进水总氮浓度突增时，缺氧池1的ORP明显上升，缺氧池2的ORP同步下降，反硝化主场所发生了扩大后移。
②溶解氧（DO）
本系统中所谓的缺氧池，并不是严格意义的“缺氧”，所有缺氧池的DO普遍在2~3mg/L，随流程略有降低。好氧末端溶解氧一般为3~5mg/L，气提回流比越大缺氧池溶解氧越高，偶尔高至4~5mg/L时反硝化也不受影响，但是这种情况持续时间短，因为风机的充氧能力有限，大比例回流时好氧末端溶解氧也会迅速下降。
分析主要原因可能是：a.硝态氮浓度高，传质推动力大，反硝化菌更多优先利用硝态氮中的氧进行呼吸；b.虽然液相中DO>0.5mg/L，但是氧传质受阻，污泥絮体内部DO很低，不足以抑制反硝化的进行。
③水温
高浓度总氮废水反硝化反应会释放大量的热，使得废水温度明显上升。反硝化反应热效应为35625kJ/kgNO-3（以N计），本系统按设计水量80m3/h、平均进水总氮700mg/L、出水总氮5mg/L计算，仅反硝化反应放热，就可以贡献550kW，使整个生化池水温上升5.9℃；这也与系统未开冷却塔时实测温升5~8℃基本一致（见图3）。
夏季来水水温高达30~35℃，加上环境温度高、散热差，生化池内水温很容易超过40℃，抑制微生物的生长，因此设置冷却塔十分必要。需要特别指出的是，常有人认为风机热风是导致水温上升的主要原因，实际情况是本系统风机的运行功率仅74kW，对温升的贡献率低于10%。
④污泥浓度及污泥负荷
经石灰除氟后，废水未经去除硬度便送至生物脱氮系统。经测量，废水的钙硬度基本与总氮浓度呈线性正相关，比例约（1~1.3）∶1，这使得反硝化产生的碱度（总氮浓度的3.57倍）过剩，几乎全部的钙硬度将转化为碳酸钙留存在生物脱氮系统；污泥中存在大量惰性物质，MLVSS/MLSS仅为0.25~0.35；但是由于沉淀池污泥下滑快无堆积、钙泥的助沉，以及气提对回流污泥絮体破坏小，生化池MLSS一般可高达40000mg/L，MLVSS一般在10000mg/L以上。
2020年1月—3月缺氧池污泥浓度及总氮负荷变化见图4。
从图4可以看出，该生物脱氮系统整个缺氧段的污泥负荷多为10~30mgTN/（gMLVSS•d），得益于IBR工艺MLVSS高的特点，其污泥总氮负荷并不比一般反硝化工艺高。根据各级缺氧池出水化验数据，缺氧池1是主要的反硝化场所，总氮去除率一般在80%以上。
3.4 系统出水总氮变化
系统出水总氮变化见图5。
当出水总氮≤5mg/L，在数据记录时皆以5mg/L计，因此实际总氮去除率部分高于图5中所列数据。总体来说，该生物脱氮系统自投运以来，出水水质稳定，总氮去除率一般在99.0%以上。截至2020年5月20日，出水水质化验次数总计约4700次，其中总氮≤5mg/L达2400余次，占51.1%；总氮为5.1~12mg/L共计2200余次，占46.8%。而近半年总氮≤12mg/L的次数占同时段总化验次数的99.5%。
系统设有超标回流机制，能确保全厂总排口总氮≤15mg/L达标排放。
4、工艺不足及应对措施
4.1 进水钙硬度高，极易结垢
受前段除氟工艺的影响，系统进水钙硬度高而极易结垢，生物脱氮系统同时也成为除硬系统，如此极易出现如下问题：①水下设备、管道结垢严重，停止曝气2h穿孔曝气管就可能堵塞；②生化池角落易积泥并固化，减少了有效池容；③后续过滤器的滤砂结垢，严重时呈黄豆大小，过滤效果直线下降；④池内仪表探头结垢严重，测量数据出现偏差。
应对措施：①加大盐酸投加量，增设盐酸投加点，控制池内pH值≤7.8；②排泥管、曝气管接入压缩空气，定期冲扫；③定期利用移动式潜污泵，对生化池角落的积泥进行清理。
优化建议：可考虑在生化系统前增设除硬设施，并将IBR出水回流至除硬设施，充分利用反硝化碱度，少加甚至不加碳酸钠等除硬药剂。
不过由于碳酸钙的存在，增加了污泥密度，使得IBR沉淀池的沉降效果较好，省去了原设计在回流污泥中投加的PAM；若减少生化系统内的碳酸钙，是否会影响其维持目前的高污泥浓度，仍待研究。
4.2 气提气量不足，混合液回流量不能进一步提高
提高混合液回流量，可以提高缺氧池的污泥浓度，使得系统更耐负荷冲击，总氮去除效果更好更稳定，因此调节气提回流比是一项重要的操作。
目前气提回流装置与好氧池曝气系统共用同一气源。在气提进气口与好氧池曝气器水深相同的情况下，气提的供气手阀开度从45°调至90°，其气量几乎不变，混合液回流量最大维持在约150m3/h。
应对措施：①减少进水量，提高回流比是首选；②开启备用风机，增加供风量（但会增加电耗和甲醇耗量）。
优化建议：气提回流装置采用独立气源，并能够任意调节气量（采用变频低压风机或压缩空气减压后供气）。
4.3 沉淀池出现短流、翻泥
由于IBR的沉淀池前置，当出现如下情况时：①瞬时进水水量过大；②气提回流量偏小（调小或临时关闭气提供气）；③缺氧池1至缺氧池2的底部管道结垢堵塞等，有可能导致沉淀池液位低于缺氧池1而出现短流，甚至大量翻泥。
由于正常运行时，IBR沉淀池液面仅比缺氧池1高出约0.1m，设置液位监控等措施难以起效，因此只有加强管理和巡检，才能避免人为误操作，及时发现短流、翻泥情况的发生。
5、结论
①IBR反硝化工艺具有沉淀池前置、高比例污泥回流等工艺特征，MLVSS维持在10000mg/L以上，缺氧段的污泥负荷为10~30mgTN/（gMLVSS•d），能将废水总氮（硝态氮占比≥98%）从400~1200mg/L降至15mg/L以下，一步实现达标排放，总氮去除率≥99.0%。
②处理超高浓度总氮废水时，诸如甲醇投加方式，系统ORP、DO等情况，与处理低浓度总氮废水时有明显差异；由于系统进水总氮浓度波动大，需要实时监控进水总氮量，并对应调整甲醇的投加量，投加系数宜取2.5~3.0kg甲醇/kgTN；运行发现缺氧池ORP可低至-420mV，且DO为2~3mg/L，但并不影响反硝化的正常进行。
③在超高浓度总氮废水工艺设计时，还应考虑生化放热对系统的影响；反硝化反应放热会引起生化系统水温上升5~8℃，夏季需考虑冷却措施。
④该工艺仍存在结垢、短流、翻泥等不足，可通过强化运行管理进行弥补，确保达标排放。（来源：上海东振环保工程技术有限公司）
