呂冰倩，陳方鑫，張 勛，張 青，董獻(xiàn)彬，張 強(qiáng)

(1.安徽環(huán)境科技集團(tuán)股份公司，安徽 合肥 230000；2.北京淶澈科技發(fā)展有限公司，北京 100089)

1 引言

農(nóng)業(yè)中氮肥、磷肥的過(guò)度使用以及生活污水和工業(yè)廢水的排放導(dǎo)致大量的氮、磷進(jìn)入水體環(huán)境，目前城市污水廠二級(jí)出水中仍含有較高含量的氮和磷，直接補(bǔ)充河道、湖泊和景觀等水體時(shí)，存在水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)的深度處理工藝混凝沉淀過(guò)濾可以有效消除磷超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，但去除TN的能力極其有限[1]。生物反硝化技術(shù)因其高效和低成本等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于深度脫氮，其按照電子供體的類(lèi)型可分為異養(yǎng)型反硝化和自養(yǎng)型反硝化。反硝化濾池是一種新型高負(fù)荷淹沒(méi)式反應(yīng)器，它兼有活性污泥法和生物膜法兩者的優(yōu)點(diǎn)，如濾池中微生物濃度高、有機(jī)物負(fù)荷及水力負(fù)荷高、水力停留時(shí)間短、占地面積小、總氮去除效能高[2]。本研究以安徽省滁州市南譙區(qū)污水廠二級(jí)出水為處理目標(biāo)，分析了新型自養(yǎng)-異養(yǎng)協(xié)同反硝化濾池的運(yùn)行方式及對(duì)總氮的去除效能，為實(shí)際工程應(yīng)用中反硝化濾池工藝效能的提升及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

2 反應(yīng)設(shè)備及中試方案

2.1 自養(yǎng)-異養(yǎng)反硝化濾池設(shè)備

該新型自養(yǎng)-異養(yǎng)反硝化濾池采用圓形罐體結(jié)構(gòu)，尺寸高1.2 m，直徑3.5 m，有效體積為3.4 m3。該濾池裝有進(jìn)水泵、反洗水泵、反洗風(fēng)機(jī)、振動(dòng)器、硫自養(yǎng)填料、承托層卵石。設(shè)備如圖1所示。

該反硝化濾池為保證自養(yǎng)與異養(yǎng)反硝化的穩(wěn)定反應(yīng)，解決反應(yīng)器內(nèi)部溶解氧的控制難題，對(duì)協(xié)同反硝化濾池的反沖洗系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。本濾池取消現(xiàn)有技術(shù)中的氣洗步驟，采用制造負(fù)壓、射流反沖洗和水洗步驟，在濾池本體頂部設(shè)置真空泵，采用管道相連通，利用真空泵形成的負(fù)壓環(huán)境，使水流自下而上流經(jīng)填料層，沖刷填料層，相對(duì)傳統(tǒng)氣洗方式不會(huì)破壞反應(yīng)器中的溶解氧條件，使得反應(yīng)器的生物降解更加高效穩(wěn)定。同時(shí)創(chuàng)新性地使用振動(dòng)驅(qū)氮方式，減少濾料中的氮?dú)夥e壓，提高效率，減少反沖洗頻率。

圖1 中試設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)照片

其次，濾池結(jié)合了新型的脫氮填料，填料是一種基于無(wú)機(jī)礦物材料的自養(yǎng)-異養(yǎng)協(xié)同反硝化脫氮載體，具備以下優(yōu)點(diǎn)：生物膜附著容易、表面粗糙多孔，具有較大的比表面積；密度適中，既能夠使得反沖洗過(guò)程容易，又不至于跑料；形狀規(guī)則，尺寸均一為球形，使之可以在濾料間形成均一的流速；化學(xué)和生物穩(wěn)定性好，對(duì)微生物無(wú)毒害和抑制作用；濾料表面電性以帶正電和親水性為好；水流流態(tài)良好，有利于發(fā)揮傳質(zhì)效應(yīng)；空隙率大，阻力小，強(qiáng)度大，經(jīng)久耐用。

2.2 中試方案

2.2.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水量與水質(zhì)

(1)設(shè)計(jì)處理量。本次中試試驗(yàn)最大處理量設(shè)計(jì)為Q=100 m3/d。

(2)設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)。設(shè)計(jì)進(jìn)水TN≤15 mg/L(其中氨氮≤5 mg/L)，出水TN<5 mg/L。

(3)實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)。實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)TN≈10 mg/L，溫度≈24 ℃，DO≈7 mg/L。

2.2.2 中試工藝流程

中試裝置進(jìn)水取自污水廠二沉池出水后中間水池，通過(guò)提升泵進(jìn)入中試裝置，經(jīng)過(guò)該裝置處理后的出水排入水廠后續(xù)處理工藝設(shè)施。運(yùn)行工藝圖如圖2所示。

圖2 自養(yǎng)-異養(yǎng)協(xié)同生物濾池運(yùn)行工藝

本中試裝置設(shè)置反沖洗系統(tǒng)。反沖洗水也取自中間水池。進(jìn)水及反沖洗水管以及進(jìn)氣管裝有流量計(jì)，以便記錄數(shù)據(jù)。

2.2.3 工藝特點(diǎn)

生物濾池設(shè)備結(jié)合的新型脫氮填料工藝具有以下特點(diǎn)：

(1)該填料比表面積大，材料孔隙結(jié)構(gòu)豐富，負(fù)載微生物能力強(qiáng)，易掛膜，保證單位容積濾池中較高的生物量。

(2)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)：對(duì)生活污水水質(zhì)、水量變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性，運(yùn)行穩(wěn)定性好。

(3)反硝化濾池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理：采用負(fù)壓+氣水聯(lián)合反沖洗，可在較低的沖洗強(qiáng)度下，獲得較好的沖洗效果，可使生物濾池長(zhǎng)期保持理想的運(yùn)行效果。

(4)濾池污泥產(chǎn)量少，反沖洗頻率低，中試過(guò)程設(shè)置每15 d進(jìn)行水反沖洗一次，相比傳統(tǒng)反硝化濾池1 d反沖洗一次，在運(yùn)行管理和能耗節(jié)約方面具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

(5)生物膜含水率低，不會(huì)發(fā)生污泥膨脹，運(yùn)行管理較方便。

(6)占地面積小：其池容和占地面積僅為常規(guī)二級(jí)生物處理的1/5左右，不需要二沉池。

(7)脫氮效果：總氮去除率50%～95%，出水可接軌地表水標(biāo)準(zhǔn)。

(8)處理成本低：節(jié)約了高額的碳源投加費(fèi)用及相關(guān)投加設(shè)備費(fèi)用，可以節(jié)約30%～70%運(yùn)行成本。

(9)運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，對(duì)運(yùn)行管理人員要求較低。

3 設(shè)備運(yùn)行

啟動(dòng)階段主要為實(shí)現(xiàn)微生物的馴化培養(yǎng)，具體運(yùn)行操作如下：

(1)設(shè)備安裝完成后加入缺氧池混合液至反沖洗出水口，靜置24 h。

(2)靜置24 h后，打開(kāi)反沖洗排水閥，打開(kāi)進(jìn)水閥(進(jìn)沉淀池出水)，以2.0 m3/h左右流量，沖洗40 min，隨后繼續(xù)靜置24 h，之后再進(jìn)水40 min。

(3)按上述操作循環(huán)，間歇性進(jìn)水約2～3 d，隨后以2.0 m3/h連續(xù)進(jìn)水，之后開(kāi)始以設(shè)計(jì)流量(4.1 m3/h)進(jìn)水，檢測(cè)出水總氮達(dá)標(biāo)后關(guān)閉反沖洗排水閥，打開(kāi)出水閥正常出水。

計(jì)劃啟動(dòng)階段約需要5～7 d左右，實(shí)際從馴化至設(shè)計(jì)流量出水用時(shí)6 d。

4 結(jié)果分析

4.1 化學(xué)需氧量(COD)

圖3為中試運(yùn)行過(guò)程中濾池進(jìn)出水COD的檢測(cè)結(jié)果，由圖3可以看出，在運(yùn)行期內(nèi)設(shè)備進(jìn)水COD維持在10～24 mg//L，平均濃度為17 mg/L，出水COD相對(duì)于進(jìn)水并沒(méi)有明顯變化，這可能是因?yàn)槲鬯?jīng)過(guò)前端A2O的生化段反應(yīng)之后，容易被微生物利用的COD已經(jīng)降解消耗完全，中間水池主要?dú)埩舻氖请y生物降解COD。表明該反硝化濾池對(duì)COD幾乎沒(méi)有消耗，也沒(méi)有增加出水COD濃度，因此可判斷濾池設(shè)備在脫氮過(guò)程沒(méi)有利用有機(jī)碳源，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)碳源條件下對(duì)總氮的極限去除。反硝化濾池設(shè)備實(shí)際停留時(shí)間約25 min，中試實(shí)驗(yàn)中最大運(yùn)行容積負(fù)荷為0.85 kg N/(m3·d)，相比于傳統(tǒng)的碳源，在實(shí)際運(yùn)行中可抗擊更高的總氮負(fù)荷。

圖3 設(shè)備進(jìn)、出水COD變化

4.2 總氮

設(shè)備運(yùn)行期間的總氮變化情況如圖4所示，由于該濾池的進(jìn)水為二沉池的出水，故設(shè)備進(jìn)水總氮平均濃度較低，約為10 mg/L。在反應(yīng)過(guò)程中，最高進(jìn)水總氮濃度為14.74 mg/L，當(dāng)天出水濃度為2.37 mg/L，出水的總氮平均濃度為4 mg/L，最低僅為0.67 mg/L，且每次的出水濃度均低于5 mg/L，濾池設(shè)備對(duì)污水總氮的平均去除率為70.3%，運(yùn)行期間濾池有良好的抗沖擊負(fù)荷能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)總氮的深度處理。

4.3 硝態(tài)氮

如圖5所示為濾池進(jìn)出水硝態(tài)氮的變化情況，進(jìn)水硝態(tài)氮的平均濃度為9 mg/，出水中的硝態(tài)氮平均濃度約為3 mg/L，硝態(tài)氮的去除率為72.6%。因?yàn)樵撔滦头聪趸癁V池協(xié)同了反硝化脫氮技術(shù)(NSAD)利用復(fù)合活性礦物材料激活水中相關(guān)微生物群落，并構(gòu)建自養(yǎng)-異養(yǎng)協(xié)同反硝化體系。自養(yǎng)反硝化過(guò)程利用濾池中的減氮材料為微生物提供電子供體，不再依賴(lài)外部有機(jī)碳源，硝酸鹽作為最終電子受體，將其轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，達(dá)到去除水中氮污染的目的。在NSAD脫氮體系中，低濃度的有機(jī)物還可以通過(guò)有機(jī)碳與無(wú)機(jī)碳之間轉(zhuǎn)化的微循環(huán)，被充分利用。該濾池同時(shí)集成了先進(jìn)的微生物抗逆技術(shù)，有助于微生物菌群始終保持高水平生物活性，從而使得濾池脫氮系統(tǒng)能夠啟動(dòng)迅速、反沖洗后恢復(fù)迅速，始終保持高效脫氮性能。

圖4 設(shè)備進(jìn)、出水總氮變化

圖5 設(shè)備進(jìn)、出水硝態(tài)氮變化

4.4 氨氮

中試運(yùn)行過(guò)程中對(duì)氨氮進(jìn)行檢測(cè)，由圖6可以看出，進(jìn)水中的氨氮平均濃度約為0.5 mg/L，含量較低，這是因?yàn)闉V池設(shè)備為二沉池出水，污水經(jīng)過(guò)前端好氧池曝氣之后，氨氮充分轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，所以濃度較低，同時(shí)濾池出水氨氮濃度沒(méi)有明顯變化，平均濃度也約為0.5 mg/L，表明該型濾池對(duì)氨氮影響較小。出水氨氮有時(shí)相較進(jìn)水略有升高，但仍保持在很低水平，這是由于中試設(shè)備接種污泥量過(guò)大所引起的，在其他運(yùn)行項(xiàng)目中未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。

4.5 掃描電鏡分析

圖7是濾料表面電子掃描電鏡圖，結(jié)果表明，反硝化后材料表面有桿棒狀和球狀微生物大量存在，生物膜最厚。從材料表面的殘缺程度和堿度材料晶束結(jié)構(gòu)的不完整性可以看出，其整體和關(guān)鍵成分都得到了較大程度的運(yùn)移和利用。濾料具有負(fù)載微生物能力強(qiáng)，微生物能夠通過(guò)材料表面孔隙進(jìn)入填料內(nèi)部，對(duì)填料進(jìn)行利用材料多孔且具備空隙發(fā)育，比表面積大、能為微生物提供豐富的附著位點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)。

圖6 設(shè)備進(jìn)、出水氨氮變化

圖7 濾料表面電子掃描電鏡圖

5 結(jié)論

本項(xiàng)目中，針對(duì)較高進(jìn)水溶解氧(約7.0 mg/L)和反沖洗后的劇烈環(huán)境變化，濾池的脫氮效果并未受到干擾，始終保持較高的總氮去除效果，硝氮去除率能夠達(dá)到70%以上，出水硝氮濃度可以保持在4 mg/L以下。此外，在本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，由于濾池設(shè)備耦合了新型脫氮填料以及反沖洗方式，噸水脫氮成本降至約為0.12～0.25元/t，相比傳統(tǒng)工藝設(shè)備新型反硝化濾池總運(yùn)行成本降低約46.5%，其中脫氮成本降低38.1%。主要節(jié)省了藥劑投入和相關(guān)加藥設(shè)備運(yùn)行的能耗費(fèi)用以及維護(hù)和管理設(shè)備的人工成本。

(1)該技術(shù)能夠適應(yīng)本項(xiàng)目實(shí)際水質(zhì)，在去除總氮的同時(shí)不會(huì)造成其他二次污染，且在不外加碳源條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)總氮的去除(最低出水0.67 mg/L)。

(2)裝置去除總氮速率快，停留時(shí)間短，工藝占地面積??；其技術(shù)穩(wěn)定性好，微生物活性高，啟動(dòng)馴化時(shí)間短、反沖洗后恢復(fù)迅速，具有抵抗進(jìn)水負(fù)荷變化、溶解氧條件變化的能力。

(3)裝置污泥產(chǎn)量低，反沖洗頻率低，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，很大程度減輕成本和管理壓力。