干货分享 | 什么是内回流？

在污水处理的生物脱氮工艺中，为了保证生物系统的稳定运行，工艺中有很多控制参数，其中比较常用的有污泥龄，温度，溶解氧，污泥浓度，内回流等。内回流是污水生物处理工艺中是否具有脱氮功能的最重要的一个区别性的特征，对内回流的精准控制，是微生物脱氮的保障条件，今天这一期我们就来聊聊内回流。

在一些污水厂的运行人员中，对生物脱氮工艺的内回流的理解不是很深入，认为内回流就是一个比例关系，而且感觉内回流从好氧末端回到缺氧段，从工艺流程上来看，感觉就是一个毫无用处的消耗电力的过程。在工艺管理的巡视检查上，并没有引起足够的重视。特别是内回流在系统内进行循环，不像外回流一旦停运，曝气池内的活性污泥浓度急速下降，表面会产生大量的低浓度白色泡沫，导致污水处理指标快速超标。内回流泵即使停运，特别是很多内回流泵现在采用的穿墙泵，停运后从生物池表观上看不出任何的区别，巡视人员也往往会忽略内回流的作用。随着污水厂对总磷总氮的要求，生物脱氮工艺的运行大面积在污水厂中开展起来，很多污水厂都把总氮工艺控制重点放在了碳源投加上，把碳源当成化学药剂来进行对待，简单的认为碳源就是去除总氮的灵丹妙药，不断地增加碳源投加量，而忽略了生物脱氮工艺的其他控制点，比如内回流。在污水厂生物脱氮工艺的大量开展的现状下，认真了解内回流的来龙去脉，是控制好生物脱氮工艺的前提。

在公众号前面的文章里，针对生物脱氮的工艺我们进行了详细的说明，在很多内容中也对内回流进行了深入的探讨，但是一直没有单独的把内回流列出来进行探讨，因此公众号将针对内回流进行一次深入的探讨。

要深入的了解内回流的作用，就需要再次回到生物脱氮的工艺上来，生物脱氮的过程是由三部分组成的，分别是：

① 氨化（ammonification）：污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮的过程；

加氧脱氨基反应式为：

RCHNH₂COOH+O₂→RCOOH+CO₂+NH₃

水解脱氨基反应式为：

RCHNH₂COOH+H₂O→RCHOHCOOH+NH₃

在生活污水中的有机氮被水解或加氧后，产生的氨（NH_３）溶于水后，生成污水中的氨氮NH_４－N。

② 硝化（nitrification）：污水中的氨氮（NH4⁺－N）在硝化菌（好氧自养型微生物）的作用下被转化为NO₂-和进一步的NO₃-的过程；

亚硝化反应式：

NH₄⁺+1.5O₂→NO₂^-+H₂O+2H⁺

硝化反应式：

NO₂^-+0.5O₂→NO₃^-

总反应式：

NH₄⁺+2O₂→NO₃^-+H₂O+2H⁺

上述反应式中，我们对硝化菌的增殖，碱度的消耗等不进行展开，只做简化的硝化反应讨论。

③ 反硝化(denitrification)：污水中的NO₂^-和NO₃^-在缺氧条件下在反硝化菌（兼性异养型细菌）的作用下被还原为N2释放到空气的过程。

反硝化反应式：

NO₂^-+3H⁺(有机物供体的电子)→0.5N₂+ H₂O+OH^-

NO₃^-+5H⁺(有机物供体的电子)→0.5N₂+ 2H₂O+OH^-

在污水厂中，完成了这三步反应以后，也就完成了生物脱氮的整个反应过程，大家注意下氮元素用绿色（原料）和黄色（产物）标注出来的在三步反应中的不同存在方式，氨化是从有机氮转化氨氮，硝化是把上一阶段产生的氨氮（包含污水中本身的氨氮）转化为硝酸盐，反硝化是把硝酸盐转化为氮气释放。这三步反应，每一步反应的原料都是上一步反应的产物，也就是说这三步反应其实是环环相扣的，缺少任何一部，总氮都不能最终形成氮气释放出来。所以在污水处理中，生物脱氮反应应该是下图这样的一个流程：

污水进入第一个曝气池内，进行氨化以及去除BOD的反应，产生氨氮产物；进入到第二阶段，进行硝化反应，把氨氮转化为亚硝酸根和硝酸根；最后来到第三阶段，进行反硝化反应，把亚硝酸根和硝酸根转化成为氮气释放出去。这样一个流程是严格符合生物脱氮的顺序的，是根据生物脱氮的三步逐级进行的。但是在实际的污水厂中，生物脱氮的A２O工艺并不是这样的流程，那么为什么没有进行这种符合生物脱氮的标准流程的设计呢？

在上图中反硝化的流程中，除了搅拌工艺以外，还有最重要的一个标识，就是在反硝化反应器中，投加碳源甲醇（CH3OH），这个是由于反硝化反应需要有机物提供的电子来进行脱氧的一个反应，所以这个阶段碳源是必不可少的。注意看第一步反应中，曝气池的作用，去除BOD，BOD是污水中有机物的生化指标，也就是曝气池去除污水中的有机物。但是在第三步的反应中是需要有机物的，那么这个流程布置就很尴尬，前端用了很大力气去除有机物（来自污水本身），后端又人工的进行补充有机物（额外购置），造成资源的浪费。那么能不能把这部分先去除后补充的有机物合二为一呢？那就出来了改良的生物脱氮工艺流程：

这个流程中把反硝化反应器从第三步提前到了第一步，把原废水中的有机物作为了反硝化反应中的电子供体，为反硝化反应提供了反应的基础条件，使反应向右进行下去。这样调整后，进水中的有机物在被好氧曝气去除之前，实现了其在反硝化的作用，从运行上节省了在最后进行碳源投加的成本，也降低了曝气池溶解氧的消耗，减少了曝气风机的鼓风量，整体上降低了运行成本。

但是这样也带来一个很重要的问题，反硝化区的前置改变了生物脱氮反应的正常流程，反硝化区接收的是污水厂的原废水，这其中的氨氮还没有经过硝化区的反应转化成硝酸盐氮，反硝化区只有有机物的电子供体，但是没有硝酸盐氮，也就无法实现反硝化反应，也就不能完成脱氮反应最后一步。那么怎么解决这个问题呢？内回流设置就是为了解决这个问题的。

进水中的氨氮经过曝气区的推流过程中的硝化反应生成硝酸盐氮，这部分硝酸盐氮与活性污泥混合在一起，通过设置在曝气区（硝化区）的末端的内回流泵提升回流到反硝化区，提升混合液而不是二沉池出水的原因是为了保持反硝化区内的活性污泥浓度，不至于被二沉池出水稀释过低，导致反硝化菌的数量不足，造成反硝化反应无法进行。所以说内回流是保证这种调整后的工艺流程能实现生物脱氮的重要环节。从这个角度来说，内回流在生物脱氮工艺中是非常重要的一项工作，也是我们做生物脱氮工艺管理中需要密切注意的项目，没有稳定的内回流是无法保证生物脱氮工艺的稳定达标的。

内回流的流量和进水水量的比例关系，称为内回流比，为了和外回流比R进行区别，内回流比一般用r来表示。在污水厂的运营管理人员中，对内回流比r的数值确定，一般从设计说明，或者其他的一些相关文献资料上，都看到内回流比r在2~4（也有用百分比来计量的，在200~400%）之间，但是有没有认真想过为什么内回流比r是2~4（200%~400%），而不是外回流的1（100%）呢？

要分析内回流比的取值问题，就要回到生物脱氮的基本原理上来，从上一篇公众号的介绍内回流的作用是为了保证生物脱氮流程中反硝化流程提前以后补充缺氧区的硝酸盐浓度的，内回流的大小就是调整了反硝化区的硝酸盐浓度的高低。反硝化区作为生物脱氮的最后一个步骤，运行人员希望尽可能的将所有好氧区产生的硝酸盐实现了反硝化转化成氮气释放出去，从而保证出水总氮的达标，那就需要调整内回流的量。

从污水厂的生物脱氮运行角度，进水的总氮和出水的总氮，反硝化所去除的硝酸盐氮之间，可以得出一个氮在污水厂内的平衡关系。为了使我们更好的理解污水厂的氮平衡，需要简化下面的一些关系：

1、进水中的有机氮全部转化，生活污水厂内的有机氮本身含量不高，在污水管网的流动和污水厂的生物厌氧过程中，大部分有机氮已经转化，为了简化氮平衡，在计算中，不考虑有机氮的转化问题。

2、微生物生长过程中的本身合成所需的氮不进行考虑，也就是说活性污泥的同化作用（活性污泥微生物自我生长消耗）所需要的氮不去统计，这部分氮存在，但是在进水总氮较高的地区，这部分作用去除的总氮所占比例很小，一般不去进行计算。

3、假设出水中总氮主要以氨氮和硝酸盐氮为主，有机氮和亚硝酸氮假设在整个生化过程中都得到了完全的处理，不存在这两种过程产物。

4、假设进水总氮中，氨氮占了很大比例，硝态氮很少，在平衡计算中，不考虑进水中的硝态氮的数量。

有了这四个简化及假设以后，根据物料平衡的计算，在好氧区所产生的硝酸盐最终分布在出水、内回流、外回流中，根据这个推理，可以得出污水厂内氮的平衡关系式来：

其中：

进水流量：Q

外回流比：R

内回流比：r

在好氧区产生的硝酸盐：NO₃^-

出水中的硝酸盐氮：Ne

外回流中的硝酸盐氮：NR

内回流中的硝酸盐氮：Nr

在这个关系式中，要注意出水中的硝酸盐氮Ne，外回流中的硝酸盐氮NR, 内回流中的硝酸盐氮Nr，这三者的关系，内回流和外回流本质上都是从曝气池好氧末端流出的混合液，而出水也是从曝气池末端流出的，硝酸盐在这三者中没有分别，也就是说它们的浓度其实是一样的，因此这三者我们可以简化成一个值，上面的关系式就可以变成：

也就是说： NO₃^-=Ne(1+r+R)

这样就可以推导出内回流比的计算公式了：

在内回流的比例计算上，外回流比R采用传统数值1，好氧池产生的硝酸盐氮可以认为是进水总氮全部转化成硝酸盐氮，出水硝酸盐氮可以认为是出水总氮中抛除出水氨氮的剩余部分，一般出水氨氮以0~5mg/L计算，出水总氮以15mg/L为标准，出水的硝酸盐氮就是为10~15mg/L之间，这样可以得出最后的内回流比的确定数值：

从这个公式可以看出，由于受到出水水质TN的国家标准15mg/L的控制，当进水的总氮在40~60mg/L时，内回流比要在2左右，这也是全国普遍污水厂的进水氨氮区间，因此为了保证好氧区产生的所有的硝酸盐都回到反硝化区进行处理，内回流比要保持在2以上。如果进水的总氮更高，在60mg/L以上，就需要内回流比控制在4或者4以上了。但是由于内回流比如果控制的过高，会造成好氧末端的溶氧随着内回流带回到反硝化区，造成反硝化区内的溶氧过高，因此在调大内回流的同时，一定要严格控制好氧出水的溶解氧，以保障反硝化反应的正常运行。根据这个公式当进水水质的总氮越高，内回流比就需要控制的越高，才能将所有的硝酸盐氮回到反硝化区，满足生物脱氮的要求。当然如果污水厂进水水质中总氮甚至低于出水的15mg/L的标准，已经达标，就不能再适用这个公式来计算了，这个公式是基于出水的指标为15mg/L的GB18918-2002的一级A标进行推算的。

内回流的原理是为了把好氧区所产生的硝酸盐氮带回到置于好氧区前端的反硝化区，那么内回流量的确定也就是以尽可能把好氧区所产生的全部的硝酸盐带回去来进行推算的，经过简化的推算可以得到内回流比与进水的TN浓度有直接的关系，在污水厂的生物脱氮的工艺控制中，根据进水总氮的浓度高低，来合理调控内回流比，是工艺管控的重要内容之一，希望通过内回流的这两篇文章，能和污水厂的各位运营人员共同探讨污水厂的生物脱氮工艺的管理。