城鎮(zhèn)污水廠常用污水深度脫氮技術(shù)比較分析

吳興海,楊 露

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

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城鎮(zhèn)污水廠常用污水深度脫氮技術(shù)比較分析

吳興海,楊 露

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

摘要：闡述了污水深度脫氮的必要性，在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合城市污水處理廠提標(biāo)改造的工程經(jīng)驗(yàn)，比較分析了常用污水深度脫氮技術(shù)的特點(diǎn)及運(yùn)用現(xiàn)狀，并對(duì)研究重點(diǎn)及難點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：提標(biāo)改造;深度脫氮;城市污水;物理化學(xué)法;生物法

1引言

研究污水脫氮，探索適合我國(guó)國(guó)情而且經(jīng)濟(jì)有效的脫氮工藝，是目前亟待解決的重要課題。對(duì)氮污染的去除，目前大多數(shù)釆用的是傳統(tǒng)生物脫氮工藝，然而，污水中較低的COD含量會(huì)限制傳統(tǒng)生物工藝對(duì)氮的去除效果，導(dǎo)致污水廠出水存在較高的硝酸鹽，從而使得出水總氮含量偏高[1]。這一問題在南方地區(qū)以及排水系統(tǒng)為雨污合流制地區(qū)尤為嚴(yán)重，我國(guó)南方許多城市污水廠的進(jìn)水BOD5常在100 mg/L以下，CODcr小于200 mg/L，十分不利于總氮的去除[2，3]。隨著國(guó)家對(duì)污水廠出水水質(zhì)要求的提高，尤其是對(duì)出水總氮含量的要求更加嚴(yán)格，許多污水廠都面臨著提標(biāo)改造的任務(wù)。

二級(jí)出水的硝酸鹽氮的去除是世界性難題，許多學(xué)者在大量研究的基礎(chǔ)上，發(fā)展了多種深度脫氮技術(shù)。結(jié)合我國(guó)污水廠提標(biāo)改造任務(wù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)城鎮(zhèn)污水廠深度脫氮技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)分析。

2污水深度脫氮必要性

水體中氮元素過量是造成水污染的重要因素之一，其帶來的危害是多方面的，其中的一個(gè)突出問題就是水體的富營(yíng)養(yǎng)化，不僅破壞了水體的生態(tài)平衡，同時(shí)威脅到水源地的取水安全，進(jìn)一步加劇了水資源的短缺局面。根據(jù)《2014年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》[4]顯示，我國(guó)主要的淡水湖泊中，太湖、洪澤湖和巢湖湖體為輕度富營(yíng)養(yǎng)，滇池湖體為中度富營(yíng)養(yǎng)。污水經(jīng)過處理后產(chǎn)生的再生水是城市的“第二水源”，可以替代部分清潔水源，或補(bǔ)充到城市內(nèi)河、內(nèi)湖和地下水中[5，6]，在一定程度上緩解了城市的缺水危機(jī)。目前我國(guó)城市內(nèi)河多數(shù)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)IV類(TN1.5 mg/L)或V類(TN2.0 mg/L)標(biāo)準(zhǔn)，但城市污水廠排水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，TN排放限值為15 mg/L，既不能滿足城市內(nèi)河IV類或V類標(biāo)準(zhǔn)要求，也不能滿足地下水源補(bǔ)充水的要求。

隨著國(guó)家對(duì)水污染治理力度的不斷強(qiáng)化及對(duì)污水廠尾水污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，對(duì)污水廠出水TN進(jìn)行深度處理，嚴(yán)格控制氮的達(dá)標(biāo)排放已經(jīng)成為新建或現(xiàn)有污水處理設(shè)施升級(jí)改造的核心目標(biāo)。

3常用污水深度脫氮技術(shù)及其特點(diǎn)

到目前為止，開發(fā)的污水深度脫氮技術(shù)種類較為豐富，根據(jù)基本原理的不同，主要可分為物理化學(xué)法和生物法兩種。物理化學(xué)法只能去除氨氮，基本原理是利用氮的幾種存在形態(tài)的特點(diǎn)，尤其是利用氣態(tài)氮的特點(diǎn)，將廢水中的氮轉(zhuǎn)化生成氣態(tài)氮或交換固定氮，以達(dá)到從廢水中脫氮的目的，工藝主要有折點(diǎn)加氯法、離子交換法、膜分離法等；生物法脫氮的主要原理是經(jīng)過硝化反硝化處理，將水中的氮還原成氣態(tài)氮化物(主要是N2)排出體系外，生物法主要有反硝化生物濾池(DNBF)、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)、人工濕地法等。

3.1物理化學(xué)法

3.1.1折點(diǎn)加氯法

折點(diǎn)加氯法是向廢水中添加適量的二氧化氯、氯氣、液氯以及次氯酸鹽(鈉鹽或者鈣鹽)等含氯氧化劑，將污水中的氨氮氧化為氣態(tài)氮，從而達(dá)到脫氮的目的。當(dāng)氯氣通入廢水中的量達(dá)到某一點(diǎn)時(shí)，水中游離氯含量較低，而氨氮濃度趨于零，繼續(xù)通入氯氣，水中游離氯含量逐漸增加，因此該點(diǎn)被稱為折點(diǎn)。它所涉及的主要化學(xué)反應(yīng)式如下：

Cl2+H2O →HClO+H++Cl-

(1)

(2)

2NH2Cl+HClO →N2+H2O+3H++3Cl-

(3)

(4)

氯化法除氮的關(guān)鍵是投加氯氧化劑的量要合適。按化學(xué)計(jì)算，折點(diǎn)加氯反應(yīng)需氯量(以Cl2計(jì)算)對(duì)NH3-N的重量比(即折點(diǎn))為7.6∶1，折點(diǎn)的分子當(dāng)量比為1.5∶1。折點(diǎn)加氯法的主要反應(yīng)產(chǎn)物是N2，具有脫氮效率高(可達(dá)90 %～100 %)、投資少、反應(yīng)速率快的優(yōu)點(diǎn)，并且有消毒的作用[7]。折點(diǎn)加氯法雖然初次投資少，但運(yùn)行費(fèi)用較高，處理后水中殘留的氯及副產(chǎn)物氯胺、氯代有機(jī)物會(huì)造成二次污染，因此出水在排放前往往需要用活性碳或二氧化硫去除水中殘留的氯[8，9]，且只適用于處理低濃度氨氮廢水。由于折點(diǎn)加氯法脫氮效果受溫度的影響較小，因此在生化處理效果較差的環(huán)境如北方低溫地區(qū)有明顯的優(yōu)勢(shì)[10]，此外，其在中水回用及自來水消毒領(lǐng)域也有一定的運(yùn)用[11，12]。

3.1.2離子交換法

離子交換法是利用離子交換劑上的可交換離子和廢水中的氨氮離子進(jìn)行交換而去除水中的氨氮，該交換過程是可逆的，反應(yīng)的推動(dòng)力靠離子間的濃度差和交換劑上功能基對(duì)離子的親和能力[13]。當(dāng)交換劑達(dá)到飽和后，交換劑需要再生。離子交換法具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便、投資少等優(yōu)點(diǎn)，但由于高濃度的氨氮廢水會(huì)使吸附劑飽和過快而需要頻繁的再生，因此吸附法只適用于中低濃度氨氮廢水的深度處理[8，14]，去除率可達(dá)93～97 %，當(dāng)氨氮濃度為10～50 mg/L時(shí)，可將出水氨氮濃度控制在3 mg/L以下[15]。天然沸石是常用的天然無機(jī)離子交換劑，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對(duì)銨離子有較高的吸附力和選擇性，且價(jià)格低廉，來源廣泛，是研究的熱點(diǎn)[11，12，16]，此外，離子交換樹脂及改性后沸石也是常用的交換劑[17，18]。

3.1.3膜分離法

膜分離法是利用膜以外的能量或化學(xué)位差作為推動(dòng)力對(duì)水溶液中某些物質(zhì)進(jìn)行分離的方法，主要分為電滲析、微濾、超濾、反滲透和納濾等[19]。膜分離法作為一種分離新技術(shù)，不僅能凈化廢液和回收廢液中的有用物質(zhì)，同時(shí)具有投資少、無污染、低能耗等優(yōu)點(diǎn)[20]，但也存在膜污染、部分膜分離技術(shù)對(duì)廢水水質(zhì)要求較高等問題[19，21]。膜分離技術(shù)只是個(gè)純粹的物理過程，只有結(jié)合其他技術(shù)才能充分發(fā)揮其作用，才能達(dá)到預(yù)期的分離效果，目前二級(jí)出水的集成膜系統(tǒng)工藝已經(jīng)成熟并得以廣泛推廣[22]，處理后的水質(zhì)達(dá)到回用水的標(biāo)準(zhǔn)[23]。

3.2生物法

3.2.1反硝化濾池

反硝化生物濾池(DNBF)主要作用機(jī)制是利用濾池內(nèi)部的濾料及生物膜吸附截流作用和料上所附著生物膜的代謝分解作用來去除水體中的主要目標(biāo)污染物，達(dá)到脫氮的目的[24，25]，其具有占地面積小，處理效率高，工程投資費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)[26]，是城市污水深度處理領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。反硝化濾池在我國(guó)特別是一些污水本身碳源較低的地區(qū)得到了一定的應(yīng)用[27～29]，結(jié)果都表明：反硝化濾池啟動(dòng)快，且根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)確定是否投加碳源，實(shí)現(xiàn)過濾功能和反硝化功能的相互轉(zhuǎn)換；反沖洗廢水率低，可以有效降低反沖洗廢水的費(fèi)用；池體本身無易損易耗件，無須補(bǔ)砂，池體終身免維護(hù)；在外加碳源的情況下，出水各項(xiàng)指標(biāo)均低于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行效果穩(wěn)定，尤其是TN去除效果明顯，可穩(wěn)定低于5 mg/L。

3.2.2移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)是由挪威KaldnesMijecpteknogi公司與SNTEF研究所于20世紀(jì)80年代后期共同開發(fā)的[30]。該方法原理是向反應(yīng)器中投加比重接近水的填料，通過曝氣或攬拌使填料處于懸浮狀態(tài)，微生物慢慢在填料上富集形成生物膜，同時(shí)不斷攝取污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而達(dá)到進(jìn)化污水的目的[31]。MBBR結(jié)合了傳統(tǒng)污泥法和生物膜法的優(yōu)點(diǎn)，具有處理能力高，能耗低，不需要反沖洗及不易堵塞等特點(diǎn)，可在好氧、厭氧等各種條件下運(yùn)行[32]。何群彪等[33]采用CEPT-MBBR工藝對(duì)低濃度生活污水進(jìn)行處理，結(jié)果表明組合工藝脫氮除磷效果穩(wěn)定、可靠，出水水質(zhì)好，不僅適用于脫氮除磷要求高的新建污水處理廠，也適用于對(duì)現(xiàn)有污水處理廠的升級(jí)改造。

3.2.3人工濕地法

人工濕地是一種新型的廢水處理技術(shù)，它依據(jù)天然濕地凈化污水的原理，通過人為建造和監(jiān)督控制使其凈化能力得到增強(qiáng)[34]，它的凈化能力遠(yuǎn)超過天然濕地。人工濕地有多種脫氮機(jī)制，包括生物(微生物作用、植物吸收等)、物理(沉積、揮發(fā)等)和化學(xué)反應(yīng)(吸附作用)。人工濕地作為一種深度處理城鎮(zhèn)污水廠尾水的的有效手段[35，36]，可大幅削減進(jìn)入受納水體的氮磷污染負(fù)荷，改善受納水體的水質(zhì)，具有投資成本低、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。武海濤[37]研究了香蒲枯葉、蘆葦秸稈、蘆葦枯葉、香根草、再力花枯葉作為外加碳源，經(jīng)過不同預(yù)處理方式(堿處理及簡(jiǎn)單處理)后對(duì)人工濕地系統(tǒng)脫氮效果的影響，結(jié)果表明，人工濕地系統(tǒng)對(duì)硝態(tài)氮都有良好的去除效果，去除率在80.0 %～99.0 %之間。但人工濕地系統(tǒng)占地面積較大，且脫氮效果受氣溫、季節(jié)等因素影響較大。

4結(jié)論與展望

采用物理化學(xué)法對(duì)污水進(jìn)行深度脫氮時(shí)，成本相對(duì)于生物法普遍較高，且只能去除氨氮離子。此外，物理化學(xué)法脫氮時(shí)對(duì)廢水預(yù)處理要求較高，部分技術(shù)存在二次污染的風(fēng)險(xiǎn)或后續(xù)處理過程復(fù)雜，因此在實(shí)際工程中沒有生物法運(yùn)用的廣泛。生物法脫氮要取得良好的效果，需要控制的的影響因素較多，操作較為復(fù)雜，主要有水力停留時(shí)間(HRT)、碳源類型、碳氮比、溶解氧、溫度及pH值等；當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)及流量發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)對(duì)脫氮效果產(chǎn)生一定影響。

伴隨著我國(guó)城市污水廠提標(biāo)改造任務(wù)的進(jìn)行，污水深度脫氮技術(shù)必然會(huì)得到越來越廣泛的運(yùn)用，對(duì)于深度脫氮技術(shù)的研究也將受到越來越多的重視。在物理化學(xué)法中，離子交換劑容量的提高、性能的改善，研制抗污染、易清洗、耐高溫、抗溶劑的長(zhǎng)壽命膜及膜組件等都將成為研究的熱點(diǎn)；生物法中，反硝化過程需要投加一定的碳源作為電子供體，碳源的種類以及投加量在很大程度上決定了生物法脫氮的成本，因此對(duì)碳源種類的選擇以及如何實(shí)現(xiàn)碳源的精準(zhǔn)投加一直是研究的重點(diǎn)，此外，濾料是濾池系統(tǒng)的核心部分，選擇合適的濾料是濾池運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵因素，對(duì)其的研究和開發(fā)具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

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Comparison and Analysis on the Technology of Deep Denitrification in Municipal Wastewater Treatment Plant

Wu Xinghai,Yang Lu

(CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:The necessity of wastewater deep denitrification were expounded in this article. Based on extensive review of literature, this article concluded the characteristics and application actuality of common technologies for wastewater deep denitrification combined with upgrading and reconstruction engineering experience in wastewater treatment plant. At the same time, research hotspots and technology difficulties were summarized.

Key words:upgrading and reconstruction; deep denitrification; urban sewage; physical-chemical method; biological method

收稿日期：2016-04-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(編號(hào)：2014ZX07303003-07)

作者簡(jiǎn)介：吳興海(1991—)，男，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944(2016)10-0015-03