不同碳源對反硝化生物濾池運(yùn)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(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山114021；2．鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司安全環(huán)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(huán)境污染治理及節(jié)能減排的重視程度的提升，傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)已經(jīng)很難滿足提高后的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)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(diǎn)是集生物氧化和截留懸浮固體于一體［1］，能夠?qū)⒌蜐舛葟U水中的污染物質(zhì)進(jìn)一步有效脫除。20世紀(jì)70年代，我國在城市污水處理系統(tǒng)中引入了生物濾池［2］。在生物濾池運(yùn)行過程中，隨著系統(tǒng)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(tǒng)正常運(yùn)行，需要經(jīng)常進(jìn)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(yīng)用于市政廢水處理中，利用反硝化濾池進(jìn)行工業(yè)廢水脫總氮的工程案例幾乎沒有，僅有的研究多數(shù)仍局限于試驗(yàn)［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(yán)，出水水質(zhì)需達(dá)到《鋼鐵工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13456-2012）中的排放標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過多方比選后，采用了后置反硝化工藝進(jìn)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(shè)計的進(jìn)出水指標(biāo)如表1所示。來自鋼鐵廠的綜合廢水經(jīng)過提升后首先進(jìn)入沉淀池，在混凝劑的作用下，廢水中的膠體和細(xì)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(jìn)入曝氣生物濾池，進(jìn)行碳化及硝化反應(yīng)，在降低廢水化學(xué)需氧量（COD）的同時將氨氮轉(zhuǎn)換為硝酸鹽氮，曝氣生物濾池出水后進(jìn)入反硝化濾池，在反硝化濾池的缺氧環(huán)境中進(jìn)行反硝化反應(yīng)，從而去除水中總氮（TN）。從反硝化濾池出水后，進(jìn)入砂濾池，砂濾池出水進(jìn)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(jī)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(shè)計進(jìn)出水指標(biāo)

2 存在問題

此綜合廢水處理系統(tǒng)中，總氮的有效脫除是系統(tǒng)運(yùn)行的難點(diǎn)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(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。碳源投加過多，可能導(dǎo)致出水COD超標(biāo)；碳源投加量不足，又可能導(dǎo)致出水硝酸鹽濃度過高，出水總氮難以達(dá)到處理要求。系統(tǒng)運(yùn)行初期，主要以葡萄糖（C6H12O6）作為系統(tǒng)外加碳源。以葡萄糖作為單一外加碳源的反硝化濾池運(yùn)行穩(wěn)定后，系統(tǒng)COD和總氮運(yùn)行指標(biāo)如圖2所示，濾池反洗后系統(tǒng)COD和總氮變化趨勢如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)COD和總氮運(yùn)行指標(biāo)

圖3 反洗后系統(tǒng)COD和總氮變化趨勢

由圖2可以看出，裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，系統(tǒng)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(wěn)定，總氮偶爾超標(biāo)，且脫除效率較低。實(shí)踐運(yùn)行過程中，經(jīng)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(tǒng)處理能力短時下降，4 h內(nèi)出水總氮指標(biāo)升高，4 h后反硝化能力逐漸恢復(fù)，至8 h后完全恢復(fù)。實(shí)際運(yùn)行過程中，根據(jù)水頭損失將反洗周期控制為16 h，系統(tǒng)操作壓力較大。

上述結(jié)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(yán)重，反洗周期短，系統(tǒng)操作壓力大，高頻率的反洗不但會造成濾料磨損嚴(yán)重，同時反洗后一定時間內(nèi)還會影響微生物處理效果，系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險較高。

3 改進(jìn)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(yùn)行效果影響的研究試驗(yàn)，比較不同碳源投加后系統(tǒng)運(yùn)行效果的變化。根據(jù)試驗(yàn)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(xiàn)場利用2座反硝化濾池進(jìn)行試驗(yàn)研究，藥劑選取為乙酸（CH3COOH）和甲醇（CH3OH），以相同COD當(dāng)量進(jìn)行碳源投加，并與葡萄糖作為投加碳源時的情況作對比。經(jīng)過一個多月馴化培養(yǎng)后，不同碳源投加后系統(tǒng)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(jīng)過7天時間，原本已適應(yīng)葡萄糖作為碳源的反硝化菌逐漸適應(yīng)乙酸；10天后，反硝化菌開始適應(yīng)甲醇；啟動15天后，投加乙酸組的處理效果略優(yōu)于投加葡萄糖組；投加甲醇組雖然適應(yīng)較慢，但穩(wěn)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(tǒng)中也得到了類似的結(jié)論［8］。

圖4 不同碳源投加后系統(tǒng)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(jìn)一步比較不同碳源投入后系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)進(jìn)出水pH變化

綜上可以得出，乙酸和甲醇作為反硝化系統(tǒng)碳源的脫總氮效果優(yōu)于葡萄糖，但乙酸和甲醇均屬易揮發(fā)危險化學(xué)品，對運(yùn)行管理的要求較高。

4 實(shí)踐效果

通過對不同碳源的特點(diǎn)進(jìn)行對比，在實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)總氮處理能力及穩(wěn)定性的同時，考慮經(jīng)濟(jì)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(fā)，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(jù)來水水質(zhì)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(dāng)量比值約為3：1的方式進(jìn)行投加實(shí)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(tǒng)投入混合碳源后，pH值降低幅度較小，不影響生化系統(tǒng)處理效果及出水水質(zhì)，系統(tǒng)最終出水總氮穩(wěn)定且≤15 mg/L，同時出水COD并未增加，達(dá)到了預(yù)期處理目標(biāo)，相對于單一葡萄糖碳源，系統(tǒng)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(jié)論

（1）在工業(yè)廢水處理系統(tǒng)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(tǒng)反洗頻繁，操作壓力大，處理效果不穩(wěn)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(yīng)重新啟動時間短，投入乙酸、甲醇后，系統(tǒng)分別經(jīng)過7天和10天后開始發(fā)揮反硝化作用；啟動穩(wěn)定后，在投加相同COD當(dāng)量藥劑的前提下，乙酸組對總氮的處理效果略優(yōu)于葡萄糖組，甲醇組投入后雖然啟動時間較長，但運(yùn)行穩(wěn)定后處理效果最優(yōu)。

（3）不同碳源進(jìn)行反硝化反應(yīng)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(jù)不同碳源的特性，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(tǒng)總氮處理效果得到了優(yōu)化，系統(tǒng)最終出水的處理效果改善，同時操作壓力變小。