一種脫氮反應(yīng)器的脫氮效果研究

鄭 俠，李地超,2，于人杰,2，郭 明,2，李自強(qiáng),2

（1.安徽中環(huán)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，安徽 合肥 230000；2.安徽環(huán)燦生物科技有限公司, 安徽 合肥 230000)

0 引言

隨著“水十條”的出臺和實(shí)施，污水處理廠面臨著更為嚴(yán)格的出水達(dá)標(biāo)要求和運(yùn)行過程監(jiān)管。不少地區(qū)發(fā)布了新的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，需要對污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造[1]，提標(biāo)后出水水質(zhì)達(dá)到《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)[2]（TN≤10 mg/L）。去除TN方法有物理法、化學(xué)法和生物法。其中，生物法因安全可靠、經(jīng)濟(jì)有效、可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)成為主流去除TN的方法[3,4]。

我國污水處理廠大都存在進(jìn)水中可被反硝化菌群利用的碳源較少的情況，C/N比較低[5]。為達(dá)標(biāo)排放，大多污水廠采用投加外碳源以保障反硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行，而造成成本過高。通過投加微生物菌劑來改善生物處理系統(tǒng)的處理效果和運(yùn)行穩(wěn)定的方法，引起了國內(nèi)外學(xué)者的重視并進(jìn)行了相關(guān)研究[6,7]。優(yōu)勢菌種的投加可以有效降解目標(biāo)污染物[8]，但優(yōu)勢菌的不持續(xù)投加易被同化，降低優(yōu)勢菌的去除效率。針對以上問題，泰安某工業(yè)污水處理廠自主設(shè)計(jì)并制作了一種脫氮反應(yīng)器，脫氮菌劑可在脫氮反應(yīng)器中進(jìn)行培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)脫氮菌的快速繁殖，在減少菌劑購買量的同時(shí)保持高效率的脫氮效果，為水廠實(shí)際運(yùn)行節(jié)省成本。

本研究就一種脫氮反應(yīng)器在實(shí)際水廠運(yùn)行過程中的脫氮效果進(jìn)行研究，在泰安某工業(yè)污水廠開展試驗(yàn)。該污水處理廠處理規(guī)模為3萬t/d，于2013年運(yùn)行，主要接納縣城化工產(chǎn)業(yè)園的工業(yè)污水，出水執(zhí)行《GB 18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。水廠將于2022年底完成提標(biāo)改造，提標(biāo)改造后出水水質(zhì)達(dá)到《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。本研究將脫氮反應(yīng)器放置于缺氧池進(jìn)水處，通過管道向水中投加脫氮菌種，考察污水廠運(yùn)行狀況，旨為該污水處理廠提標(biāo)改造、節(jié)能降耗提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

該脫氮反應(yīng)器示意如圖1所示。脫氮箱尺寸為1185×795×1405 mm，內(nèi)部分成上、下兩部分箱體，上側(cè)箱體為無菌混合室，下側(cè)箱體為培養(yǎng)室。無菌混合室中設(shè)有無菌艙和自吸泵，自吸泵管道連接無菌艙的罐體進(jìn)液口，無菌艙的罐體上設(shè)置有攪拌器，底部開有3個(gè)出液口，培養(yǎng)室中設(shè)置有3個(gè)培養(yǎng)艙，培養(yǎng)艙設(shè)置有攪拌器，培養(yǎng)艙的罐體側(cè)面底部開有排液口。脫氮反應(yīng)器通過無菌艙對3個(gè)培養(yǎng)艙進(jìn)行交替補(bǔ)液，保證每天都有培養(yǎng)艙向污水池里補(bǔ)充菌劑，維持菌群優(yōu)勢。

圖1 脫氮反應(yīng)器示意圖

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)在某泰安某工業(yè)污水處理廠進(jìn)行，水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 該廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì) （mg/L）

1.3 試驗(yàn)試劑

選用液體乙酸鈉作為外碳源[9,10]，COD濃度為（19~21）×104mg/L，密度為1125 kg/m3。選用的脫氮菌購于某生物科技公司，為反硝化脫氮菌種。

1.4 試驗(yàn)方法

現(xiàn)場試驗(yàn)在3種工況下開展。

工況Ⅰ：2020年8月—2020年11月，水廠此階段運(yùn)行過程中在缺氧池進(jìn)水處投加碳源，并記錄碳源投加量、進(jìn)水量，檢測進(jìn)、出水COD和TN濃度。

工況Ⅱ：2021年4月—2021年7月，水廠此階段運(yùn)行過程中在缺氧池進(jìn)水處投加脫氮菌、碳源，每天記錄菌種投加量、碳源投加量、進(jìn)水量，檢測進(jìn)、出水COD和TN濃度。

工況Ⅲ：2021年8月—2021年11月，水廠此階段運(yùn)行過程中在缺氧池進(jìn)水處投加經(jīng)過脫氮反應(yīng)器處理后的脫氮菌（所用菌種與工況Ⅱ?yàn)橥环N）、碳源，每天記錄菌種投加量、碳源投加量、進(jìn)水量，檢測進(jìn)、出水COD和TN濃度。

1.5 分析方法

TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；COD采用快速消解分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 工況Ⅰ脫氮效能

工況Ⅰ：連續(xù)檢測進(jìn)、出水COD和TN的濃度，并每天記錄碳源投加量、進(jìn)水量。圖2為進(jìn)、出水COD和TN濃度變化情況。

圖2 工況Ⅰ進(jìn)、出水COD、TN變化情況

工況Ⅰ：進(jìn)水COD濃度在31.2~330 mg/L，均值為128.86 mg/L，出水COD濃度在13.7~48.8 mg/L，均值為29.99 mg/L，COD去除率均值75.48%；進(jìn)水TN濃度在21.5~125.3 mg/L，均值為36.45 mg/L，出水TN濃度在1.88~14.4 mg/L，均值為9.32 mg/L，TN去除率均值為74.47%；進(jìn)水流量在6200~19116 m3/d，均值為15442 m3/d；碳源投加量在0.0~17.2 t/d，均值為4.831 t/d。

研究表明：當(dāng)水質(zhì)呈現(xiàn)COD/TN＜8時(shí)，BOD/TN＜5時(shí)，為低C/N水質(zhì)[11,12]。該污水處理廠在該階段內(nèi)，進(jìn)水COD/TN值為3.54，屬于低C/N水質(zhì)，為了達(dá)標(biāo)排放，水廠在運(yùn)行過程中需要投加碳源。外加碳源能有效提高微生物對低C/N水脫氮效果[13]。通過碳源的投加，TN可達(dá)標(biāo)排放，過高碳源量的投加在一定程度上加大了水廠運(yùn)行成本，加大企業(yè)負(fù)擔(dān)。

2.2 工況Ⅱ脫氮效能

工況Ⅱ：連續(xù)檢測進(jìn)、出水COD和TN濃度，并每天記錄碳源投加量、進(jìn)水量。圖3為進(jìn)、出水COD和TN濃度變化情況。

圖3 工況Ⅱ進(jìn)、出水COD、TN變化情況

工況Ⅱ：進(jìn)水COD濃度在38.13~432.84 mg/L，均值為96.60 mg/L，出水COD濃度在1.49~42.79 mg/L，均值為34.59 mg/L；進(jìn)水TN濃度在37.89~164.24 mg/L，均值為64.51 mg/L，出水TN濃度在2.13~13.59 mg/L，均值為10.62 mg/L；進(jìn)水量在9258~27644 m3/d，均值為19940 m3/d；碳源投加量在0.0~29.7 t/d，均值為9.452 t/d，脫氮菌使用量在0.0~613 g/d，均值為500 g/d。

該工況下水廠進(jìn)水COD/TN值為1.50，屬于低C/N水質(zhì)。在碳源和脫氮菌的共同作用下，各出水指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。脫氮菌以目標(biāo)降解物為能源，通過一系列的生物化學(xué)反應(yīng)來提高原污水處理系統(tǒng)的處理效能。投加的微生物菌以游離態(tài)存在或附著在載體上形成生物膜，利于其對污染物的降解。污水處理系統(tǒng)內(nèi)降解目標(biāo)物的菌種較少時(shí)，投加相應(yīng)的微生物菌，提高優(yōu)勢菌的數(shù)量，提高處理效率。

2.3 工況Ⅲ脫氮效能

工況Ⅲ：連續(xù)對其進(jìn)行進(jìn)、出水COD和TN的檢測，并每天記錄碳源投加量、進(jìn)水量。圖4為進(jìn)、出水COD和TN濃度變化情況。

圖4 工況Ⅲ進(jìn)、出水COD、TN變化情況

工況Ⅲ：進(jìn)水COD濃度在27.4~667 mg/L，均值為72.95 mg/L，出水COD濃度在2.76~45.7 mg/L，均值為22.80 mg/L；進(jìn)水TN濃度在26.9~181.0 mg/L，均值為64.21 mg/L，出水TN濃度在3.16~14.7 mg/L，均值為8.78 mg/L；進(jìn)水量在12258~33644 m3/d，均值為23587 m3/d；碳源投加量在0.0~29.3 t/d，均值為11.968 t/d；脫氮菌使用量在0.0~78 g/d浮動，均值為50.0 g/d。

該工況下水廠進(jìn)水COD/TN值為1.14，屬于低C/N水質(zhì)。在碳源和脫氮菌的共同作用下，各出水指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，且脫氮菌使用量明顯低于工況Ⅱ。脫氮反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)菌液的進(jìn)料、擴(kuò)培、出料等步驟的數(shù)控自動化。脫氮菌經(jīng)過脫氮反應(yīng)器的生物催活，可降低生物活化周期，持續(xù)向缺氧池內(nèi)輸出活力菌群，保證池中優(yōu)勢菌群的數(shù)量，維持污水處理池脫氮區(qū)域的優(yōu)勢菌群，縮減活性污泥培養(yǎng)環(huán)節(jié)， 提高脫氮微生物活性，縮短生物池除氮時(shí)間，提高脫氮效率，從而節(jié)省過量碳源用量，增加污水處理抗沖擊能力實(shí)現(xiàn)污水氮達(dá)標(biāo)、低碳、抗沖擊的穩(wěn)定運(yùn)營。

2.4 三種工況對比分析

通過表3可得出：3種工況的C/N比分別為4.30、1.50和1.14，進(jìn)水水量、水質(zhì)變化較大，工況Ⅲ是工況Ⅰ的1.53倍。工況Ⅱ和工況Ⅲ的TN去除率均優(yōu)于工況Ⅰ，工況Ⅰ的COD去除率優(yōu)于工況Ⅱ、Ⅲ，這可能和工況Ⅰ進(jìn)水中COD濃度高有關(guān)。

表3 3種工況對比分析

由于2021年進(jìn)水量、進(jìn)水C/N值較2020年發(fā)生較大的變化，為比較脫氮菌的脫氮能力，根據(jù)碳源投加量和進(jìn)水量的情況，將碳源投加量折算成COD濃度。以工況Ⅰ為例，已知所購的乙酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，1 g 乙酸鈉COD是0.78 g，對應(yīng)的4.831 t 25%的乙酸鈉COD濃度為1207.75 kg，投加至15442 m3/d水中濃度為78.21 mg/L，加上進(jìn)水中COD濃度為207.07，即177.08 mg/L的COD去除27.13 mg/L的TN。同理可計(jì)算出，工況Ⅱ：180.5 mg/L的COD去除53.89 mg/L的TN；工況Ⅲ：177.0 mg/L的COD去除55.43 mg/L的TN。由此可得：在同等COD濃度下，工況Ⅱ、Ⅲ的TN去除率均高于工況Ⅰ；工況Ⅱ的TN去除率略低于工況Ⅲ，但菌劑用量是工況Ⅲ的10倍。脫氮反應(yīng)器在減少脫氮菌劑用量的同時(shí)保持高效率的脫氮效果。

3 結(jié)論

（1）工況Ⅰ進(jìn)水COD/TN值為3.54，TN去除率均值為74.47%；工況Ⅱ進(jìn)水COD/TN值為1.50，TN去除率均值為83.54%；工況Ⅲ進(jìn)水COD/TN值為1.14，TN去除率均值為85.57%。工況Ⅱ和工況Ⅲ的總氮去除效果均優(yōu)于工況Ⅰ。

（2）為比較三個(gè)階段碳源使用量情況，根據(jù)碳源投加量和進(jìn)水量的情況，將碳源投加量折算成COD濃度。工況Ⅰ：177.08 mg/L的COD去除27.13 mg/L的TN；工況Ⅱ：180.5 mg/L的COD去除53.89 mg/L的TN；工況Ⅲ：177.0 mg/L的COD去除55.43 mg/L的TN。在同等COD濃度下，工況Ⅱ、Ⅲ的TN去除率均高于工況Ⅰ。工況Ⅱ的TN去除率略低于工況Ⅲ，但其菌劑用量較之高出10倍。智能脫氮反應(yīng)器在減少脫氮菌劑夠買量的同時(shí)保持高效率的脫氮效果。