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        反硝化脫氮過程中外加碳源的選擇與投加

        2022-10-26 01:38:26孫滿
        油氣田地面工程 2022年9期
        關(guān)鍵詞:原水溶解氧處理工藝

        孫滿

        大慶油田設(shè)計院有限公司

        隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,水環(huán)境保護(hù)面臨著巨大壓力。因此,國家在新修訂的排放標(biāo)準(zhǔn)中對某些污染物諸如化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)的排放提出了嚴(yán)格的要求。甚至一些地區(qū)要求市政污水處理廠提標(biāo)到地表水準(zhǔn)四類標(biāo)準(zhǔn),要求處理出水中總氮濃度≤10 mg/L。目前我國城市污水普遍存在反硝化碳源不足的問題,為達(dá)標(biāo)排放必須使用外加碳源。根據(jù)所掌握的數(shù)據(jù)顯示:在前置反硝化處理工藝中,每降低1 mg/L TN 碳源方面的費(fèi)用為0.03~0.05元。因此碳源的選擇與使用對水廠的節(jié)能降耗至關(guān)重要。

        1 碳源的選擇

        我國城市污水普遍存在反硝化碳源不足的問題,已經(jīng)成為制約生物脫氮的重要因素。污水廠在碳源選擇時要遵循以下原則:容易被微生物降解,容易被反硝化菌利用;反應(yīng)速度快,避免增加后續(xù)處理單元的負(fù)擔(dān);反硝化菌適應(yīng)性好;價格便宜;具有較高生物安全性;便于就地采購。

        表1 為部分碳源的主要性質(zhì)[1-3]。值得注意的是,有些物質(zhì)黏性較大且遇冷結(jié)晶、冰凍等特點(diǎn),給儲運(yùn)裝卸帶來非常大的不便,因此北方地區(qū)的污水廠在碳源的選擇過程中一定要注意這一點(diǎn)。此外,復(fù)合碳源的質(zhì)量控制難度較大,在選擇的過程中要注意其所含雜質(zhì)對后續(xù)處理工段以及出水指標(biāo)的影響。

        表1 部分碳源的主要性質(zhì)Tab.1 Main properties of some carbon sources

        2 碳源的投加點(diǎn)

        常見脫氮處理工藝如圖1 和圖2 所示。在前置反硝化脫氮和四段法(Bardenpho)脫氮處理工藝中,碳源的投加點(diǎn)有所不同。

        圖1 前置反硝化處理工藝Tab.1 Pre-denitrification treatment process

        圖2 四段法(Bardenpho)處理工藝Fig.2 Four-stage(Bardenpho)treatment process

        2.1 前置反硝化碳源的投加

        采用前置反硝化的目的是盡量利用原水中的易降解有機(jī)物作為碳源來實現(xiàn)反硝化過程。如果原水中碳氮比較低,則需要投入碳源。但是前置反硝化過程受到流態(tài)的影響,TN 的極限去除效率在70%左右。因此當(dāng)原水TN濃度高于50 mg/L時,碳源的投加就不再是出水TN達(dá)標(biāo)的決定性因素(出水TN濃度≤15 mg/L)[4-5]。

        另外,在前置反硝化段微生物類種群比較復(fù)雜,存在不同種類微生物(聚鱗菌、好氧菌以及兼氧菌)對碳源的競爭,因此碳源的利用率有所降低。此外,一些工程中將碳源投入到兼氧段前的調(diào)節(jié)池中,導(dǎo)致碳源的實際利用率更低。

        2.2 四段法脫氮處理工藝中碳源的投加

        一般而言,在四段法(Bardenpho)脫氮處理工藝中,選擇在后置兼氧段投加碳源。其目的是使原水中的易降解有機(jī)物在前置反硝化段得到充分利用,以節(jié)約碳源用量。Bardenpho工藝的出水TN可以達(dá)到3 mg/L以下。

        3 碳源的投加量

        決定反硝化進(jìn)程的因素有很多,如污泥齡、溶解氧(DO)、水溫、原水的堿度、pH 值、污泥濃度、反應(yīng)器的類型等等。在原水碳氮比較低的情況下,投加碳源是保證出水TN 達(dá)標(biāo)的必要條件之一,但是科學(xué)的運(yùn)行調(diào)控也是決定TN 達(dá)標(biāo)的必要條件之一。

        3.1 碳源投加與溶解氧

        以甲醇為碳源的反硝化過程可用如下公式描述:

        從公式(1)中可以得知:1 gNOx-N 完全反硝化需要消耗2.9 g 甲醇,同時有0.45 g 生物量產(chǎn)生。很多工程技術(shù)人員以上式為依據(jù)來確定反硝化過程的碳源需要量。工程實踐經(jīng)驗表明:這種方法是不恰當(dāng)?shù)摹R蛏鲜龉絻H僅描述的是反硝化生物轉(zhuǎn)化過程而已,其形式所限無法將反硝化細(xì)菌代謝過程的各種影響因素羅列其中。

        意大利研究人員對反硝化過程的研究結(jié)果[6]表明:易降解有機(jī)物污泥負(fù)荷率(F∶M)、溶解氧(DO)、以及降解速率之間有一定的關(guān)系。當(dāng)溶解氧含量增大,有機(jī)物污泥負(fù)荷率相同時,降解速率減低,在溶解氧大于0.5 mg/L時趨勢變緩。

        其中的F∶M 代表的是易降解有機(jī)物(BOD5)負(fù)荷率,即反硝化過程中易降解有機(jī)物與揮發(fā)性懸浮固體的質(zhì)量比。其中的易降解有機(jī)物就是反硝化過程的碳源總量(包括污水中含有的BOD 和外加碳源)。通常反硝化過程控制在兼氧條件下,即DO=0.1~0.3 mg/L,相當(dāng)于氧化還原電位(ORP)在-100~50 mV之間。因此可以看出不同的F∶M情況下反硝化過程比降解速率。在已知原水BOD5值的情況下就可以計算出碳源的投加量。

        此外,在溶解氧濃度過高的情況下(大于0.3 mg/L)碳源的利用效率明顯降低。

        3.2 碳源投加與污泥齡

        有研究表明:在活性污泥中反硝化細(xì)菌占比較低(僅占活性污泥微生物總量的17%左右)[7]。另外,反硝化細(xì)菌的世代周期較長。由此可見,污泥齡(SRT)是反硝化過程關(guān)鍵影響因素之一。SRT、F∶M 以及脫氮速率之間的關(guān)系也決定了碳源投加量。為了提高碳源的利用效率,SRT宜控制在20 d左右,而且F∶M宜控制在0.1~0.4之間。

        4 結(jié)束語

        無論是污水處理廠的設(shè)計還是運(yùn)行,為了使反硝化脫氮過程更加有效的完成,其外加碳源的選擇原則是在滿足處理要求的前提下就地取材,可以大幅度降低運(yùn)行費(fèi)用;同時確定外加碳源投加點(diǎn)分別在前置反硝化過程中和四段脫氮處理工藝中,目的是使原水中的易降解有機(jī)物在前置反硝化段得到充分利用,以節(jié)約碳源用量。此外,以反硝化單元的DO、F∶M、SRT 為依據(jù)來確定碳源的投加量更具有實際意義。

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