基于原位碳源補充強化污水處理深度脫氮技術(shù)的中試

操家順，商凱航，羅景陽，王　成，虞筠霄

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇南京　210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京　210098)

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中污染物排放量持續(xù)增加，環(huán)境污染日益加劇。以太湖流域為代表，流域內(nèi)重污染行業(yè)數(shù)量多、比重大，因此以處理工業(yè)廢水為主的污水處理廠占比也較大[1]。然而，由于工業(yè)廢水中污染物可生化性差，進水碳源不足，導(dǎo)致不少污水處理廠仍存在出水難以穩(wěn)定或無法達到一級A標準的問題，環(huán)境形勢嚴峻。例如，江蘇省某工業(yè)園區(qū)污水處理廠由于進水原水含有一定比例的難降解有機物，可生化性較差，且水質(zhì)波動幅度大，導(dǎo)致出水TN無法穩(wěn)定達標，亟需對現(xiàn)有工藝進行升級改造。目前，污水處理廠尾水深度脫氮的技術(shù)主要有生物濾池、MBBR、電化學(xué)技術(shù)及人工濕地等。其中反硝化濾池脫氮工藝比其他工藝具有占地面積小、脫氮效率高、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點[2-3]，但該工藝需要投加外部碳源，而碳源影響微了生物反硝化速率、系統(tǒng)N2O產(chǎn)量及工藝運行成本。因此，不同碳源對反硝化濾池的影響是目前研究的熱點。如劉秀紅等[4]分別選用乙酸鈉、乙酸和甲醇作為中試反硝化濾池的碳源，發(fā)現(xiàn)三種物質(zhì)作為碳源時系統(tǒng)硝酸鹽去除率均可達到90%，其中甲醇作為碳源時，投加量最少，費用最低，但反沖洗周期最長。然而，目前鮮有采用經(jīng)水解酸化處理后的污水原水用作碳源的研究報道。

本研究中試所在的污水處理廠一期工程處理工藝為“厭氧水解+二級生化處理+混凝沉淀”，流程如圖1(A)所示，常年進出水水質(zhì)如表1所示。

圖1　污水廠現(xiàn)有工藝流程圖

項目BOD5/(mg·L-1)CODCr/(mg·L-1)SS/(mg·L-1)NH3?N/(mg·L-1)TN/(mg·L-1)TP/(mg·L-1)設(shè)計進水15050025035258設(shè)計出水2080705(8)1505實際進水50～300100～900200～6000～3020～600～11實際出水6～2040～8015～350～512～300～02

由表1可知，污水廠出水TN存在超標現(xiàn)象，考慮到現(xiàn)有處理工藝實現(xiàn)達標難度大，必須對二級出水進行深度處理兼顧難降解COD的去除，才能實現(xiàn)達標排放。

根據(jù)該污水處理廠一期工程處理工藝及進水水質(zhì)現(xiàn)狀，本研究提出在系統(tǒng)末端增設(shè)反硝化濾池工藝，利用污水處理廠現(xiàn)有厭氧水解池生產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acids，VFAs)作為外加原位碳源節(jié)約運行成本的設(shè)想，工藝優(yōu)化方案流程如圖1(B)所示。建立反硝化濾池中試裝置，同時配備可控水解酸化中試裝置生產(chǎn)VFAs[5-7]，在濾池掛膜成功后將VFAs作為反硝化濾池處理尾水補充碳源[8-9]，探究該條件下反硝化濾池運行優(yōu)化工藝條件，為低品質(zhì)碳源高效水解及反硝化濾池耦合強化脫氮技術(shù)的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1　試驗材料與方法

1.1　中試工藝流程

反硝化濾池深度脫氮工藝流程如圖2所示。在反硝化濾池啟動初期，需要提供外加優(yōu)質(zhì)碳源，使反硝化濾池中微生物能快速穩(wěn)定生長。在濾池掛膜成功后，從污水處理廠二期調(diào)節(jié)池中取原水與水解酸化池回流污水混合后進入水解酸化池。通過對水解酸化池運行條件進行調(diào)控優(yōu)化，使污水水解酸化產(chǎn)生需要的VFAs。最后，將含有VFAs的水解酸化池上清液與污水處理廠尾水在混合池中混合，加入到反硝化濾池中進行脫氮處理。試驗裝置如圖2所示，現(xiàn)場裝置如圖3所示。

圖2　深度脫氮工藝流程圖

圖3　中試裝置圖

1.2　中試設(shè)計參數(shù)

中試試驗設(shè)計參數(shù)如表2和表3所示。

表2　中試進出水設(shè)計水質(zhì)

表3　反硝化濾池運行參數(shù)

1.3　試驗方法

基于掛膜效果的考慮，本次試驗選擇接種掛膜[10]，投加碳源為乙酸鈉溶液。掛膜啟動分為兩個階段，第一階段將接種污泥與試驗配置用水按照2∶1的比例混合注入反應(yīng)器，水位超過濾料層50 mm以上。以60 mL/s的曝氣量連續(xù)悶曝24 h，使污泥中的微生物與填料充分接觸，然后在悶曝結(jié)束后排出反應(yīng)器中一半的污水，并再次注入試驗配置用水到設(shè)計水位，此階段共運行3 d。第二階段根據(jù)設(shè)計要求配置試驗用水儲備于水箱，停止曝氣，以1.8 mL/s的濾速連續(xù)進水直至出水水質(zhì)穩(wěn)定[11]。

1.4　分析項目與方法

COD的檢測采用重鉻酸鉀法，氨氮的檢測采用納氏試劑比色法，硝酸鹽氮的檢測采用酚二磺酸分光光度法，亞硝酸鹽氮的檢測采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，VFAs的檢測采用反相高效液相色譜法[12]。

2　結(jié)果與討論

2.1　反硝化濾池中試裝置掛膜啟動研究

圖4　啟動期濾池進出水-N(A)、和NH3-N(B)變化曲線

由圖4(B)可知，除7～10 d進水氨氮偏高外，其余時間進水氨氮含量很低(<2 mg/L)，出水氨氮比進水要低，這可能是由于反硝化細菌的同化作用，運行穩(wěn)定時其去除率在35%左右。出水氨氮在1 mg/L左右，可見氨氮去除效果較差。這可能一方面是由于進水氨氮濃度較低，可硝化氨氮量較少，另一方面是由于反硝化濾池優(yōu)勢菌群為反硝化菌，反應(yīng)器的硝化作用極小。

2.2　低品質(zhì)碳源反硝化濾池運行研究

2.2.1運行期間VFAs轉(zhuǎn)化效果監(jiān)測

運行期間對中試裝置水解酸化池出水VFAs進行了檢測，結(jié)果如圖5所示。

圖5　水解酸化池出水VFAs變化曲線

由圖5可知，在前后階段水解酸化池水力停留時間保持2.5 d不變的條件下(多余的水解酸化液外排)，出水VFAs最大值為172.4 mg/L，最小值為86.5 mg/L，平均值為131.6 mg/L，轉(zhuǎn)化率在15%～20%波動，較為穩(wěn)定，表明進水中的低品質(zhì)碳源經(jīng)過水解酸化后，VFAs的轉(zhuǎn)化率較高，出產(chǎn)量大，達到了作為外加原位碳源的使用量要求。

2.2.2運行期間脫氮效果檢測監(jiān)測

掛膜成功后，將原水水解酸化液和乙酸鈉聯(lián)用作為濾池補充碳源，反應(yīng)器中進出水硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮的濃度變化如圖6和圖7所示。

圖6　濾池進出水-N、-N變化曲線

圖7　濾池進出水-N變化曲線

由圖8可知，污水廠尾水氨氮濃度保持在1 mg/L左右，階段一反應(yīng)器出水氨氮保持在0.7 mg/L左右，而階段二出水氨氮在1.2 mg/L左右。可以看出，因酸化液引入的氨氮并沒有導(dǎo)致中試裝置出水氨氮明顯上升，中試裝置對尾水氨氮有一定的去除，這主要是由于反硝化脫氮時微生物同化作用，但去除量并不顯著。

圖8　濾池進出水NH3-N變化曲線

由圖9可知，階段一條件下，中試裝置具有良好的脫氮功能，以乙酸鈉與原水水解酸化液(COD乙酸鈉∶COD酸化液=2∶3)作為碳源，可保證出水TN低于5 mg/L，進水TN平均值為10.34 mg/L，出水TN平均值為3.89 mg/L，TN去除率平均值為61.5%。階段二進水TN平均值為12.95 mg/L，出水TN平均值為6.85 mg/L，TN去除率平均值為47%，無法達到TN出水低于5 mg/L指標。

圖9　反硝化濾池進出水TN濃度變化

由此可見，在原水水解酸化液投加量保持在一定范圍的條件下，進水中低品質(zhì)碳源經(jīng)過水解酸化后產(chǎn)生的VFAs可用作原位反硝化碳源，可保證良好的反硝化處理效果，有利于減少人工投加碳源的使用，削減反硝化濾池工藝的運行成本。

2.2.3運行期間COD去除效果監(jiān)測

圖10為中試裝置運行期間尾水與中試裝置出水COD變化情況，由于投加外加碳源以及引入酸化液作為補充碳源，出水COD有時會高于進水，但在第一階段基本低于出水COD標準(50 mg/L)。階段二出水COD高于階段一，主要是由于原水水解酸化液比例增大，存在更多不利于微生物利用的COD，可見出水COD與進水及原水COD密切相關(guān)。另一方面，尾水硝態(tài)氮濃度降低，反硝化碳源消耗量下降，也會導(dǎo)致出水COD濃度超標。因此，需定時檢測原水與尾水COD及尾水硝態(tài)氮含量，當水質(zhì)波動變化較大時可及時作出調(diào)整，或?qū)⒉糠殖鏊亓髦辽到y(tǒng)，避免出水COD超標。

圖10　濾池進出水COD測定值

3　結(jié)論

本研究進行了以污水廠進水水解酸化液為外加碳源的反硝化濾池中試研究，得出以下三個結(jié)論。

(1)以乙酸鈉溶液為碳源的反硝化濾池中試裝置掛膜時，歷時15 d裝置出水趨于穩(wěn)定，標志掛膜成功。

(3)水解酸化液投加量對反硝化濾池處理效率影響較大，必須根據(jù)實際工程情況調(diào)控酸化液投加量。在酸化液投加保持適量范圍的條件下，進水中低品質(zhì)碳源經(jīng)過水解酸化后產(chǎn)生的VFAs可用作原位反硝化碳源，可保證良好的反硝化處理效果，有利于減少人工投加碳源的使用量，削減反硝化濾池工藝運行成本。

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