廢水強(qiáng)化脫除總氮技術(shù)研究

楊冶

（鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山114021）

生化法是一種比較經(jīng)濟(jì)的廢水脫除總氮方法，但傳統(tǒng)反硝化脫除總氮去除率低，運(yùn)行成本高，難以符合新的標(biāo)準(zhǔn)要求。很多行業(yè)廢水，如鋼鐵綜合廢水、市政未經(jīng)過(guò)深度處理的廢水，B/C均小于0.2，可生化降解性差，由于出水標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)總氮（TN）指標(biāo)有嚴(yán)格要求（TN≤15 mg/L），若來(lái)水總氮超標(biāo)，則需通過(guò)反硝化脫除總氮，但來(lái)水中BOD偏低，則需補(bǔ)充BOD以滿足除氮要求。為了有效去除氮氧化物，降低運(yùn)行成本，鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了大量試驗(yàn)，對(duì)降低反硝化溶解氧、反硝化反洗余氣加速排放方法和裝置進(jìn)行了科研攻關(guān)，研制開發(fā)了一種無(wú)硝化液回流、溶解氧含量低、總氮去除效率高的工藝方法。

1 廢水脫除總氮工藝

1.1 工藝介紹

由于有些污水中有毒有害成分高，對(duì)反硝化菌的毒害很大，而傳統(tǒng)的缺氧-好氧（A-O）工藝適用于污染物含量不太高的污水，因此，在A-O生物脫氮工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)缺氧-好氧工藝組合作出了調(diào)整，采用沒(méi)有硝化液回流的后置反硝化工藝，即好氧-缺氧（O-A）工藝。O-A工藝把硝化好氧反應(yīng)放在第一段，降解水中的有毒有害物質(zhì)并將氨氮完全硝化；把反硝化缺氧反應(yīng)放在后一段，投加碳源提供電子供體，使硝酸根還原成氮?dú)鈴乃幸绯?，從而達(dá)到去除水中總氮的目的。

此工藝組合的最大特點(diǎn)是總氮去除效率高，雖然來(lái)水中BOD極低，基本無(wú)可利用碳源，需要投加甲醇、乙酸或葡萄糖等作為碳源，但省去了硝化液回流造成的損失，整體上仍降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。

1.2 實(shí)施效果

采用O-A工藝脫除廢水中的總氮，經(jīng)過(guò)3年多的運(yùn)行調(diào)試后，得到脫除總氮的實(shí)際效果如圖1所示。由圖1可以看出，來(lái)水總氮含量為（30±5）mg/L，反硝化去除總氮能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，總氮去除值為（12±3）mg/L。

圖1 O-A工藝脫除廢水中總氮的實(shí)際效果Fig.1 Actual Effect of Removing Total Titrogen from Wastewater by O-A Process

2 強(qiáng)化脫除總氮技術(shù)研發(fā)

2.1 惰性氣體吹脫反硝化工藝段廢水溶解氧技術(shù)

由于O-A工藝硝化好氧工藝段（即曝氣生物濾池）采用曝氣提高溶解氧，后置的反硝化缺氧工藝段（即缺氧反硝化生物濾池）進(jìn)水溶解氧濃度會(huì)達(dá)到7～9 mg/L，向其中投入碳源后，大部分碳源會(huì)先和溶解氧反應(yīng)，造成碳源浪費(fèi)（約50%），影響反硝化效果，且易造成反硝化生物濾池堵塞，導(dǎo)致整個(gè)生物濾池系統(tǒng)難以連續(xù)運(yùn)行。為了提高整個(gè)生物濾池系統(tǒng)的反硝化效果，研究了消除后置的反硝化缺氧工藝段進(jìn)水中高濃度溶解氧的方法。

2.1.1 工藝選擇及原理

加熱、投入除氧藥劑、通入惰性氣體等方法均可降低水中溶解氧，根據(jù)操作難易程度及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，選擇采用通入氮?dú)鈿馓岱椒ń档退腥芙庋?。此方法的原理為亨利定律，即采用一種氣體介質(zhì)破壞兩相平衡而建立新的氣液平衡狀態(tài)，使溶液中的某一組分由于分壓降低而解析出來(lái)，以達(dá)到分離物質(zhì)的目的。試驗(yàn)中，通過(guò)在后置的反硝化缺氧工藝段通入惰性氣體氮?dú)猓档退醒醴謮?，使水中溶解氧析出變成氣態(tài)氧，從而使溶解氧含量降低。由于氮?dú)獠豢赡苓_(dá)到100%純度，且與水也不可能完全充分接觸，通入氮?dú)夂笏腥詴?huì)存在部分溶解氧。

2.1.2 可行性研究

對(duì)硝化好氧生物濾池的出水進(jìn)行充氮?dú)庠囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 硝化好氧生物濾池出水充氮?dú)庠囼?yàn)結(jié)果Table 1 Experimental Results of Nitrogen Filling in Effluent Water from Nitrification Aerobic Biofilter

由表1可以看出，硝化好氧生物濾池原水出水的溶解氧濃度為8.2 mg/L；通入氮?dú)夂?，水中溶解氧濃度快速降低；通入氮?dú)?0 min后，水中溶解氧濃度降低至痕量。可見，通入氮?dú)饨档退腥芙庋醯姆椒尚小?/p>

2.1.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

將氮?dú)獯得摲聪趸に嚩螐U水溶解氧技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中，對(duì)通入氮?dú)鈿馓岷蟮娜芙庋鹾涂偟笜?biāo)變化情況進(jìn)行研究。

（1）溶解氧變化情況

現(xiàn)場(chǎng)自制不同濾料層取樣器，向反硝化濾池中通入氮?dú)猓?0 min后記錄反硝化濾池濾料層沿程溶解氧變化情況，通氮?dú)馇昂蠓聪趸癁V池濾料層沿程溶解氧分布情況如表2所示。由表2可以看出，通入氮?dú)夂笏腥芙庋鯘舛认陆捣浅Ｃ黠@；吹脫10 min后，整個(gè)濾料層在距離底部1 200 mm高度已形成溶解氧小于1.0 mg/L的缺氧環(huán)境，滿足反硝化需要廢水中溶解氧濃度小于1.0 mg/L的環(huán)境要求，在1 200 mm濾料層上方可實(shí)現(xiàn)完全反硝化；吹脫停留時(shí)間越長(zhǎng)，溶解氧降低越多。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮廢水在進(jìn)入濾料層之前的吹脫停留時(shí)間，使其不少于10 min，以便能將溶解氧徹底去除。同時(shí)，由于廢水連續(xù)運(yùn)行，氮?dú)庑桦S著廢水的不斷進(jìn)入而連續(xù)進(jìn)行吹脫。

表2 通氮?dú)馇昂蠓聪趸癁V池濾料層沿程溶解氧分布情況Table 2 Distributions of Dissolved Oxygen along Filter Layers of Denitrification Filter Tank before and after Nitrogen Introduction

（2）總氮指標(biāo)變化情況

通入氮?dú)夂筮M(jìn)出水總氮濃度變化情況如圖2所示。由圖2可以看出，系統(tǒng)通入氮?dú)夂?，總氮去除均值為?7±3）mg/L，在原有基礎(chǔ)上多去除總氮5 mg/L。由于通入氮?dú)鈱?duì)反硝化起曝氣作用，反硝化濾池堵塞板結(jié)情況得到緩解，反硝化濾池氣水聯(lián)合反洗時(shí)間由原來(lái)的每隔1天反洗一次，延長(zhǎng)為1個(gè)月反洗一次，系統(tǒng)由不連續(xù)生產(chǎn)變?yōu)檫B續(xù)生產(chǎn)，有效防止了強(qiáng)烈反洗對(duì)濾板造成的破壞。

圖2 通入氮?dú)夂筮M(jìn)出水總氮濃度變化情況Fig.2 Changes of Total Nitrogen Concentration in Effluent after Nitrogen

2.1.4 惰性氣體吹脫反硝化工藝段廢水溶解氧技術(shù)的特點(diǎn)

（1）通入氮?dú)夂罂墒箯U水快速形成缺氧環(huán)境，滿足反硝化需要廢水中溶解氧濃度小于1mg/L的環(huán)境要求；

（2）反硝化菌在有碳源條件下反應(yīng)活躍，可在原有基礎(chǔ)上多去除總氮5 mg/L；

（3）雖然增加了氮?dú)馐褂昧浚珳p少了反洗電費(fèi)消耗和碳源使用量，總體運(yùn)行費(fèi)用未增加。

2.2 反硝化生物濾池反洗余氣加速排放技術(shù)

反硝化反應(yīng)也稱脫氮反應(yīng)，是反硝化細(xì)菌在缺氧條件下還原硝酸鹽，釋放出分子態(tài)氮（N2）或一氧化二氮（N2O）的過(guò)程。在反硝化生物濾池的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，溶解氧值偏高會(huì)加劇活性污泥的內(nèi)源呼吸，造成活性污泥的大量消耗，對(duì)反硝化反應(yīng)不利。此外，還會(huì)導(dǎo)致反硝化反應(yīng)過(guò)程能耗的增大，降低設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

反硝化生物濾池需在一定的使用周期內(nèi)進(jìn)行反沖洗，包括氣洗、氣水洗、水洗三個(gè)過(guò)程。反硝化生物濾池完成反沖洗后，濾板下方進(jìn)水室會(huì)積存一定厚度的空氣層，只能通過(guò)濾頭進(jìn)入濾料中慢慢排放，會(huì)造成反硝化生物濾池中溶解氧不能快速降低，影響反硝化反應(yīng)的效果。因此，需要研究一種能夠在反洗后快速排出反洗過(guò)程中剩余空氣的技術(shù)，使反硝化生物濾池在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)反硝化功能，從而提高反硝化反應(yīng)效率。

2.2.1 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

為了實(shí)現(xiàn)反硝化生物濾池反洗余氣的加速排放，研制了反硝化生物濾池反洗余氣加速排放裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 反硝化生物濾池反洗余氣加速排放裝置Fig.3 Accelerated Discharge Device for Backwashing Residual Gas in Denitrification Biological Filter Tank

該裝置的工作原理為：反硝化生物濾池自下向上依次為進(jìn)水室、濾料層和清水層，濾板設(shè)于進(jìn)水室與濾料層之間；土建施工時(shí)，在靠近池壁一側(cè)的濾板內(nèi)豎直埋設(shè)排氣管，排氣管的底部穿過(guò)濾板后伸入濾板下方進(jìn)水室用于收集反洗后的余氣，排氣管的頂部向上延伸至清水層上方；排氣管與濾板安裝處設(shè)防水翼環(huán)，防水翼環(huán)與排氣管焊接后埋設(shè)在濾板中；排水管頂部設(shè)自動(dòng)排氣閥，自動(dòng)排氣閥與反硝化生物濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)連接；反硝化生物濾池反洗過(guò)程為氣洗、氣水洗、水洗，反洗后濾板下方進(jìn)水室頂部積存有空氣形成空氣層；自動(dòng)排氣閥處于常閉狀態(tài)，當(dāng)反洗結(jié)束后通過(guò)反硝化生物濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)控制自動(dòng)排氣閥開啟，排氣管將空氣層內(nèi)的空氣收集后通過(guò)自動(dòng)排氣閥直接排至大氣中，避免這部分空氣通過(guò)濾頭和濾料層緩慢釋放對(duì)反硝化反應(yīng)的不利影響；濾板下方的空氣排凈后，關(guān)閉自動(dòng)排氣閥。

2.2.2 反硝化生物濾池反洗余氣加速排放技術(shù)的特點(diǎn)

（1）與現(xiàn)有反硝化生物濾池反洗后依靠濾頭將系統(tǒng)中空氣緩慢排出相比，此技術(shù)能快速將濾板下方積存的空氣排出，使反硝化生物濾池溶解氧快速降低，系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

（2）裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施方便，投資少，自動(dòng)化程度高。

3 實(shí)施效果

采用O-A工藝和惰性氣體吹脫反硝化工藝段廢水溶解氧、反硝化生物濾池反洗余氣加速排放兩項(xiàng)強(qiáng)化技術(shù)后，進(jìn)出水總氮指標(biāo)如圖4所示。

圖4 進(jìn)出水總氮指標(biāo)Fig.4 Total Nitrogen Indexes for Coming Water and Discharging Water

可以看出，總氮能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。同時(shí)，由于廢水強(qiáng)化脫除總氮技術(shù)在反硝化缺氧反應(yīng)中通過(guò)投加碳源脫除總氮，檢測(cè)進(jìn)出水COD指標(biāo)見圖5，可以看出，沒(méi)有出現(xiàn)出水COD偏高現(xiàn)象，投加的碳源都被消耗掉了。

圖5 進(jìn)出水COD指標(biāo)Fig.5 COD Indexes for Coming Water and Discharging Water

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用傳統(tǒng)O-A工藝與強(qiáng)化脫除總氮技術(shù)處理廢水的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比情況見表3。由表3看出，新增反硝化生物濾池反洗余氣加速排放裝置費(fèi)用極少，土建施工費(fèi)用大幅減少；同時(shí)，不考慮土建和裝置費(fèi)用，以處理1 000 t/h廢水計(jì)算，可節(jié)約費(fèi)用130元/h，系統(tǒng)運(yùn)行成本顯著降低。

表3 采用傳統(tǒng)A-O工藝與強(qiáng)化脫除總氮技術(shù)處理廢水的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比Table 3 Comparison of Economic Benefits by Traditional A-O Process and Intensive Denitrogenation Technology for Total Nitrogen in Wastewater

5 結(jié)論

（1）采用O-A（好氧-缺氧）工藝，總氮去除效率高，來(lái)水總氮為（30±5）mg/L，總氮去除值為（12±3）mg/L；應(yīng)用惰性氣體吹脫反硝化工藝段廢水溶解氧技術(shù)，可使廢水快速形成缺氧環(huán)境，避免了碳源的浪費(fèi)，且總氮去除值提高至（17±3）mg/L；應(yīng)用反硝化生物濾池反洗余氣加速排放技術(shù)，能快速將濾板下方積存的空氣排出，使反硝化生物濾池溶解氧快速降低，系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

（2）應(yīng)用強(qiáng)化脫除總氮技術(shù)處理廢水，新增反硝化生物濾池反洗余氣加速排放裝置需費(fèi)用2萬(wàn)元，但節(jié)約了回流造成的水池容積增加土建施工費(fèi)用200萬(wàn)元；同時(shí)，不考慮土建和裝置費(fèi)用，以處理1 000 t/h廢水計(jì)算，可節(jié)約費(fèi)用130元/h，系統(tǒng)運(yùn)行成本顯著降低。

（3）采用O-A（好氧-缺氧）工藝與惰性氣體吹脫反硝化工藝段廢水溶解氧技術(shù)、反硝化生物濾池反洗余氣加速排放技術(shù)相結(jié)合的方式處理廢水，廢水中總氮去除效果明顯，處理后的水可達(dá)到新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的外排要求，適用范圍廣、投資運(yùn)行成本低、處理效果好、環(huán)保作用大，具有推廣和應(yīng)用價(jià)值。