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陈希飞;胡明龙;常定明;袁蔚文
【摘 要】针对 IBR 工艺对钢铁厂冷轧废水中高浓度总氮的处理开放中试争论,结果说明,在设计参数 pH 值≈、污泥浓度 MLSS≈6 000 mg/L、温度 T≈30℃、回流比 R≈10、好氧区溶解氧 DO≈ mg/L、缺氧区溶解氧 DO＜ mg/L 条件下, 废水 TN 去除负荷高达 kg TN/kg MLSS·d,去除率高达 ％,TN、COD 等
各项出水指标满足后续生物膜法进水水质要求 .与其他工艺相比,该工艺污泥浓度高、无内部活动件、占地面积小、操作便利,本钱低廉.%A pilot-scale study on the denitrification treatment of cold rolling waste water utilizing IBR process
was carried out in a steel plant,and the treatment effect under design parameters was experiments showed that total nitrogen removal loading was more than kg TN/kg MLSS · d and removal rate was as high as ％,under the design parameters pH value≈,MLSS
≈6 000 mg/L,T≈30 ℃,R≈10,DO≈ mg/L (anoxic zone),DO＜ mg/L (oxic zone).Effluent indexes such as TN,COD concentration could meet the relevant requirements of subsequent biofilm process pared with other process technologies,IBR process could maintain high sludge concentration with no internal moving parts,operation cost was low and less field area was ,technical improvements on the process were convenient and cheap because of its simplicity.
【期刊名称】《净水技术》
【年(卷),期】2025(000)006
【总页数】6 页(P76-80,112)
【关键词】冷轧废水;一体化生物反响器(IBR);总氮(TN);生物处理;中试
【作 者】陈希飞;胡明龙;常定明;袁蔚文
【作者单位】麦王环境技术股份,上海 202535;麦王环境技术股份,上海 202535;麦王环境技术股份,上海 202535;麦王环境技术股份,上海 202535
【正文语种】中 文
【中图分类】
IBR〔integral bio reactor〕是一个高效的硝化-反硝化系统。IBR 系统成功地将二沉池结合到曝气池中，单个池子就能完成整个活性污泥处理工艺，并且内部无任何活动部件。IBR 系统将微生物技术、曝气技术、空气提升技术、大比倍回流稀释技术及快速澄清技术结合在一起，具有其独特的构造形式及高效的运行效果。目前该项技术已申请国家有用型专利，专利号 。
中试目的
上海某不锈钢冷轧废水处理站酸性废水和含油废水总氮含量高，浓度波动大。依据钢铁工业水污染物排放标准〔GB 13456—2025〕的要求，自 2025 年 1
月 1 日起总氮排放标准为 15 mg/L，因此该局部排放水亟需进展达标排放治理。目前废水脱氮的方法较多，主要有生物法和物理化学法［1-4］两大类型。综合考虑工程现场实际条件，公司拟建立生化＋生物膜法两段工艺系统。鉴于此股高总氮
废水的特别性，以及国内类似工程案例较少这一实际状况，为降低工程投资的风险， 在工程现场开展中试试验格外必要。依据业主要求，我司拟承受 IBR 生化＋ BioNest 生物巢两段工艺，BioNest 生物巢工艺是应用格外成熟的技术〔相关专利
号 〕，其在工程上成功运行案例多。因此，本次中试仅针对 IBR
生化工艺开放争论探究，出水要求 TN≤100 mg/L，一方面，从小试试验结果分析IBR 工艺较易实现该出水水质目标，另一方面，生物巢工艺可容纳的 TN 浓度范围广，适当降低进水浓度可适当节约投资本钱及运行费用。
中试进水水质
本次中试用水取自四股废水〔冷轧酸洗钢板废水、稀乳化液废水、浓乳化液废水、生活污水〕预处理并充分混合后出水，常温，pH 值≈，COD≈100 mg/L， TN≈1 500 mg/L〔大局部为硝态氮，氨氮浓度小于 10 mg/L〕，因此主要目的是去除废水中的硝态氮，将其浓度降至 100 mg/L 以内。
工艺流程
中试系统主要由调整池、IBR 反响装置、加药装置及掌握柜组成，处理规模为 m3/h，参照 AO 生物脱氮工艺设计参数［5］取设计负荷为 kg TN/kg MLSS·d，工艺流程如图 1 所示。
IBR 中试装置尺寸为 m× m× m，有效容积约 50 m3。由于本次中试废水中总氮大局部为硝态氮，因此整个反响体系以反硝化为主，缺氧区体积约占 34
m3，好氧区与沉淀区均占 8 m3。设计好氧区的目的，一方面防止碳源投加过量导致出水 COD 超标，另一方面从构造上实现好氧区至缺氧区的大稀释回流比。此外，本次中试设备将沉淀区设计为可敏捷移动的构造，当设备运行稳定后，可依据出水 COD 状况将沉淀区移向好氧区，调整好氧区容积，到达提高负荷并降低能耗的目的。IBR 反响系统可通过调整内部构造尺寸实现硝化反硝化功能。
IBR 系统以空气作为主要动力源，一方面作为提升动力，通过气提泵来实现混合液提升与污泥回流；另一方面，通过鼓风曝气满足好氧区所需溶解氧。
IBR 系统内部独特的向下引流技术使其能够承受的污泥浓度为 6 000～10 000
mg/L。本次中试系统污泥浓度按 6 000 mg/L 设计。
分析方法及仪器
本次中试涉及到的分析方法及检测仪器如表 1 所示，具体操作过程参见《水和废水监测分析方法〔第四版〕》。此外，MLSS 和 SV 具体介绍及测定过程参见《水污染掌握工程〔第三版下册〕》。
计算公式及说明
本次中试废水 TN 浓度高，有机物浓度低，运行过程中需补充额外碳源。因此，在调试运行过程中主要探究 TN 去除负荷，仅在设备运行稳定后将出水 COD 作为工艺整体运行考核指标。
此外，随着进水浓度及流量的变化，出水 TN 浓度均会随着变化，仅依据出水 TN 浓度不易觉察运行规律及处理力量，出水 TN 浓度接近不表示处理效果稳定，出水TN 浓度上升也不表示处理效果降低。因此，本论文以 TN 去除负荷作为衡量处理效果的指标，综合考虑进水浓度和流量的影响，具体计算如式〔1〕。
其中：TN 去除负荷—kg TN/kg MLSS·d； Q—废水浓度，m3/h；
CTN—TN 浓度，mg/L； MLSS—污泥浓度，mg/L； V—设备容积，m3。
药剂说明
本次中试投加的药剂主要分为三类：
碳源：葡萄糖，供给微生物生长及反硝化过程所需要的碳源；
养分盐：尿素、磷酸二氢钾，供给微生物生长所需氮源及磷源；
柠檬酸：一方面，缓冲反硝化过程产生的碱度；另一方面，柠檬酸可作为碳源供微生物及反硝化过程利用，削减葡萄糖消耗量。
由于药剂的投加量随废水浓度及流量变化而调整，不同水质水量条件下，药剂投加
量均不同，因此本论文仅对设备运行稳定后的药剂投加状况进展说明。
污泥接种培育
本次中试接种污泥来源某市政污水处理厂脱水污泥，结果如表 2 所示。
具体步骤：按污泥浓度 MLSS 约 6 000 mg/L 计算接种污泥量，污泥混合液体积约 15 m3，占整个池体 1/3 容积；按比例投加养分盐；连续曝气 24 h，静置 12 h，补充自来水 15 m3 及局部流失污泥；曝气 12 h，静置 12 h，补充自来水 15 m3 及局部流失污泥；反复上述间歇曝气操作并更换上清液，直至污泥体积指数SV 到达 30%左右，MLSS 稳定在 6 000 mg/L 左右为止，进入驯化阶段。
污泥接种实质上是曝气-静置-换水补泥不断循环的过程，由表 2 可知：整个污泥接
种过程需要一周的时间，接种污泥量达 6 000 mg/L，污泥体积指数达 30%。污泥接种过程中有效污泥浓度不断提高，污泥沉降性能渐渐改善，颗粒粒径增大，构造渐渐紧凑，污泥颜色从褐色渐渐转变为黄色，池体外表浮泥根本消逝，由此可以推断污泥接种完成。
污泥驯化阶段
污泥驯化过程主要分两个阶段进展，首先逐步加大进水流量，使水力负荷到达设计要求，然后逐步提高进水浓度，使污泥负荷到达设计要求。
水力负荷提升阶段
设计参数：TN≈200 mg/L、pH 值≈、T≈30℃、好氧区 DO≈ mg/L、缺氧区 DO＜ mg/L、MLSS 浓度按 6 000 mg/L 计算，依据现场状况适当调整污泥回流比。
试验结果说明〔图 2〕：废水 TN 去除负荷随进水流量的增加渐渐上升，但整体上升趋势平缓，TN 去除效率低，当水力负荷到达设计值时，TN 去除负荷仅为
5 kg TN/kg MLSS·d。分析其缘由：活性污泥适应废水水质变化需要一个过程，依据本次中试废水的水质特性，可以推想该阶段活性污泥中菌种渐渐形成缺
氧段以反硝化细菌、好氧段以硝化细菌为优势菌群的格局，且反硝化细菌在整个系
统中数量最浩大，通过反硝化作用去除冷轧废水中大量的硝态氮是本次中试的核心。因此，在水力负荷提升阶段，一方面，活性污泥对废水的适应力量渐渐增加；另一 方面，反硝化细菌、硝化细菌渐渐成为相应区域的优势菌群。
污泥负荷增加阶段
设计参数：Q≈ m3/h、pH 值≈、T≈30℃、好氧区 DO≈ mg/L、缺氧区DO＜ mg/L、MLSS 浓度按 6 000 mg/L 计算，依据现场状况适当调整污泥回流比。
试验结果说明〔图 3〕：在污泥负荷逐步提升的过程中，菌种表现出良好的抗冲击负荷性能，TN 去除负荷渐渐上升，当污泥负荷到达设计值时，TN 去除负荷到达
7 kg TN/kg MLSS·d，去除效率高。分析其缘由：一方面，该阶段污泥中硝化细菌和反硝化细菌均被激活，在四周环境因素适宜的条件下利用自身理化特性充分发挥各种硝化、反硝化的作用；另一方面，由于污泥浓度高，硝化细菌和反硝化细菌基数大，为满足菌种的生长需求，废水中需要有充分的养分物质供其利用， 这些被分解或去除的物质以污泥负荷的形式表现出来，主要表达在 TN 去除负荷方
面。因此，在污泥负荷提升阶段，一方面，硝化细菌、反硝化细菌活性被充分激活， 菌种活性高；另一方面，菌种数量浩大，需要消耗大量的养分物质，主要表现为
TN 去除负荷高。
中试运行阶段
当水力负荷和污泥负荷均到达设计要求时进入中试运行阶段，考察工艺运行效果， 设备运行状况，有无特别声响等。
设计参数：Q≈ m3/h、pH 值≈、T≈30℃、好氧区 DO≈ mg/L、缺氧区DO＜ mg/L、R≈8、MLSS≈6 000 mg/L。通过连续两个月的监测和观看得出结论：设备运行稳定，运行效果好，无任何特别现象发生，进水 TN 浓度除个别波
动较大外，根本维持在 1 500 mg/L 左右，出水 TN 浓度取平均值约为 50 mg/L，
TN 去除负荷维持在 7 kg TN/kg MLSS·d 左右，去除率高达 %，出水CODCr 浓度平均值约为 100 mg/L，满足后续生物巢反响器进水水质要求。图 4、图 5 分别直观地描述了中试运行过程中废水水质水量稳定的连续一个月中 TN 去除 负荷和出水 COD。
负荷增加阶段
通过探究 IBR 工艺对钢铁厂高总氮冷轧废水的最大脱氮力量，为今后的工程设计供给参考依据。鉴于废水 TN 浓度已达本次中试废水浓度的最大值，pH、T、DO 等环境因素均掌握在适宜菌种生长的范围，因此，所实行的主要措施是进一步提高水力负荷。
设计参数：TN≈1 500 mg/L、pH 值≈、T≈30℃、好氧区 DO≈ mg/L、缺氧区 DO＜ mg/L、R≈10、MLSS≈6 000 mg/L。试验结果说明〔图 6、图7〕：随着废水水力负荷的增加，TN 去除负荷先平稳上升后渐渐趋于稳定，当废水流量增加至 m3/h 时，TN 最大去除负荷维持在 kg TN/kg MLSS·d 左右，连续 7 d 检测数据计算结果格外接近。连续增大废水流量，TN 去除负荷根本
不变，出水 TN 浓度上升，COD 浓度超过 200 mg/L，增大后续构筑物处理负荷， 不符合设计要求。TN、COD 浓度上升的主要缘由是：随着废水流量的增大，碳源投加量增大，当反响系统内 TN 的去除负荷到达最大时，连续增大流量将导致多余的 TN 因不再发生脱氮反响而不断累积，受好氧区曝气量及容积限制，过量的碳源 将导致出水 COD 浓度上升。由此可以推断，本次中试 IBR 工艺在适宜的操作参数条件下可以到达的最正确 TN 去除负荷为 kg TN/kg MLSS·d。
药剂费用分析
IBR 工艺硝化反硝化的作用机理与一般 AO 工艺一样，一方面污泥接种过程中需要投加养分盐；另一方面，假设废水 COD 含量低，硝态氮含量高，则需额外补充污泥
生长所需的碳源与中和反硝化过程产生碱度所需的酸。
本次中试运行稳定后药剂投加状况：葡萄糖〔15 kg/d〕，柠檬酸〔10 kg/d〕， 养分盐〔10%尿素、磷酸二氢钾，5 L/h〕。
吨水药剂费用约：〔15 kg/d× 元/kg＋10 kg/d× 元/kg＋120 L/d×× 元/kg〕÷ 24 t/d＝ 元/吨水。
电消耗用分析
IBR 系统相比一般 AO 工艺，其正常运行过程中无污泥回流泵、混合液提升泵、刮泥电机，承受气体泵实现混合液提升与污泥回流，所需用气量约为气水比 1∶2， 选择鼓风机型号时需考虑气体泵所需气量。IBR 工艺具体电耗如表 3 所示。
依据表 3 中数据可计算出各工艺吨水耗电费用。
IBR 工艺：〔＋×3＋×3〕kW·h× 元/kW·h＝ 元/吨水； 一般 AO 工艺：〔×2＋×2＋＋×2＋×3〕kW·h× 元
/kW·h＝ 元/吨水。
因此，IBR 工艺吨水耗电费用较一般 AO 工艺低 元。
维护费用分析
IBR 系统具有占地面积小、内部无活动部件、无污泥回流泵、无刮泥系统等特点， 因此其土建费用低、操作简洁，运行维护费用低。
IBR 工艺可以高效去除钢铁厂冷轧废水中高浓度硝态氮，在适宜的操作条件下：pH 值≈、MLSS≈6 000 mg/L、T≈30℃、R≈10、好氧区溶解氧 DO≈ mg/L、缺氧区溶解氧 DO＜ mg/L，废水总氮 TN 去除负荷高达 kg TN/kg MLSS·d。
IBR 工艺可维持的污泥浓度高、稀释回流比大，在 MLSS≈6 000 mg/L、R≈10 的条件下运行稳定、无任何特别现象发生。
IBR 工艺操作运行费用低，无污泥回流泵、混合液提升泵、刮泥机等耗电设
备，较一般 AO 工艺吨水耗电费用削减 元，且其内部无移动部件，操作维护
便利，降低修理本钱。
IBR 工艺可以维持的污泥浓度 MLSS 为 6 000～10 000 mg/L，在今后的争论中可以开放不同污泥浓度对脱氮效果的影响。
IBR 工艺抗冲击负荷力量强，通过适当调整缺氧区、好氧区和沉淀区的容积可到达除 COD、脱氮〔氨氮、硝态氮、总氮〕的效果。假设条件允许，建议脱氮废水含肯定浓度 COD，将废水中 COD 局部作为反硝化细菌生长及反硝化过程消耗的碳源，一方面降低药剂费用；另一方面实现总氮最大化去除。
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