NDC脫氮工藝及運(yùn)行效果分析

武珍明 常 明 趙陽(yáng)麗

(博天環(huán)境集團(tuán)股份有限公司，西安 710065)

0 引言

含氨氮廢水傳統(tǒng)的處理方法包括物理法、化學(xué)法、生化處理法［1－2］。隨著環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，單一的物理或化學(xué)方法處理很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，而核心“生化處理”單元的工藝選擇與設(shè)計(jì)對(duì)廢水的最終處理結(jié)果起著決定性作用。

項(xiàng)目組在大量工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)出一項(xiàng)高效脫氮新技術(shù)—NDC脫氮技術(shù)(專利號(hào):ZL201420518219.6)。該NDC反應(yīng)器集稀釋、均質(zhì)、反應(yīng)、沉淀為一體，運(yùn)行模式以周期多段不等時(shí)梯度進(jìn)行，工藝流程短、占地面積小、構(gòu)造簡(jiǎn)單、便于操作與維護(hù)管理，氨氮去除效率高。目前，該技術(shù)在煤化工廢水處理中已經(jīng)得到了推廣應(yīng)用，對(duì)氨氮具有良好的處理效果。

1 NDC脫氮工藝特點(diǎn)

N O－Limited Double Cycle Reactor簡(jiǎn)稱NDC，中文名稱為無(wú)終端雙循環(huán)反應(yīng)器，同時(shí)釋義為Nitrification and Denitrification Cycle。NDC反應(yīng)器充分利用了生物脫氮原理、活性污泥動(dòng)力學(xué)零級(jí)反應(yīng)、一級(jí)反應(yīng)方程、Monod模型、短程硝化/反硝化原理、Barnard理論、以及新的酶催化動(dòng)力學(xué)方程［3－7］，通過(guò)整合一系列工程技術(shù)方法為優(yōu)勢(shì)硝化、反硝化菌群的培養(yǎng)創(chuàng)造條件，從而實(shí)現(xiàn)高效脫氮的目的?；谏鲜隼碚撆c工程實(shí)踐，NDC脫氮工藝具有如下特點(diǎn)。

1.1 獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NDC反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 NDC反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、水力梯度及反硝化優(yōu)勢(shì)菌群反應(yīng)速率特性，NDC反應(yīng)器采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上分為主反應(yīng)區(qū)和強(qiáng)化反硝化區(qū)。強(qiáng)化反硝化區(qū)設(shè)在反應(yīng)器的進(jìn)水端，大小為整個(gè)池體的1/10～1/8，并設(shè)置了特殊水力循環(huán)攪拌系統(tǒng)。強(qiáng)化反硝化區(qū)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，只攪拌不曝氣，使強(qiáng)化反硝化區(qū)始終處于缺氧狀態(tài)，適合反硝化菌的大量繁殖。從主反應(yīng)區(qū)回流到強(qiáng)化反硝化區(qū)的硝酸鹽氮與進(jìn)水有機(jī)物、強(qiáng)化反硝化區(qū)的微生物迅速混合，利用剛進(jìn)入強(qiáng)化反硝化區(qū)的溶解性有機(jī)物作為反硝化碳源，在無(wú)需補(bǔ)充碳源的情況下即可起到徹底反硝化的作用。強(qiáng)化反硝化區(qū)底部設(shè)置了布水孔，可均勻配水至主反應(yīng)區(qū)，主反應(yīng)區(qū)通過(guò)供氧、攪拌同時(shí)運(yùn)行來(lái)提供硝化所需的溶解氧和水力梯度條件，運(yùn)行20 min左右時(shí)停止供氧曝氣，繼續(xù)水力攪拌，使運(yùn)行環(huán)境過(guò)渡到缺氧狀態(tài)，為反硝化菌提供適宜增殖環(huán)境，高速反硝化脫氮15 min后再次開啟曝氣供氧系統(tǒng)，進(jìn)入好氧硝化段，以此重復(fù)交替運(yùn)行，直至達(dá)到設(shè)計(jì)去除效率。

強(qiáng)化反硝化區(qū)的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)如下功能:

(1)在強(qiáng)化反硝化區(qū)，新進(jìn)廢水經(jīng)過(guò)快速混合攪拌反應(yīng)后，有機(jī)負(fù)荷降低，水質(zhì)變得均勻，然后再通過(guò)底部布水孔均勻配水至主反應(yīng)區(qū)，改善了水力條件。

(2)強(qiáng)化反硝化區(qū)相對(duì)獨(dú)立，適合于高效反硝化菌種的投加，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中篩選出的高濃度、高活性優(yōu)勢(shì)菌群，能適應(yīng)進(jìn)水水質(zhì)的變化。廢水進(jìn)入后，通過(guò)稀釋、吸附、快速降解作用，不僅起到有效的水質(zhì)緩沖作用，還提高了有機(jī)物去除效率、增強(qiáng)了反硝化能力，具有很強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力。

(3)強(qiáng)化反硝化區(qū)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程始終處于缺氧狀態(tài)，生物菌群中反硝化菌占優(yōu)勢(shì)，約3/4的運(yùn)行時(shí)間都有硝化液回流至強(qiáng)化反硝化區(qū)，可利用剛進(jìn)入強(qiáng)化反硝化區(qū)的溶解性易降解有機(jī)物，通過(guò)酶反應(yīng)快速將回流的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，有效提高脫氮效率?/p>

1.2 高效反硝化菌種的投加

反硝化作用(Denitrification)是微生物以氮氧化物作為電子受體產(chǎn)生能量的過(guò)程，是涉及多種酶和多種中間產(chǎn)物并伴隨著電子傳遞和能量轉(zhuǎn)化的復(fù)雜生化反應(yīng)。反硝化菌是硝酸鹽呼吸的載體，離開了反硝化菌，硝酸鹽呼吸也將不復(fù)存在［8］。

培養(yǎng)馴化出的反硝化菌種在調(diào)試運(yùn)行初期直接接種至前段強(qiáng)化反硝化區(qū)，強(qiáng)化反硝化區(qū)中微生物種群由于受到接種菌種的影響，增殖很快，鏡檢發(fā)現(xiàn)投加菌種初期微生物種類豐富多樣，主要包括細(xì)菌、絲狀菌、真菌以及少量原生動(dòng)物。運(yùn)行15 d后反硝化效果得到了顯著提高并趨于穩(wěn)定，鏡檢顯示反應(yīng)區(qū)以桿菌、球菌為主，同時(shí)伴隨有少量的螺旋菌。大量?jī)?yōu)勢(shì)菌種的穩(wěn)定增殖為反硝化反應(yīng)的進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

1.3 新型專有曝氣、攪拌設(shè)備

生化法處理的關(guān)鍵就是創(chuàng)造適宜微生物生長(zhǎng)的條件，強(qiáng)化微生物的新陳代謝功能，加快污水中污染底物與微生物的接觸頻率，使反應(yīng)快速、徹底。滿足該條件的設(shè)備需具備兩個(gè)功能，即高效供氧與攪拌混合。NDC反應(yīng)器使用了RJ型蝶式射流曝氣器，曝氣器結(jié)構(gòu)由內(nèi)腔、外腔、雙重噴嘴、進(jìn)液口和進(jìn)氣口等組成。工作時(shí)，液體從內(nèi)噴嘴高速射出，由于射流的紊動(dòng)和能量交換作用，與外腔的氣體形成強(qiáng)烈摻混，瞬間完成氧氣從氣相向液相中的轉(zhuǎn)移，氧利用率高達(dá)20% ～30%;在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)控制循環(huán)水量及空氣量，可分開控制充氧和攪拌過(guò)程。

1.4 合理的運(yùn)行步序

NDC反應(yīng)器集反應(yīng)、沉淀、排水為一體，運(yùn)行模式與SBR相似，分為進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、潷水四個(gè)階段，并以周期循環(huán)方式進(jìn)行，運(yùn)行周期可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，典型的NDC工藝以4 h、6 h、8 h為一個(gè)循環(huán)周期。在反應(yīng)階段，將主反應(yīng)區(qū)的硝化、反硝化過(guò)程分割成4～8段。在硝化段供氧、攪拌同時(shí)運(yùn)行，提供硝化反應(yīng)所需的溶解氧和水力梯度條件，運(yùn)行20～40 min時(shí)停止供氧曝氣，繼續(xù)水力攪拌，使運(yùn)行環(huán)境過(guò)渡到缺氧狀態(tài)，為反硝化菌提供適宜增殖環(huán)境，使主反應(yīng)區(qū)進(jìn)入反硝化階段。高速反硝化脫氮10～30 min后再次開啟供氧系統(tǒng)，進(jìn)入好氧硝化段。每段時(shí)間都不相等且時(shí)長(zhǎng)遞減，在缺氧段溶解氧濃度控制在0.5 mg/L以下，硝化段和反硝化段的時(shí)間，根據(jù)反應(yīng)速率和去除效率計(jì)算確定，使反應(yīng)始終控制在高效段，提高了反應(yīng)效率，縮短了反應(yīng)時(shí)間。

NDC反應(yīng)器的運(yùn)行次序使主反應(yīng)區(qū)在時(shí)間上分隔為多次交替出現(xiàn)的缺氧、好氧轉(zhuǎn)換階段。主反應(yīng)區(qū)內(nèi)多級(jí)好氧、缺氧交替運(yùn)行，硝化時(shí)間短，硝化產(chǎn)物以亞硝態(tài)氮為主，反硝化時(shí)間同樣較短，是典型的短程硝化、反硝化，此過(guò)程減少了亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，然后硝酸鹽再還原成亞硝酸鹽兩個(gè)反應(yīng)的發(fā)生。其硝化速率約為傳統(tǒng)好氧硝化工藝的1.38倍，反硝化速率約為傳統(tǒng)缺氧反硝化工藝的1.25倍。反應(yīng)效率高，縮短了反應(yīng)時(shí)間。在運(yùn)行過(guò)程中，能根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合理調(diào)配投加堿液、磷鹽、甲醇的時(shí)間，而并非在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中全程投加，節(jié)省了加藥量，降低了運(yùn)行成本。

2 NDC技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

將NDC脫氮技術(shù)應(yīng)用于陜煤集團(tuán)的某煤制烯烴項(xiàng)目，該煤制烯烴項(xiàng)目污水處理裝置接納的污水主要包括:煤氣化段產(chǎn)生的廢水、甲醇制烯烴段產(chǎn)生的廢水、回用水裝置的排水及廠區(qū)生活污水和初期污染雨水等。

2.1 進(jìn)水水量水質(zhì)參數(shù)

污水處理站設(shè)計(jì)規(guī)模為:600 m3/h。進(jìn)水水質(zhì)及設(shè)計(jì)出水指標(biāo)如表1所示。

表1 污水處理站進(jìn)水水質(zhì)及設(shè)計(jì)出水指標(biāo)

2.2 工藝流程

從進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)來(lái)看，進(jìn)水C O D和氨氮的濃度較高;排水對(duì)C O D和氨氮的去除效率要求均達(dá)到95%以上，在多種方案比較基礎(chǔ)之上，選擇NDC反應(yīng)器作為污水處理站的處理工藝，工藝流程如圖2所示。

圖2 污水站處理工藝流程

廠內(nèi)生活污水和初期雨水經(jīng)過(guò)機(jī)械格柵截留較大粒徑的懸浮物、漂浮物后流至廢水調(diào)節(jié)池，氣化段和甲醇制烯烴段的生產(chǎn)廢水直接排入廢水調(diào)節(jié)池內(nèi)。這些廠區(qū)內(nèi)的生活、生產(chǎn)廢水在調(diào)節(jié)池內(nèi)充分混合后經(jīng)泵提升至沉淀器進(jìn)行混凝沉淀處理，去除以膠體及懸浮物形式存在的污染物。沉淀器出水自流至NDC反應(yīng)池，經(jīng)充分的反應(yīng)后排入出水監(jiān)測(cè)池，進(jìn)入后續(xù)回用水處理單元。沉淀器排出的泥渣、NDC反應(yīng)池排出的剩余污泥分別進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)。

2.3 運(yùn)行效果分析

圖3、4、5分別是連續(xù)監(jiān)測(cè)兩個(gè)月進(jìn)出水C O D、NH3－N和TN的運(yùn)行濃度。

從進(jìn)出水C O D、NH3－N對(duì)比圖可以看出，當(dāng)C O D的進(jìn)水濃度在900～1 100 mg/L之間波動(dòng)時(shí)，出水C O D的濃度值基本穩(wěn)定在40 mg/L附近;NH3－N進(jìn)水濃度大多在250～350 mg/L之間波動(dòng)，出水濃度穩(wěn)定在10 mg/L以下;TN的進(jìn)水濃度基本在300～400 mg/L之間，出水濃度穩(wěn)定在20 mg/L以下，從出水的指標(biāo)看完全達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》排放要求。由此可以看出，NDC反應(yīng)器抗負(fù)荷沖擊的能力很強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)C O D、NH3－N和TN具有良好的處理效果。

圖3 進(jìn)出水C O D濃度

圖4 進(jìn)出水NH3－N濃度

圖5 進(jìn)出水TN濃度

3 結(jié)論

(1)NDC反應(yīng)器在池型設(shè)計(jì)上增設(shè)強(qiáng)化反硝化區(qū)，利于高效菌種的投加和馴化，同時(shí)具有緩沖、耐負(fù)荷沖擊的作用;合理的運(yùn)行次序，有效的分配曝氣和攪拌時(shí)間，使主反應(yīng)區(qū)內(nèi)的好氧硝化和缺氧反硝化交替進(jìn)行，使硝化與反硝化反應(yīng)充分、徹底。

(2)從實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)看，出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，對(duì)氨氮、TN的處理效率顯著，當(dāng)污水氨氮、TN含量在400 mg/L以下時(shí)，脫氮效率可以達(dá)到95% ～99%。

(3)NDC脫氮技術(shù)在含中、高濃度氨氮的工業(yè)廢水處理方面應(yīng)用前景廣闊。比如:煤化工企業(yè)廢水處理系統(tǒng)，尤其是氣化工段廢水處理;化肥企業(yè)廢水處理系統(tǒng);焦化企業(yè)廢水處理系統(tǒng)，工業(yè)園區(qū)、市政污水等適合于活性污泥法的污水處理系統(tǒng)等。

［1］李軍，楊秀山，彭永縥.微生物與水處理工程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:35－78.

［2］ A.Mosquera－Corral，M.K.de Kreuk，Heijnen J.J.Effects of oxygen concentration on N－removal in an aerobic granular sludge reactor［J］.Water Research，2005，39，(12):2676 －2686.

［3］周群英，高廷耀.環(huán)境工程微生物學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2000:87－108.

［4］張?zhí)m英，劉娜.現(xiàn)代環(huán)境微生物技術(shù)(第2版)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:162－177.

［5］高大文，彭永臻，王淑瑩，等.交替好氧/缺氧短程硝化反硝化生物脫氮［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(5):761－775.

［6］王蘭，張清敏，胡國(guó)臣.現(xiàn)代環(huán)境微生物學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006:42－56.

［7］王淑瑩，孫洪偉，楊慶，等.傳統(tǒng)生物脫氮反硝化過(guò)程的生化機(jī)理及動(dòng)力學(xué)［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2008，14(5):732－736.

［8］ L.W.Hulshoff Pol，S.I.de Castro Lopes，G.Lettinga.Anaerobic sludge granulation［J］.Water Research，2004，38(6):1376－1389.