強化A/O工藝在合成氨工業(yè)廢水處理中的應用

胡秀玲 ，張榮欣 ，董海龍 ，李澤兵

(1.河南省化工研究所有限責任公司，河南鄭州 450052;2.中平能化集團飛行化工有限公司，河南平頂山 467001;3.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124)

我國合成氨工業(yè)高氨氮廢水排放量大、污染嚴重，為了滿足更加嚴格的《合成氨工業(yè)水污染物排放標準》的要求，需探索一種新型的合成氨工業(yè)廢水處理技術(shù)，實現(xiàn)有機物和氮的經(jīng)濟、高效去除。

缺氧/好氧(A/O)工藝被廣泛應用于合成氨工業(yè)廢水生物處理中［1－3］，強化 A/O工藝是在 A/O工藝好氧反應池內(nèi)投加懸浮載體，懸浮載體表面附著生長生物膜。由于生物膜系統(tǒng)營造出局部的高污泥量、長污泥齡和豐富的生物相等特征，有利于硝化菌的生長繁殖和保護，可顯著提高脫氮生物處理系統(tǒng)的處理能力。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

中試試驗裝置由A/O池和沉淀池兩部分組成，均采用內(nèi)襯防腐的鋼結(jié)構(gòu)材料。A/O池尺寸為:L×B ×H=2.4 m ×1.2 m ×1.4 m，有效容積 3 600 L，并均分為12格室，第1～3格室為缺氧格室(A1，A2，A3)，第4～9格室為好氧格室(O1，O2…O9)。缺氧格室安裝電動攪拌器，轉(zhuǎn)速均為60 r/min，好氧格室采用微孔式膜片曝氣盤進行曝氣，試驗進水，硝化液回流及二沉池污泥回流均采用蠕動泵精確控制。

二沉池有效容積為2 000 L，采用中心管進水、三角堰周邊出水方式。A/O中試裝置如圖1所示。

圖1 A/O中試裝置流程示意圖

1.2 試驗水質(zhì)及分析方法

試驗用水取自河南某合成氨企業(yè)污水處理廠調(diào)節(jié)池，其水質(zhì)如表1所示。

表1 水質(zhì)特性

1.3 A/O中試系統(tǒng)運行參數(shù)

A/O中試系統(tǒng)從2010年9月開始運行，經(jīng)歷了初期短程硝化反硝化的馴化及穩(wěn)定運行(60 d)、后期在好氧池投加載體掛膜及穩(wěn)定運行(90 d)。系統(tǒng)運行參數(shù)如表2所示。

表2 A/O系統(tǒng)運行參數(shù)

1.4 接種污泥

試驗用污泥取自某合成氨企業(yè)污水處理廠剩余污泥儲存池，A/O系統(tǒng)的前4階段均未排泥，從階段Ⅴ開始排泥，SRT控制為30 d，MLSS控制濃度為3 500～4 500 mg/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 強化A/O的啟動及穩(wěn)定運行

啟動初期，A/O系統(tǒng)通過逐步縮短水力停留時間(HRT)，獲得了較好的脫氮效果。之后投加載體，掛膜完成后，如表3所示，強化A/O工藝處理能力得到顯著提升。同時，處理系統(tǒng)獲得了超過95%以上的COD去除率，接近100%的去除率，超過80%的TN去除率，能夠滿足國家和地方關(guān)于合成氨企業(yè)排放標準的要求。

表3 強化工藝對處理效果的提升

2.2 載體掛膜特性分析

填料經(jīng)過45 d掛膜完成，載體表面附著大量生物膜(如圖2所示)。生物膜是在載體固—液界面上生長的微生物聚合體，通過胞外聚合物和一些絲狀菌由離散細菌之間相互黏附和離散細菌與固相載體之間相互黏附所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)［5］。由于反應器內(nèi)水力剪切及載體碰撞摩擦等因素的共同作用，載體表面的生物膜會不斷脫落更新，生物膜實際上是處于一個生長和脫落的動態(tài)平衡中［6］。

圖2 掛膜前后的載體

生物膜系統(tǒng)中，生物膜和液相之間存在基質(zhì)通量，由于生物膜內(nèi)活性細菌對基質(zhì)的降解利用，生物膜將形成濃度梯度，濃度梯度的大小取決于液相中的基質(zhì)濃度和生物膜內(nèi)活性菌體降解基質(zhì)的能力。基質(zhì)通量的大小依據(jù)Fick第一定律描述［7］，取決于基質(zhì)的濃度梯度以及生物膜的厚度和可穿透性。懸浮載體表面形成的生物薄膜，減少了生物膜的厚度，有利于液相主體中基質(zhì)的進入和氧的透過，提高了基質(zhì)通量，改善了生物膜內(nèi)的基質(zhì)傳遞困難和供氧不足，甚至使氧氣和基質(zhì)擴散到整個生物膜內(nèi)，對膜內(nèi)活性細菌的生化反應起到了很好的促進作用。

載體投入廊道式曝氣池后，為避免載體隨水流運動到曝氣末端，中試裝置通過均勻設置隔網(wǎng)將曝氣池分為9個格室。30%載體填充率條件下，載體掛膜完成后各曝氣格室DO濃度與MLSS增量如表1所示，MLSS平均增量為809.3 mg/L。

表4 中試裝置沿程DO變化及MLSS增量 mg/L

在生物薄膜脫落更新的過程中，基質(zhì)通量的大小決定了生物膜內(nèi)活性菌體的分布狀況以及生物膜的厚度。硝化過程的基質(zhì)主要是氧和氨，從研究結(jié)果可以看出，懸浮載體掛膜量與液相主體的氧濃度具有很好的相關(guān)性，隨著氧濃度升高載體掛膜量升高，而與氨濃度的相關(guān)性較差。中試裝置DO濃度與MLSS增量的相關(guān)性如圖3所示，相關(guān)系數(shù)R2=0.915 1。

圖3 DO濃度和載體掛膜量的相關(guān)性

2.3 強化A/O工藝抗沖擊負荷的能力

本階段實驗研究了堿度和水力沖擊負荷對載體強化A/O工藝的響應特征，為工藝在工業(yè)實踐中更好的適應環(huán)境變化提供參考。沖擊負荷條件下的響應特征，是指在施加沖擊負荷時(0～2 d)和在此后的一段時間內(nèi)的出水水質(zhì)變化情況。衡量這種變化的指標為某一時刻的出水氨氮值(Se)偏離正常條件(穩(wěn)態(tài)條件)下出水氨氮平均值(Ss)的比值(Se－Ss)/Ss。求出所有時刻的比值，可以得到?jīng)_擊負荷條件下的響應特征曲線。強化A/O工藝正常條件下出水氨氮 Ss值為 0.8 mg/L［8］。

2.3.1 堿度沖擊

堿度作為硝化過程非常重要的條件，其對pH值和溶解性CO2濃度均有重要影響，因此，課題組考察了堿度沖擊對A/O工藝處理效果的影響。通常，原水堿度為600～800 mg/L(以 CaCO3計，下同)，試驗于圖2所示的第三天和第四天內(nèi)額外連續(xù)投加堿，4 d后停止。

不同堿度條件下出水氨氮的響應特征曲線如圖4所示，堿度為1 000 mg/L時，響應曲線峰值最低，A/O工藝的出水氨氮受到的影響較小;1200和1 500 mg/L時，出水氨氮濃度略有上升，在堿度恢復到正常水平后，2 d后出水氨氮就恢復到正常水平;當進水堿度增加到2 000 mg/L時，響應特征曲線峰值最高，出水氨氮濃度迅速上升，高堿度運行的第二天，出水氨氮已經(jīng)不滿足排放標準＜15 mg/L的要求，在堿度恢復到正常水平后，A/O工藝出水氨氮逐漸下降，5 d后恢復到正常水平。因此，在企業(yè)實際運行中，發(fā)現(xiàn)原水堿度上升后，應對高堿度原因進行排查，原水堿度需控制在＜1 500 mg/L范圍內(nèi)，當原水堿度＞2 000 mg/L，應進行稀釋處理。

2.3.2 水力負荷沖擊

圖4 堿度沖擊時出水氨氮響應特征曲線

強化A/O工藝的HRT通?？刂茷?0 h，試驗于圖5所示的第三天和第四天內(nèi)縮短HRT，以考察水力負荷對工藝處理效果的影響。從圖5可以看出，HRT為18 h的沖擊下，特征曲線的峰值不明顯，出水氨氮濃度升高較小，沖擊結(jié)束后迅速恢復到正常水平;HRT為16 h時，特征曲線峰值明顯，沖擊的第二天出水氨氮接近排放標準15 mg/L的極限點;HRT 14 h和12 h對強化A/O工藝的沖擊非常明顯，HRT為12 h時峰值最高，出水氨氮分別接近30和50 mg/L。各水力負荷沖擊結(jié)束后，強化A/O工藝分別在1、3、4、5 d后恢復到正常水平。

圖5 水力負荷沖擊時出水氨氮響應特征曲線

3 結(jié)論

強化A/O工藝處理系統(tǒng)載體掛膜成熟后，處理能力顯著提升。同時，處理系統(tǒng)獲得了超過95%以上的COD去除率，接近100%，超過80%的TN去除率，能夠滿足國家關(guān)于合成氨企業(yè)排放標準的要求。懸浮載體掛膜量與液相主體的氧濃度具有很好的相關(guān)性，隨著氧濃度升高載體掛膜量升高，而與氨濃度的相關(guān)性較差。在低DO、高FA和適宜HRT三種因素協(xié)同調(diào)控下，A/O工藝獲得了穩(wěn)定的短程硝化反硝化，積累率超過80%。在堿度和HRT沖擊下，處理系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的緩沖能力和恢復能力。

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