不同碳源對反硝化生物濾池運行效果影響

馮占立 ，李國輝 ，劉忠成 ，楊志超 ，張新宇 ，于豐浩 ，刁振東 ，孫大鵬

（1．鞍鋼集團工程技術有限公司，遼寧 鞍山114021；2．鞍山鋼鐵集團有限公司安全環保部，遼寧 鞍山 114021；3．鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

隨著國家對環境污染治理及節能減排的重視程度的提升，傳統的污水處理技術已經很難滿足提高后的環保標準，多數污水處理廠出水脫氮效果差，總氮含量高。生物濾池是一種生物膜法污水處理工藝，其特點是集生物氧化和截留懸浮固體于一體［1］，能夠將低濃度廢水中的污染物質進一步有效脫除。20世紀70年代，我國在城市污水處理系統中引入了生物濾池［2］。在生物濾池運行過程中，隨著系統截留固體懸浮物量的增加、生物膜的增長和反硝化過程氣泡的積累，濾層阻力逐漸增大，濾池過水能力降低，同時出水SS濃度升高，影響系統正常運行，需要經常進行反沖洗［3-4］。反硝化生物濾池作為總氮脫除工藝的代表，多應用于市政廢水處理中，利用反硝化濾池進行工業廢水脫總氮的工程案例幾乎沒有，僅有的研究多數仍局限于試驗［5］中。

鞍鋼綜合廢水中包含焦化、煉鐵、煉鋼、冷軋、生活等排出的各類廢水。該廢水總氮含量較高、碳源不足，且對出水總氮要求較嚴，出水水質需達到《鋼鐵工業水污染物排放標準》（GB13456-2012）中的排放標準。經過多方比選后，采用了后置反硝化工藝進行綜合廢水處理。

1 工藝流程

綜合廢水處理的工藝流程示意圖如圖1所示。裝置設計的進出水指標如表1所示。來自鋼鐵廠的綜合廢水經過提升后首先進入沉淀池，在混凝劑的作用下，廢水中的膠體和細微懸浮物凝聚成絮凝體，然后予以分離去除，高效沉淀池出水進入曝氣生物濾池，進行碳化及硝化反應，在降低廢水化學需氧量（COD）的同時將氨氮轉換為硝酸鹽氮，曝氣生物濾池出水后進入反硝化濾池，在反硝化濾池的缺氧環境中進行反硝化反應，從而去除水中總氮（TN）。從反硝化濾池出水后，進入砂濾池，砂濾池出水進入催化氧化池，在催化劑作用下，廢水中無法生物降解的有機物被礦化，廢水得到凈化。

圖1 綜合廢水處理工藝流程示意圖

表1 裝置設計進出水指標

2 存在問題

此綜合廢水處理系統中，總氮的有效脫除是系統運行的難點之一。由于原水中COD較低，為保障反硝化生物濾池總氮脫除效果，需要外加碳源。因此，碳源投加為反硝化濾池運行的關鍵環節。碳源投加過多，可能導致出水COD超標；碳源投加量不足，又可能導致出水硝酸鹽濃度過高，出水總氮難以達到處理要求。系統運行初期，主要以葡萄糖（C6H12O6）作為系統外加碳源。以葡萄糖作為單一外加碳源的反硝化濾池運行穩定后，系統COD和總氮運行指標如圖2所示，濾池反洗后系統COD和總氮變化趨勢如圖3所示。

圖2 系統COD和總氮運行指標

圖3 反洗后系統COD和總氮變化趨勢

由圖2可以看出，裝置運行穩定后，系統出水COD沒有增加，同時總氮能夠降低至15 mg/L左右，但處理效果不穩定，總氮偶爾超標，且脫除效率較低。實踐運行過程中，經過計算得出，外加碳源與總氮比值（C/N）為 7：1。

由圖3可以看出，反洗后系統處理能力短時下降，4 h內出水總氮指標升高，4 h后反硝化能力逐漸恢復，至8 h后完全恢復。實際運行過程中，根據水頭損失將反洗周期控制為16 h，系統操作壓力較大。

上述結果表明，以葡萄糖作為單一外加碳源時，總氮雖然能夠有效脫除，但反硝化濾池微生物增殖速度過快，出水濁度高，且水頭損失嚴重，反洗周期短，系統操作壓力大，高頻率的反洗不但會造成濾料磨損嚴重，同時反洗后一定時間內還會影響微生物處理效果，系統運行風險較高。

3 改進措施

針對以上問題，決定開展不同碳源對反硝化生物濾池運行效果影響的研究試驗，比較不同碳源投加后系統運行效果的變化。根據試驗研究及報道記載，反硝化濾池可采用的碳源種類較多，如甲醇、乙醇、淀粉等［6-7］。現場利用2座反硝化濾池進行試驗研究，藥劑選取為乙酸（CH3COOH）和甲醇（CH3OH），以相同COD當量進行碳源投加，并與葡萄糖作為投加碳源時的情況作對比。經過一個多月馴化培養后，不同碳源投加后系統總氮脫除效果如圖4所示。啟動期間不同碳源投加后亞硝酸鹽（NO2-N）含量變化如圖5所示。

由圖4可以看出，經過7天時間，原本已適應葡萄糖作為碳源的反硝化菌逐漸適應乙酸；10天后，反硝化菌開始適應甲醇；啟動15天后，投加乙酸組的處理效果略優于投加葡萄糖組；投加甲醇組雖然適應較慢，但穩定后總氮脫除效果最佳。由圖5可以看出，乙酸及甲醇作為碳源投入后，在啟動期間，均有一段時期的亞硝酸鹽積累過程，隨著馴化完成，亞硝酸鹽逐漸消失，葛世建等人在活性污泥系統中也得到了類似的結論［8］。

圖4 不同碳源投加后系統總氮脫除效果

圖5 啟動期間不同碳源投加后亞硝酸鹽含量變化

由于本裝置為后置反硝化，進一步比較不同碳源投入后系統處理出水及反沖洗情況。反硝化過程中不同碳源消耗比例及反洗情況如表2所示。

表2 反硝化過程中不同碳源消耗比例及反洗情況

由表2可以看出，葡萄糖作為反硝化碳源，藥劑消耗量大，出水濁度高，系統反洗周期最短，同時反洗水量大；乙酸和甲醇作為碳源，總氮脫除效率高，出水濁度較低，反洗水量小，但乙酸投入后會引起pH降低，見圖6。

圖6 乙酸投入后系統進出水pH變化

綜上可以得出，乙酸和甲醇作為反硝化系統碳源的脫總氮效果優于葡萄糖，但乙酸和甲醇均屬易揮發危險化學品，對運行管理的要求較高。

4 實踐效果

通過對不同碳源的特點進行對比，在實現提高系統總氮處理能力及穩定性的同時，考慮經濟性及操作安全性，最終決定采取混合投加的方式。由于甲醇具有毒性，且極易揮發，選擇較為安全的乙酸+葡萄糖混合投加的方式，并以乙酸為主，葡萄糖為輔。根據來水水質情況，考慮反硝化過程適宜pH為6.5～7.5，采取乙酸與葡萄糖的COD當量比值約為3：1的方式進行投加實踐，控制出水pH使其不低于6.8，記錄一段時間的處理效果如圖7所示。

由圖7可以看出，系統投入混合碳源后，pH值降低幅度較小，不影響生化系統處理效果及出水水質，系統最終出水總氮穩定且≤15 mg/L，同時出水COD并未增加，達到了預期處理目標，相對于單一葡萄糖碳源，系統反洗周期延長，操作壓力得到緩解。

圖7 混合碳源（乙酸+葡萄糖）投加后出水COD、總氮和pH變化

5 結論

（1）在工業廢水處理系統中，以葡萄糖作為反硝化濾池的單一碳源時，總氮脫除效率低，同時系統反洗頻繁，操作壓力大，處理效果不穩定。

（2）以乙酸、甲醇代替葡萄糖作為反硝化碳源是可行的。更換碳源后，反硝化反應重新啟動時間短，投入乙酸、甲醇后，系統分別經過7天和10天后開始發揮反硝化作用；啟動穩定后，在投加相同COD當量藥劑的前提下，乙酸組對總氮的處理效果略優于葡萄糖組，甲醇組投入后雖然啟動時間較長，但運行穩定后處理效果最優。

（3）不同碳源進行反硝化反應后出水濁度的對比：葡萄糖組＞乙酸組＞甲醇組；反洗周期以葡萄糖組最短，乙酸組居中，甲醇組最長。

（4）根據不同碳源的特性，綜合考慮技術經濟性及操作安全性，可以選擇混合碳源投加的方式。采取乙酸+葡萄糖的混合投加方式后，與以葡萄糖為單一碳源相比，系統總氮處理效果得到了優化，系統最終出水的處理效果改善，同時操作壓力變小。