市政污水處理廠反硝化濾池啟動(dòng)及深度脫氮運(yùn)行分析

馬先芒

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司）

1 引言

為控制污水含氮量，各地污水處理廠紛紛引入反硝化濾池，希望能夠憑借過濾性能突出、占地面積較小的濾池，使脫氮效果得到顯著改善。在實(shí)際工作中，工作人員最大的難題主要是如何確定碳源使用量，保證濾池啟動(dòng)效果及運(yùn)行效果均能達(dá)到預(yù)期。

2 研究背景

在水體氮污染程度持續(xù)加劇的當(dāng)下，富營養(yǎng)化給漁業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)所造成的影響有目共睹，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)變得更加嚴(yán)格，現(xiàn)有脫氮技術(shù)已無法發(fā)揮出應(yīng)有作用，從最終效果、運(yùn)行成本出發(fā)，對(duì)全新脫氮技術(shù)進(jìn)行開發(fā)勢在必行。以往各地污水處理廠均強(qiáng)調(diào)以好氧條件為基礎(chǔ)，先對(duì)有機(jī)氮進(jìn)行相應(yīng)化，形成一定量的NO3--N，再借助亞硝化菌、硝化菌進(jìn)行硝化反應(yīng)，將物質(zhì)轉(zhuǎn)移到缺氧環(huán)境下，經(jīng)由反硝化菌達(dá)到反硝化的最終目的[1]。該工藝所存在不足主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，首先是極易被外界環(huán)境所影響，其次是對(duì)沖擊負(fù)荷的抵抗能力較弱，最后是無法保證去除效果始終維持在理想水平。此外，氮去除率還會(huì)受到進(jìn)水碳源、設(shè)備性能的制約。要想解決上述問題，關(guān)鍵是要新增具有深度脫氮功能的反硝化濾池，事實(shí)證明，此舉既能使廠內(nèi)空間得到充分利用，又可使反硝化速率得到顯著提高。

3 市政污水分析

3.1 工業(yè)廢水

在技術(shù)迭代速度極快的當(dāng)下，工業(yè)順利邁入發(fā)展快車道，工業(yè)廢水給附近環(huán)境所造成的影響也變得更加直觀。工業(yè)廢水具有成分復(fù)雜和管理難度大的特點(diǎn)，與其他類型廢水相比，工業(yè)廢水含有氰化物、酸或堿類物質(zhì)的概率更大，加之一部分處理廠尚未更新現(xiàn)有處理技術(shù)，致使污水處理效果難以達(dá)到預(yù)期，隨著大量不達(dá)標(biāo)廢水被排入河流，附近居民及生態(tài)環(huán)境均會(huì)受到不利影響。

3.2 農(nóng)業(yè)廢水

作為農(nóng)業(yè)大國，我國農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖所產(chǎn)生的廢水量極大，以畜牧業(yè)為例，牲畜養(yǎng)殖期間所產(chǎn)生的廢水，通常包含大量磷元素、COD和氮元素[2]。對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行種植時(shí)，往往需要施加化肥及農(nóng)藥，殘留藥物將隨著雨水一同進(jìn)入管網(wǎng)，加大了處理廠的工作量。

3.3 生活污水

烹飪廢水、洗滌廢水和衛(wèi)生間所排放的廢水均屬于生活污水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每人每天產(chǎn)生的生活污水中，約有1/4為衛(wèi)生間廢水，其中，磷占比為80%、COD占比為60%、氮占比為84%。烹飪廢水占比約為15%，具有BOD含量高的特點(diǎn)。洗滌廢水量較大，但所含污染物總量偏少[3]。

4 設(shè)備介紹

反硝化濾池的特點(diǎn)是以生物膜為載體、NO3--N為受體，通過對(duì)污水所含硝化氮進(jìn)行還原的方式，使污水含氮量降到排放標(biāo)準(zhǔn)以下。該濾池主要包括承托層和濾料層。其中，濾料層是決定濾池運(yùn)行效果的關(guān)鍵。目前，多數(shù)污水處理廠均引入了反硝化濾池，濾池所用無機(jī)物以陶粒、石英砂為主，上述無機(jī)物的粒徑處于2mm～3mm間，對(duì)應(yīng)均勻系數(shù)是1.4，測量所得莫氏硬度在7左右，球形度不得小于0.8?？紤]到微生物只有在有機(jī)物的輔助下，才能進(jìn)行反硝化脫氮，而廢水所含有機(jī)物往往無法滿足微生物需求，為避免脫氮作用受到影響，相關(guān)人員需要定期向?yàn)V池內(nèi)施加乙醇或乙酸鈉等碳源，確保濾池既能夠?qū)腋」腆w盡數(shù)去除，又可以憑借微生物進(jìn)行反應(yīng)，對(duì)污水實(shí)際含氮量加以控制。

濾池正式投運(yùn)后，相關(guān)人員可酌情對(duì)濾池的過濾、脫氮功能進(jìn)行調(diào)整，在沒有施加碳源的情況下，濾池主要負(fù)責(zé)對(duì)污水進(jìn)行過濾，即使廢水所含BOD較少，仍然能夠發(fā)揮維持微生物活性的作用，脫氮效果可最大程度接近預(yù)期。如果廢水含氮量超出規(guī)定上限，僅憑借廢水內(nèi)BOD無法維持反硝化正常進(jìn)行，便需要酌情加入少量碳源，通過增強(qiáng)反硝化功能的方式，為脫氮效果提供保證。綜上，本文所討論反硝化濾池既能夠被用來對(duì)污水懸浮物進(jìn)行過濾，還可以起到降低廢水氮、磷濃度的效果。

5 前期準(zhǔn)備

某市污水處理廠所排放污水質(zhì)量基本符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由歷史數(shù)據(jù)可知，該廠進(jìn)水BOD5∕TN值最大為14，最小為1，其取值約有90%的概率，未達(dá)到5，存在碳源不足的問題。另外，該廠出水TN取值為12mg/L，NO3--N濃度在12mg/L左右，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但有超標(biāo)的可能，為保證污水處理效果達(dá)到預(yù)期，相關(guān)人員提出以改善去除效果為落腳點(diǎn)，對(duì)碳源使用量進(jìn)行深入研究。

5.1 實(shí)驗(yàn)用水

相關(guān)人員決定將二沉池出水作為反應(yīng)器進(jìn)水，實(shí)驗(yàn)所用碳源為乙酸鈉，其濃度在95%左右，旨在使微生物擁有理想的生長環(huán)境。

5.2 材料/設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)計(jì)劃使用有機(jī)玻璃柱代替濾池，玻璃柱規(guī)格為100cm×10cm。經(jīng)專業(yè)人員分析，將流量設(shè)定為16L/h，對(duì)應(yīng)濾速控制在2m/h左右。在濾柱內(nèi)填充活性砂，保證作為填料的活性砂滿足以下要求：化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定；便于微生物附著，使其快速生長；機(jī)械強(qiáng)度理想；市場單價(jià)較低；粒徑在2mm～4mm間，重量約為5kg。相關(guān)人員應(yīng)將填料層高度控制在500mm左右，鵝卵石鋪設(shè)而成的承托層、清水層高度以150mm為最佳，超高理想值為100mm，此外，上部進(jìn)水區(qū)應(yīng)控制在150mm左右。

6 實(shí)驗(yàn)流程

6.1 啟動(dòng)濾池掛膜

承載微生物的生物膜的質(zhì)量通常會(huì)對(duì)反硝化濾池的運(yùn)行成效產(chǎn)生巨大影響，要想使濾池作用得到發(fā)揮，關(guān)鍵是要有理想的生物膜提供支持。在本項(xiàng)目中，相關(guān)人員決定對(duì)接種掛膜法加以使用，先借助蠕動(dòng)泵向小試裝置內(nèi)注入適量回流污泥，等待48h后，再向設(shè)備內(nèi)注水，將反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)變更為“開啟”。在啟動(dòng)初期，酌情延長HRT促進(jìn)濾池生物膜快速生長，按照150mg/L的比例加入乙酸鈉，保證C∕N比（即COD與NO3--N之比）始終為8，勻速向反應(yīng)器內(nèi)注水，同時(shí)利用現(xiàn)有設(shè)備對(duì)進(jìn)出水所含COD、硝態(tài)氮進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)生物膜情況以及硝態(tài)氮的變化幅度，判斷掛膜效果是否達(dá)到預(yù)期[4]。

6.2 確定碳源使用量

C∕N比與反硝化菌所表現(xiàn)出的反硝化效能息息相關(guān)，雖然C∕N比偏低可加快亞硝化反應(yīng)速度，但會(huì)制約反硝化的進(jìn)行，只有將C∕N比維持在一定數(shù)值，才能維持有機(jī)物活性，基于有機(jī)物所發(fā)生反硝化反應(yīng)，其效果自然更加理想。理論上說，C∕N比越高、反應(yīng)效果越理想，在實(shí)際工作中應(yīng)嚴(yán)格控制碳源消耗量，以免投資成本超出預(yù)期，因此，應(yīng)酌情調(diào)整C∕N比，確保項(xiàng)目成本、反硝化效果處于相對(duì)平衡狀態(tài)。

本項(xiàng)目所用外加碳源為乙酸鈉，其反硝化性能突出。將濾池DO設(shè)定為0mg/L，對(duì)應(yīng)HRT調(diào)整至0.5h，分別按照37mg/L、56mg/L、75mg/L和95mg/L的濃度，向?yàn)V池內(nèi)加入適量乙酸鈉，對(duì)應(yīng)C∕N比由2到5遞增。隨后，由相關(guān)人員借助專業(yè)設(shè)備對(duì)進(jìn)出水所含COD、硝態(tài)氮值進(jìn)行監(jiān)測，確定碳源使用量。

7 結(jié)果說明

7.1 NO3--N濃度

通過實(shí)驗(yàn)可知，濾池開啟96h后，處理廠出水所含NO3--N下降到約1mg/L，由此可見，反硝化濾池在處理硝態(tài)氮方面效果突出，濾池掛膜成功。該階段反硝化菌處于快速增殖的狀態(tài)，待濾池內(nèi)微生物菌群趨于穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)NO3--N濃度也降到了行業(yè)要求的水平，此后，濾池去除NO3--N的效率始終在90%上下波動(dòng)，微生物濃度給NO3--N去除率帶來的影響可忽略不計(jì)，反硝化結(jié)構(gòu)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

7.2 C∕N比影響

本次實(shí)驗(yàn)計(jì)劃以C∕N比與濾池脫氮能力間存在的關(guān)聯(lián)為切入點(diǎn)，分別將進(jìn)水C∕N比設(shè)為0/3/6/9，結(jié)合進(jìn)出水所含COD、硝態(tài)氮值，對(duì)投加乙酸鈉的理想值加以確定?，F(xiàn)將實(shí)驗(yàn)過程及所得結(jié)論歸納如下：利用未掛膜濾池對(duì)進(jìn)水加以處理，進(jìn)水所含NO3--N總量無明顯變化，成功掛膜后，經(jīng)過濾池處理的進(jìn)水NO3--N濃度大幅降低。以乙酸鈉為碳源，將進(jìn)水C∕N比設(shè)為0/3/6/9，對(duì)進(jìn)出水所含NO3--N進(jìn)行分析可知，C∕N比處于0～3這一范圍時(shí)，出水的COD濃度在15mg/L左右，該數(shù)值和未加入碳源時(shí)的數(shù)值基本相同，這表示濾池內(nèi)乙酸鈉消耗殆盡，受碳源不充足影響，反硝化反應(yīng)程度無法達(dá)到預(yù)期，由此而帶來的問題便是出水含有大量硝態(tài)氮。按照C∕N比=3投加碳源，可使出水所含NO3--N濃度下降到3mg/L，此時(shí)，脫氮效果基本能夠達(dá)到行業(yè)要求，且出水所含COD值無明顯變化。將C∕N比更改為6，并對(duì)出水所含COD等物質(zhì)濃度進(jìn)行檢測能夠發(fā)現(xiàn)，出水所含在NO3--N0.6mg/L左右，這表示反硝化反應(yīng)的作用得到充分發(fā)揮，出水硝氮量僅為初始狀態(tài)下的10%。需要注意的是，雖然碳源增多不會(huì)給反硝化能力造成負(fù)面影響，但會(huì)致使COD大幅升高。C∕N比=6的工況下，出水所含COD的濃度高達(dá)30mg/L。導(dǎo)致該問題出現(xiàn)的原因，主要是進(jìn)水含有過多碳源，致使有機(jī)負(fù)荷大幅增加，隨著微生物利用率降低，出水質(zhì)量必然會(huì)受到影響。如果C∕N比的取值為9，出水所含硝態(tài)氮將被盡數(shù)去除，此時(shí)，出水TN的取值將降到1mg/L以下，致使COD快速增加，甚至達(dá)到約40mg/L[5]。綜上，在不考慮其他因素的情況下，一味增加C∕N比并不能保證硝態(tài)氮去除率更接近理想狀態(tài)，對(duì)污水處理廠而言，要想使項(xiàng)目綜合表現(xiàn)達(dá)到預(yù)期，關(guān)鍵要將C∕N比控制在3左右。

事實(shí)證明，碳源使用量是否理想，通常決定著濾池的運(yùn)行效率，在濾池內(nèi)加入過多碳源，將造成出水COD值超出允許范圍，如果碳源使用量偏少，則會(huì)帶來反硝化不完全的問題。另外，在運(yùn)行過程中，要對(duì)碳源進(jìn)行科學(xué)且合理的投放，還要考慮溶解氧量、溫度等操作條件，生物膜情況還有碳源質(zhì)量等因素，如果污水含有大量溶解氧，則要調(diào)整碳源使用量。

8 結(jié)語

本文以某市污水處理廠為例，對(duì)其處理效果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該廠存在出水TN與行業(yè)規(guī)定不符的情況，應(yīng)增設(shè)具有深度脫氮功能的反硝化濾池。濾池開啟96h后，掛膜效果達(dá)到預(yù)期，此時(shí)，出水所含NO3--N的濃度下降到約1mg/L，按照NO3--N=3的比值投加碳源，既能確保脫氮效果達(dá)到預(yù)期，又可避免該廠發(fā)生出水所含COD超標(biāo)的問題。同時(shí)，還能起到簡化處理流程和控制運(yùn)行成本的效果。