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印染废水处理厂二级出水脱氮工艺

发布时间:2017-8-9 9:22:45  中国污水处理工程网

  随着我国工农业的快速发展,大量氮、磷等营养物质排放到水体中,造成水体富营养化逐年加重 ,对生态环境和人类健康造成了很大危害。如何高效经济地降低废水中氮磷的含量,尤其是氮,已成为水处理领域的一项紧迫任务 。但在处理低C / N 污水的实际工程中,传统异养反硝化工艺通常需要外加碳源(如甲醇),造成处理成本升高以及二次污染等问题。与传统异养脱氮方式相比,自养反硝化工艺具有无需外加碳源、运行成本低以及污泥产量少等优点而逐渐在生物脱氮研究领域受到关注。目前,国内外研究较多的是硫/ 石灰石自养反硝化(sulfur/ limestone autotrophic denitrification,SLAD)系统,已有学者利用SLAD 系统处理人工模拟废水,并探究了硫自养反硝化的反应机制以及HRT、温度、pH 及进水负荷等因素对脱氮效果的影响。

  硫自养反硝化系统的研究对象大多为实验室人工模拟低C / N 城市生活污水或受硝酸盐污染的地下水,而对于实际工业废水的脱氮研究还鲜有报道。本研究以祝塘污水处理厂(进水80% 为印染纺织废水)二级出水为原水,采用以硫/ 白云石为填料的硫自养反硝化固定床反应器,利用印染废水碱度较高的特点 ,在不加任何预处理的条件下对祝塘污水处理厂二级出水进行自养反硝化强化脱氮研究,考察不同污泥接种方式、HRT、温度(随季节变化)及进水负荷对该系统脱氮效果的影响,以期为硫自养反硝化系统的工程化应用提供科学依据,同时为污水处理厂的升级改造提供技术储备。

  1 实验部分

  1. 1 实验装置

  本研究采用硫/ 白云石固定床反应器,实验装置如图1 所示。反应器为有机玻璃柱,内径140 mm、高1 000 mm、填装高度500 mm,有效容积约9 L。将硫磺与白云石按质量比1 ∶ 1 混合均匀后装填入反应器中,填料平均粒径为5 ~ 8 mm,孔隙率为43. 5% 。反应器运行方式采取上流式并定期对装置进行反冲洗(方式同进水),装置上部设有排气口,出水口高度为0. 6 m。

  1. 2 实验用水及污泥接种

  本实验用水为祝塘污水处理厂二级出水,各主要水质指标如下:TN 7 ~ 20 mg·L - 1 ,NH4+ -N 0. 5 ~3. 0 mg·L - 1 ,COD 100 ~ 200 mg·L - 1 ,TP 0. 5 ~ 2. 5 mg·L - 1 ,pH 7. 5 ~ 8. 6。进水有碳源存在的情况下,反应器出水COD 仅略有降低,表明反应器内微生物以自养反硝化为主,异养反硝化作用较弱。李璟等做过相关研究。原水经潜水泵由二沉池打入贮水桶内,DO 为1 ~ 3 mg·L - 1 ,原水不做任何预处理直接由蠕动泵打入硫自养反硝化固定床反应器内。

  实验共设置3 组反应器,分别编号为R1、R2 和R3,其中R1 不接种污泥,R2 和R3 分别接种厌氧污泥和回流污泥,接种污泥取自祝塘污水处理厂厌氧池及回流污泥泵出泥管,R2、R3 反应器均按2 000 mgMLSS·L - 1 的污泥量进行接种。

  1. 3 实验方法

  实验装置在室外连续运行200 余天,进水温度随季节而变化(5—12 月),范围在10 ~ 40 ℃ 。反应器启动阶段,HRT 设定为1 h,考察不同污泥接种方式对反应器启动时间的影响。反应器成功启动并稳定运行一段时间后,通过改变系统的HRT,考察对比在不同温度和进水负荷下反应器脱氮效果。

  1. 4 分析项目及方法

  反应器连续运行期间对装置进、出水的主要水质指标进行测定,其中TN、NO3- -N、NO2- -N 及SO4^2-均按《水和废水监测分析方法》 测定,温度为pH为现场测定。具体分析项目及方法列于表1。

表1 分析项目及方法

  2 结果与分析

  2. 1 反应器启动及稳定运行

  2015 年5 月15 日启动3 组装置,HRT 设定为1 h,以祝塘污水处理厂二级出水为实验用水,考察不同污泥接种方式对反应器启动时间的影响。当TN 去除率稳定在50% 以上,且出水TN 低于5 mg·L - 1 时,表明反应器启动成功,随后进入稳定运行阶段,结果如图2。

  2. 1. 1 TN/ NO3- -N 去除效果

  由图2 可知,装置启动初期3 套反应器TN 去除率均较低,但R1 < R2 < R3(分别为6. 9% 、12. 9% 和23. 4% ),接种回流污泥的反应器去除率最高,未接种污泥的反应器去除率最低。运行至第3 天,反应器TN 去除率均迅速升至60% 以上(分别为63. 7% 、64. 9% 和65. 4% ),且出水TN 小于5 mg·L - 1 ;同时出水中NO3- -N 浓度在3 d 内从8 mg·L - 1 降至小于3 mg·L - 1 。此后出水TN 和NO3- -N 浓度趋于稳定,表明反应器启动成功,进入稳定运行阶段。

  从第4 ~ 74 d,尽管进水TN 浓度波动较大,但3 套反应器TN 去除率均较高(分别为55. 7% 、55. 4% 和54. 7% ),出水TN 较稳定(均值< 5 mg·L - 1 ),表明反应器具有一定的抗冲击负荷能力。然而从第75 ~79 d,由于装置长时间连续运行,填料表面生物膜逐渐增厚,降低了NO3- -N 从液相向硫磺表面传质的速率,导致TN 去除率下降,出水TN 最高约8 mg·L - 1 ,出水NO3- -N 最高约5 mg·L - 1 。在第80 天对反应器进行反冲洗,TN 去除率迅速升高。

  2. 1. 2 NO2- -N 积累情况

  图3 为反应器NO2- -N 的积累情况。运行初期反应器进水NO2- -N 浓度较低,出水NO2- -N 浓度均小于0. 1 mg·L - 1 ,无NO2- -N 积累。然而从第73 天开始,由于夏季气温异常升高(好氧池水温达到40℃ ),污水处理厂生化系统硝化效果变差,导致反应器进水中NO2- -N 大量积累。但3 套反应器出水中NO2- -N 浓度仍维持在较低的水平,表明反应器对NO2- -N 的去除效果较好。

  2. 1. 3 pH 变化情况

  图4 为反应器进出水pH 的变化情况。硫自养反硝化过程会产生大量的H + ,造成反应器出水pH大幅降低,抑制自养反硝化细菌的活性,从而降低反硝化速率。本实验利用印染废水碱度较高的特点以及反应过程中白云石不断溶解以缓冲pH 的降低,结果表明,当进水pH 在7. 9 ~ 8. 6 之间,装置出水pH 范围在7. 3 ~ 8. 4 之间,仅比进水略有降低,脱氮效果较好。CLAUS 等的研究也表明自养反硝化工艺适宜的pH 范围为7. 5 ~ 8. 0。

  2. 1. 4 SO4^2- 变化情况

  硫自养反硝化是将NO3- -N 还原为氮气,单质硫氧化为硫酸盐的过程,所以NO3- -N 的去除必将伴随硫酸盐的生成,总反应式为:

  55S + 50NO3- + 38H2 O + 20CO2 + 4NH4+ →4C5 H7 O2 N + 25N2 + 55SO4^2- + 64H +                          (1)

  理论上,每消耗1 mg·L - 1 NO3- -N 将生成7. 54mg·L - 1 的SO4^2- ,但反应器内部微生物群落结构复杂且反应体系并非单一的化学反应,所以对SO4^2- /NO3- -N 的比值均会产生一定的影响。图5 所示的是R1 反应器SO4^2- 增加量的变化。由图5 可以看出,SO4^2- 的实际增加量随进水NO3- -N 浓度的变化而波动,与理论SO4^2- 增加量有一定差异,但总体相差不大。

  综上可知,硫自养反硝化固定床反应器在3 d 内即可完成快速启动,无需长时间的污泥驯化,且不同的污泥接种方式对反应器启动时间影响不大,故在实际工程中可不接种污泥,以降低操作难度及成本。装置稳定运行阶段脱氮效果较好,无NO2- -N 积累,出水pH 保持在中性范围,SO4^2- 实际增加量与理论值相差不大。

  2. 2 HRT 对脱氮效果的影响

  反应器稳定运行一段时间后,暂停R2、R3 反应器,仅保留R1 反应器继续运行(下同),考察不同HRT、温度及进水负荷对系统脱氮效果的影响。

  图6 为HRT 对反应器脱氮效果的影响,运行期间进水TN 为5. 5 ~ 15. 5 mg·L - 1 ,进水温度为20 ~35 ℃ ,pH 为7. 8 ~ 8. 4。由图6 可知,随着HRT 持续缩短,系统的脱氮效果逐渐变差。当HRT 最低降至15 min时,反应器对TN 的去除率仅为26. 2% ,主要原因是当进水流量加大后水流上升速度变快,加之反硝化过程产生大量氮气,造成污泥上浮,导致出水水质变差。李天昕等研究认为当HRT 过短时,NO2- -N 反硝化为N2 的反应时间不足,会导致反硝化不能完全进行,脱氮效果变差。当HRT 分别为20、30和45 min 时,反应器均能取得良好的脱氮效果,TN 去除率分别为40. 2% 、40. 3% 和47. 1% 。只是随着水力负荷的提高,需加大对装置的反冲洗频率。

  如图6 所示,当HRT 为30 min 时,反应器连续运行约20 d 后需进行反冲洗,而当HRT 进一步缩短至20min 时,反应器连续运行约10 d 后就需进行反冲洗(每次HRT 改变时均进行一次反冲洗),但反冲洗后TN去除率明显升高。这表明当反应器连续运行一段时间后,随着水力负荷不断提高,传质速率成为影响脱氮效果的制约因素,需定期对装置进行反冲洗。

  综上分析,硫自养反硝化固定床反应器的最佳水力停留时间为20 min,此时TN 的平均去除率为40. 2% ,去除速率达到14. 1 mg·(L·h) - 1 。

  2. 3 温度对脱氮效果的影响

  实验过程中,反应器置于室外连续运行,进水温度随季节的变化而变化。当进水TN 为(11. 6 ± 1. 9)mg·L - 1 ,HRT 为20 min,pH 为8. 0 ~ 8. 5 时,选取10—12 月部分运行数据(期间进水温度从32 ℃ 逐渐降低到13 ℃ ),考察温度对系统脱氮效果的影响。图7 为不同温度条件下反应器TN 去除率的拟合曲线。

  结果表明,随着温度的不断降低,硫自养反硝化系统的TN 去除率呈现逐渐降低的趋势。当温度在25 ~ 30 ℃ 之间时,反应器脱氮效果较好,TN 平均去除率为43. 8% ,出水TN 平均浓度为(6. 4 ± 1. 5) mg·L - 1 ;而当温度在13 ~ 20 ℃ 之间时,反应器TN 平均去除率仅为17. 9% ,出水TN 平均浓度为(8. 8 ±2. 4)mg·L - 1 ,原因可能是较低的温度抑制了自养反硝化细菌的反硝化速率,导致脱氮效果变差。牛建敏等 的研究表明在20 ~ 35 ℃ 的温度范围内,硫自养反硝化菌的脱氮效率随着温度的升高而有所提高。此外,袁玉玲等的研究也表明在温度相差25 ℃ 左右的8—12 月份间,自养脱氮硫杆菌的TN 去除率降低了40% 以上,与本实验的研究结果较为接近。

  2. 4 进水负荷对脱氮效果的影响

  当HRT 为20 min,进水温度为13 ~ 20 ℃ ,进水pH 为8. 0 ~ 8. 5 时,通过向进水中添加KNO3 改变TN的浓度,共分为阶段1 和阶段2 两个阶段,考察系统在不同进水负荷下的脱氮效果,结果如图8 所示。

  由图8 可知,阶段1 进水TN 负荷为(0. 86 ± 0. 16)kg·(m3 ·d) - 1 ,TN 平均去除率较低仅为26. 7% ,出水TN 平均浓度为8. 8 mg·L - 1 ,出水NO2- -N 平均浓度为0. 2 mg·L - 1 ,积累现象不明显。通过向进水中投加KNO3 ,使阶段2 进水TN 负荷达到(1. 37 ± 0. 15)kg·(m3 ·d) - 1 ,但起初随着进水负荷的突然增加,反应器对TN 的去除率并未大幅升高,当自养反硝化细菌经过3 d 左右的适应期后,反应器对TN 的去除率快速升高至44. 3% 。后期受低温(13 ~ 15 ℃ )的影响TN 去除率略有下降,阶段2 TN 平均去除率为37. 1% ,仍明显高于阶段1,而阶段2 出水TN 平均浓度为12. 0 mg·L - 1 ,略高于阶段1。此外,阶段2 出水中NO2- -N 存在一定程度的积累,出水NO2- -N 的平均浓度为0. 4 mg·L - 1 ,后期受低温以及进水NO2- -N 浓度的影响,出水NO2- -N 浓度达到1. 0 mg·L - 1 左右。两个阶段出水TN 平均浓度为10. 4 mg·L - 1 ,均满足太湖流域城镇污水处理厂污染物排放标准中的Ⅱ类标准(TN < 15 mg·L - 1 ),表明硫自养反硝化固定床反应器即使在冬季气温较低的条件下,仍具有较好的脱氮效果和较强的抗冲击负荷能力。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。

  3 结论

  1)采用硫/ 白云石固定床反应器处理印染废水处理厂二级出水,反应器在3 d 内启动成功,污泥接种方式对反应器启动时间影响较小,可不接种污泥。装置稳定运行期间,反应器出水pH 稳定在7. 3 ~ 8. 4之间,无NO2- -N 积累,SO4^2- 实际增加量与理论值相差不大。

  2)反应器最佳水力停留时间为20 min,TN 去除速率达到14. 1 mg·(L·h) - 1 。随着HRT 的缩短,传质速率成为影响脱氮效果的制约因素,需对装置进行反冲洗但频率加快。

  3)温度对反应器脱氮效果影响较大,温度在25 ~ 30 ℃ 之间,TN 平均去除率为43. 8% ;温度在13 ~20 ℃ 之间,TN 平均去除率仅为17. 9% 。低温抑制了自养反硝化细菌的反硝化速率。

  4)进水TN 负荷为(0. 86 ± 0. 16) kg·(m3 ·d) - 1 ,TN 平均去除率较低仅为26. 7% ;当进水负荷为(1. 37 ± 0. 15)kg·(m3 ·d) - 1 时,TN 平均去除率为37. 1% 。反应器在低温条件下仍具有较强的抗冲击负荷能力。

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