乙酸碳源對(duì)氧化溝工藝處理低碳氮比工業(yè)廢水脫氮性能的影響

陳建發(fā)

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油化工學(xué)院,福建漳州 363000)

0 前言

目前,諸多研究和實(shí)際工程運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明,國(guó)內(nèi)許多污水處理廠進(jìn)水碳氮比偏低,碳源不足,導(dǎo)致生物反硝化效果不理想,出水中總氮難以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 19918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),成為污水處理業(yè)界的嚴(yán)重困擾.為了提高生物脫氮效果,通?？梢酝ㄟ^(guò)延長(zhǎng)反硝化時(shí)間或補(bǔ)充碳源等方式解決,但延長(zhǎng)反硝化時(shí)間需增加反硝化缺氧池的體積,這就意味著要改擴(kuò)建污水廠,基建費(fèi)用較高且受場(chǎng)地限制,實(shí)際可操作性不強(qiáng),因而外加碳源成為首選途徑.

諸多研究表明,一般把CODCr/TN控制在6～8且CODCr/TP>20時(shí),就能滿足微生物對(duì)碳源的需求,即能獲得良好的生物脫氮除磷效果[1].我國(guó)多數(shù)污水廠CODCr/TN僅為3～4[2]、CODCr/TP<20[3],不能很好滿足微生物對(duì)碳源的多樣需求.為達(dá)到日趨嚴(yán)格的氮磷排放標(biāo)準(zhǔn),投加碳源成為許多污水處理廠迫不得已的選擇[4].但碳源類型很多,在保證污水脫氮除磷效果的同時(shí)節(jié)約碳源投加成本,優(yōu)選合適碳源顯得尤為重要.

大多數(shù)的反硝化菌屬于異養(yǎng)反硝化菌,在反硝化過(guò)程中它們能通過(guò)不同的呼吸途徑利用有機(jī)碳,且異養(yǎng)反硝化過(guò)程的發(fā)生需要充足的有機(jī)碳源[5].聚磷菌(PAOs)在除磷過(guò)程中也需要碳源[6].異養(yǎng)反硝化菌和聚磷菌(PAOs)勢(shì)必對(duì)碳源產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng),尤其是碳源不足,即低CODCr/TN比情況下.要提高生物脫氮除磷效率就需調(diào)和上述兩者的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[7].碳源的類型和投加量可能會(huì)影響污水的脫氮除磷效果.因而通過(guò)向污水中科學(xué)合理精準(zhǔn)投加不同種類、不同數(shù)量的外加碳源,可以不同程度的提高污水的CODCr/TN比例和CODCr/TP比例,從而起到強(qiáng)化生物脫氮除磷的目的[8-17].一般而言,碳源分子量越小,微生物越易吸收利用.乙酸等一些簡(jiǎn)單的有機(jī)物被認(rèn)為是比較適合的外加碳源[5].

頗多學(xué)者針對(duì)碳源不足而導(dǎo)致污水脫氮除磷效果較差現(xiàn)象的研究,大部分是用模擬廢水進(jìn)行的,而實(shí)際污水與模擬廢水成分差異較大.實(shí)際污水成分復(fù)雜,并非僅由單一碳源組成,脂肪酸、碳水化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約占10%、25%～50%[18].因此本試驗(yàn)針對(duì)低碳氮比的工業(yè)廢水,以改良型Carrousel氧化溝工藝為主要對(duì)象,通過(guò)投加乙酸碳源先小試、后生產(chǎn)性對(duì)比試驗(yàn),考察乙酸碳源在同一條件下對(duì)改良型Carrousel氧化溝工藝強(qiáng)化生物脫氮過(guò)程的影響,以求為低碳氮比的工業(yè)污水處理廠選擇最優(yōu)外加碳源、優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)、低碳節(jié)能降耗和提標(biāo)改造提供借鑒.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)所用藥劑、儀器和廢水

試驗(yàn)藥劑:乙酸(乙酸99.8%,甲酸0.02%,丙酸0.04%,鐵0.000 4%,乙醛0.01%)、氫氧化鈉為工業(yè)級(jí),其余為分析純.

分析儀器:Uvmini1240紫外分光光度計(jì)[島津企業(yè)管理(中國(guó))有限公司],BAS224S型分析電子天平[賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司],DHG-9076A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海右一儀器有限公司),KT370型可調(diào)速攪拌機(jī)(啟東市匯龍混合設(shè)備有限公司),pH計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司),9012型COD恒溫加熱器(青島科迪博電子科技有限公司).

試驗(yàn)廢水:試驗(yàn)水樣來(lái)自某工業(yè)污水處理廠隨機(jī)時(shí)段的進(jìn)水.該工業(yè)污水處理廠接納的污水包括電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、先進(jìn)裝備制造產(chǎn)業(yè)及新材料產(chǎn)業(yè)四種工業(yè)污水.設(shè)計(jì)出水要求達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)營(yíng)以來(lái)實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)情況見(jiàn)表1.

設(shè)計(jì)進(jìn)水BOD5/CODCr為0.32,而實(shí)際進(jìn)水的BOD5/CODCr為0.22,可生化性差,且CODCr/TN=2.52,屬于生物難降解的廢水.傳統(tǒng)氧化溝脫氮除磷功能較差,因此在氧化溝前增加厭氧池,形成改良型Carrousel氧化溝,既實(shí)現(xiàn)大量除磷,又能抑制絲狀菌增殖,增加二沉池污泥的可沉降性,保證出水水質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求.污水經(jīng)過(guò)預(yù)處理后,進(jìn)入改良型Carrousel氧化溝內(nèi),改良型Carrousel氧化溝由厭氧區(qū)、缺氧區(qū)及好氧區(qū)組成.為確保除磷效果,在厭氧池前段又設(shè)置厭氧水解段(污泥選擇區(qū)),污水實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)進(jìn)水,經(jīng)厭氧區(qū)/選擇區(qū),流入缺氧區(qū),再進(jìn)入好氧區(qū),好氧區(qū)與缺氧區(qū)之間設(shè)置內(nèi)回流,強(qiáng)化總氮的去除能力.污泥回流分別回流至選擇區(qū)及缺氧區(qū),根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)控制閥門調(diào)節(jié)污泥回流量.

1.2 試驗(yàn)氧化溝裝置

本試驗(yàn)采用的試驗(yàn)場(chǎng)所為某工業(yè)污水處理廠中的改良型Carrousel氧化溝.該氧化溝系統(tǒng)分2組,試驗(yàn)期間只有1組投入使用,日處理水量約1.7 萬(wàn)m3.該氧化溝是一座Carrousel A2C形式的氧化溝,結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 改良型氧化溝布置示意圖Fig.1 Layout of improved oxidation ditch

該氧化溝設(shè)計(jì)參數(shù)為:污泥濃度MLSS=3 500 mg/L,污泥負(fù)荷0.07 kgBOD/(kg MLSS·d),污泥齡13.4 d,單池有效容積15 748 m3,有效水深6 m.其中:厭氧區(qū)容積1 598 m3,水力停留時(shí)間2.2 h;缺氧區(qū)容積4 407 m3,水力停留時(shí)間6 h;好氧區(qū)容積9 743 m3,水力停留時(shí)間13.4 h.

1.3 污水處理工藝流程

該改良型Carrousel氧化溝耦合工藝流程詳見(jiàn)圖2.來(lái)自工業(yè)區(qū)的污水經(jīng)工業(yè)區(qū)污水管網(wǎng)收集,經(jīng)粗格柵去除大塊飄浮物后,經(jīng)進(jìn)水提升泵提升到配水井,再流入細(xì)格柵去除較細(xì)小的飄浮物,之后流入曝氣沉砂池去除無(wú)機(jī)砂粒以防砂粒對(duì)后續(xù)設(shè)備破壞和磨損,再流入均質(zhì)調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水量水質(zhì),之后進(jìn)入初沉池重力沉淀去除部分CODCr、BOD5、氨氮、總氮、總磷及大部分SS,再流入水解酸化池.在微生物的作用下通過(guò)水解酸化作用把大分子、難降解的有機(jī)物經(jīng)斷鏈、開(kāi)環(huán)變成小分子、易降解的有機(jī)物,為后續(xù)生化提供良好條件.經(jīng)水解酸化后再流入改良型Carrousel氧化溝進(jìn)一步的厭氧、缺氧及好氧等生物降解,高效同步脫氮除磷和去除有機(jī)物,流入二沉池完成泥水分離及污泥濃縮,上清液再進(jìn)入高效沉淀池進(jìn)一步去除二沉池殘留的SS,流入纖維轉(zhuǎn)盤濾池進(jìn)一步生物降解去除部分CODCr、BOD5、總氮、氨氮和總磷等,最后進(jìn)入接觸消毒池經(jīng)消毒后尾水達(dá)標(biāo)排放.

圖2 工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart

1.4 試驗(yàn)方法

采用間歇曝氣模式,氧化溝出口溶解氧2.0～3.0 mg/L,污泥濃度2 000～2 500 mg/L,污泥回流比80%～95%,其他參數(shù)按照日常運(yùn)行運(yùn)營(yíng),小試成功后并于2019年12月1日至31日投加乙酸碳源進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn),因進(jìn)水波動(dòng)很大,為確保出水達(dá)標(biāo),視進(jìn)水情況隨時(shí)調(diào)整乙酸碳源投加量,投加乙酸60～330 mg/L,以探究外加乙酸碳源對(duì)該工業(yè)污水處理廠改良型Carrousel氧化溝去除CODCr、BOD5、總氮、氨氮、總磷、SS和pH等效果影響.

2 結(jié)果與討論

2.1 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中氨氮去除效果的影響

在31 d試驗(yàn)期間,進(jìn)水平均CODCr/TN=2.57,改良型Carrousel氧化溝系統(tǒng)氨氮濃度變化如圖3所示.從圖3可知,進(jìn)水氨氮濃度19.2～35.8 mg/L,平均27.3 mg/L,出水氨氮濃度0.278～4.86 mg/L,平均1.853 mg/L,遠(yuǎn)低于出水標(biāo)準(zhǔn)5.0 mg/L.氨氮去除率81.9%～99%,平均93.2%,略高于未投加乙酸前的平均處理效率88.3%.這表明外加乙酸碳源對(duì)改良型Carrousel氧化溝生物去除該工業(yè)污水中的氨氮效果理想.氨氮的去除主要是通過(guò)硝化作用實(shí)現(xiàn)的,而硝化作用主要與有機(jī)物濃度、溶解氧濃度、硝化菌的活性及數(shù)量等因素有關(guān).從系統(tǒng)出水氨氮濃度分析,說(shuō)明該氧化溝曝氣階段的硝化效果很好,也說(shuō)明補(bǔ)充碳源能為反硝化階段提供電子供體,有利于反硝化反應(yīng)更好進(jìn)行[5].

圖3 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中氨氮去除效果影響Fig.3 Effect of added acetic acid carbon source on ammonia nitrogen removal in industrial wastewater圖4 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中總氮去除效果影響Fig.4 Effect of adding acetic acid carbon source on total nitrogen removal in industrial wastewater

2.2 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中總氮去除效果的影響

在31 d試驗(yàn)期間,進(jìn)水平均CODCr/TN=2.57,改良型Carrousel氧化溝系統(tǒng)總氮濃度變化如圖4所示.從圖4可知,進(jìn)水總氮濃度19.9～37.0 mg/L,平均28.8 mg/L,出水總氮濃度8.26～14.4 mg/L,平均12.43 mg/L,低于出水標(biāo)準(zhǔn)15.0 mg/L.總氮去除率31.2%～71.0%,平均56.8%,遠(yuǎn)高于未投加乙酸前的平均處理效率28.04%.這說(shuō)明外加乙酸碳源對(duì)改良型Carrousel氧化溝強(qiáng)化生物脫除該工業(yè)污水中的總氮效果非常不錯(cuò).生物反硝化過(guò)程中有機(jī)碳源的主要作用包括異化還原硝態(tài)氮、同化反硝化和轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的貯藏物,且有機(jī)碳源也為反硝化菌的生長(zhǎng)繁殖提供一定的能量與營(yíng)養(yǎng)[19].

污水處理中生物脫氮是依靠反硝化菌完成.異養(yǎng)反硝化菌在反硝化脫氮過(guò)程中需要利用有機(jī)物[20].能夠在生物反硝化脫氮及厭氧釋磷過(guò)程中被利用的有機(jī)碳源眾多,主要包括快速可生物降解碳源、慢速可生物降解碳源和內(nèi)源性碳源[21].一般來(lái)說(shuō),快速可生物降解碳源是效果最佳的碳源,其反硝化速率、厭氧釋磷速率快[22].但是對(duì)于快速可生物降解碳源而言,不同碳源的分子結(jié)構(gòu)不一樣,因而其對(duì)廢水的反硝化脫氮、厭氧釋放磷效果也不相同[23].反硝化脫氮可能與碳源代謝途徑、微生物有效利用碳源的程度及系統(tǒng)中不同微生物能利用不同的碳源等因素有關(guān)[5].

2.3 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中TP去除效果的影響

在31 d試驗(yàn)期間,進(jìn)水平均CODCr/TN=2.57,改良型Carrousel氧化溝系統(tǒng)TP濃度變化如圖5所示.從圖5可知,進(jìn)水TP濃度0.520～3.47 mg/L,平均1.501 mg/L,出水TP濃度0.028～0.326 mg/L,平均0.227 mg/L,低于出水標(biāo)準(zhǔn)0.5 mg/L.TP去除率平均84.9%,高于未投加乙酸前的平均處理效率75.0%,穩(wěn)定達(dá)標(biāo).

圖5 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中TP去除效果影響Fig.5 Effect of added acetic acid carbon source on removal of TP from industrial wastewater

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,外加乙酸碳源對(duì)改良型Carrousel氧化溝生物去除該工業(yè)污水中的TP效果非常理想.這是因?yàn)橐宜嶙鳛樾》肿佑袡C(jī)物,當(dāng)其被作為碳源時(shí)能被微生物直接吸收利用.對(duì)一般的除磷過(guò)程而言,厭氧階段的充分釋放磷是生物好氧階段過(guò)量吸磷的前提.而生物厭氧釋磷效果與易生物降解有機(jī)物有關(guān),并且磷的釋磷速率、釋放量與基質(zhì)類型有關(guān)[24].在厭氧的環(huán)境下,聚磷菌能夠直接吸收利用VFAs變成PHB,同時(shí)快速的釋放出磷酸鹽[25].而葡萄糖作為碳源時(shí),需要先轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸,才能被聚磷菌利用吸收,從而再釋放出磷酸鹽[26],并且許多中間的代謝產(chǎn)物,如醛類、醇類及一些有機(jī)酸等物質(zhì)不易被聚磷菌利用吸收合成PHB,降低了磷酸鹽的分解速度,從而影響磷酸鹽的去除[27].

2.4 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中BOD5去除效果的影響

在31 d試驗(yàn)期間,進(jìn)水平均CODCr/TN=2.57,改良型Carrousel氧化溝系統(tǒng)BOD5濃度變化如圖6所示.從圖6可知,進(jìn)水BOD5濃度9～30 mg/L,平均19 mg/L,出水BOD5濃度4～7 mg/L,平均5 mg/L,低于出水標(biāo)準(zhǔn)10.0 mg/L.BOD5去除率平均73.7%,略高于未投加乙酸前的平均處理效率73.3%,穩(wěn)定達(dá)標(biāo).這表明外加乙酸碳源對(duì)改良型Carrousel氧化溝生物降解該工業(yè)污水中的BOD5效果無(wú)不利影響.

圖6 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中BOD5去除效果Fig.6 Removal Effect of Added Acetic Acid Carbon Source on BOD5 in Industrial Sewage圖7 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中CODCr去除效果Fig.7 Removal Effect of Added Acetic Acid Carbon Source on CODCr in Industrial Sewage

2.5 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中CODCr去除效果的影響

在31 d試驗(yàn)期間,進(jìn)水平均CODCr/TN=2.57,改良型Carrousel氧化溝系統(tǒng)CODCr濃度變化如圖7所示.從圖7可知,進(jìn)水CODCr濃度47～138 mg/L,平均74 mg/L,出水CODCr濃度14～35 mg/L,平均25 mg/L,遠(yuǎn)低于出水標(biāo)準(zhǔn)50.0 mg/L.CODCr去除率平均66.2%,略高于未投加乙酸前的平均處理效率64.7%,穩(wěn)定達(dá)標(biāo).這表明外加乙酸碳源對(duì)改良型Carrousel氧化溝生物降解該工業(yè)污水中的CODCr效果也很好.

2.6 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中SS去除效果的影響

在31 d試驗(yàn)期間,進(jìn)水平均CODCr/TN=2.57,改良型Carrousel氧化溝系統(tǒng)SS濃度變化如圖8所示.從圖8可知,進(jìn)水SS濃度19～226 mg/L,平均88 mg/L,出水SS濃度2～6 mg/L,平均4 mg/L,遠(yuǎn)低于出水標(biāo)準(zhǔn)10.0 mg/L.SS去除率平均95.4%,略高于未投加乙酸前的平均處理效率93.3%.這表明改良型Carrousel氧化溝去除該工業(yè)污水中的SS效果理想.

圖8 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中SS去除效果Fig.8 Removal Effect of Added Acetic Acid Carbon Source on SS in Industrial Sewage圖9 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中pH變化效果Fig.9 Effect of adding acetic acid carbon source on pH change in industrial wastewater

2.7 外加乙酸碳源對(duì)工業(yè)污水中pH變化的影響

2.8 乙酸作為外加碳源反硝化脫氮的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2019年12月處理水量及碳源用量統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表2.乙酸價(jià)格按當(dāng)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格1 200元/t,以2019年12月處理水量及碳源用量計(jì)算,乙酸實(shí)際平均投加量為211.97 mg/L,這是因?yàn)檫M(jìn)水濃度波動(dòng)很大且C/N波動(dòng)也大,小試時(shí)初始濃度低故而投加量也小.投加成本為0.254元/t,以該廠現(xiàn)有處理單價(jià)2.60元/t,相對(duì)合理.投加乙酸碳源對(duì)改良型氧化溝工藝處理低碳氮比的工業(yè)污水具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性與優(yōu)勢(shì).

3 結(jié)論

本試驗(yàn)主要考察了改良型氧化溝處理低碳氮比實(shí)際工業(yè)廢水工藝中乙酸碳源對(duì)強(qiáng)化反硝化脫氮的影響,通過(guò)對(duì)外加乙酸碳源系統(tǒng)廢水中氨氮、TN、TP、CODCr和BOD5等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)對(duì)比分析,得出結(jié)論如下:

1)進(jìn)水氨氮平均濃度27.3 mg/L,出水氨氮平均濃度1.853 mg/L,遠(yuǎn)低于出水標(biāo)準(zhǔn)5.0 mg/L.氨氮平均去除率93.2%,略高于未投加乙酸前的平均處理效率88.3%,外加乙酸碳源對(duì)改良型Carrousel氧化溝生物去除該工業(yè)污水中的氨氮效果非常理想.

2)進(jìn)水總氮平均濃度28.8 mg/L,出水總氮平均濃度12.43 mg/L,低于出水標(biāo)準(zhǔn)15.0 mg/L.總氮平均去除率56.8%,遠(yuǎn)高于未投加乙酸前的平均處理效率28.04%,外加乙酸碳源對(duì)改良型Carrousel氧化溝強(qiáng)化生物脫除該工業(yè)污水中的總氮效果非常好.

3)進(jìn)水TP平均濃度1.501 mg/L,出水TP平均濃度0.227 mg/L,低于出水標(biāo)準(zhǔn)0.5 mg/L.TP平均去除率84.9%,高于未投加乙酸前的平均處理效率75.0%,外加乙酸碳源在滿足強(qiáng)化生物脫氮時(shí)還有利于污水中TP的去除.

4)BOD5、CODCr和SS平均去除率分別為73.7%、66.2%和95.4%,略高于未投加乙酸前的平均處理效率73.3%、64.7%和93.3%,穩(wěn)定達(dá)標(biāo).出水pH也穩(wěn)定達(dá)標(biāo),說(shuō)明外加乙酸碳源對(duì)改良型Carrousel氧化溝生物降解該工業(yè)污水中的BOD5、CODCr、SS和pH效果無(wú)不利影響.

綜上,采用間歇曝氣模式,氧化溝出口溶解氧2.0～3.0 mg/L,污泥濃度2 000～2 500 mg/L,污泥回流比80%～95%,其它按照污水廠日常運(yùn)行參數(shù)運(yùn)營(yíng),投加乙酸碳源對(duì)該工業(yè)污水處理廠改良型Carrousel氧化溝工藝出水總氮、氨氮、總磷、CODCr、BOD5、SS和pH等完全達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 19918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).低碳氮比的工業(yè)污水處理可以選用乙酸作碳源,乙酸實(shí)際合適的平均投加量為211.97 mg/L,投加成本為0.254元/t,投加乙酸碳源對(duì)該工業(yè)污水處理廠改良型Carrousel氧化溝強(qiáng)化生物去除總氮效果非常顯著,該工藝的穩(wěn)定運(yùn)行為低碳氮比的工業(yè)污水處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、提標(biāo)改造及廢水資源化提供了有益的參考和借鑒.