李英玲,向 坤
(萬華化學(寧波)有限公司,寧波 815312)
廢水系統(tǒng)中的氮元素主要以有機氮、氨氮、硝態(tài)氮的形式存在,而氮元素是微生物、植物、動物生長的必需元素,是合成蛋白質(zhì)最基本的構成組分,被稱作營養(yǎng)素。當過量的氮元素排入受納水體時,會造成藻類等的加速生長。隨著國家對水體環(huán)境要求的逐步提升,人們對于外排廢水的總氮控制進一步加強。自2017年7月1日起,寧波某工業(yè)園外排氨氮指標要求從35 mg/L調(diào)整為5 mg/L,原指標對總氮無要求,提標后,要求外排總氮降低至40 mg/L。工業(yè)園現(xiàn)有一套廢水處理系統(tǒng),該廢水處理系統(tǒng)處理后氨氮濃度小于5 mg/L,總氮濃度小于80 mg/L,廢水系統(tǒng)產(chǎn)水送往中水回用系統(tǒng)處理、回用。在中水回用系統(tǒng)反滲透裝置的作用下,產(chǎn)生的反滲透濃水氨氮提升至5 mg/L,總氮提升至120 mg/L,無法滿足外排要求?,F(xiàn)階段含氮廢水的處理方式主要有生物法、化學法、物理法,基于經(jīng)濟性和處理效果的考慮,采用生物法降低外排反滲透濃水中的氮含量。
生物脫氮主要通過硝化作用和反硝化作用實現(xiàn)[1]。
硝化作用是在微生物的作用下將氨氮(NH4-N)氧化為亞硝酸鹽氮(NO2-N),亞硝酸根進一步被氧化為硝酸鹽氮(NO3-N)的過程,這一過程可以用式(1)~式(3)表示。
亞硝化菌:
硝化菌:
總氧化反應:
硝化過程中所涉及的細菌通常都是自養(yǎng)菌,其
圖1 生物脫氮過程中氮的轉化
根據(jù)式(4),每氧化1 g氨氮需要消耗7.14 g堿度和4.33 g氧氣。
反硝化作用是在缺氧條件、微生物的作用下將亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮還原成氣態(tài)氮(N2)的過程,這一過程可以用式(5)和式(6)表示。
對于硝酸鹽:
對于亞硝化鹽:
式(5)和式(6)中電子的供體為有機物,為微生物提供能量并被氧化穩(wěn)定。根據(jù)一般規(guī)則估算,每還原1g硝酸根需要4 g BOD。
在實驗室條件下,利用反硝化工藝對反滲透濃水進行試驗處理,因反滲透濃水生化性較差,其主要表現(xiàn)為COD較高而BOD較低,BOD/COD低,以取樣結果計算,其BOD/COD小于0.1,為保證在反硝化過程中有足夠的有機物電子供體,以工業(yè)園副產(chǎn)甲醇作為其有機物來源。試驗進水水質(zhì)情況如表1所示。
從水質(zhì)情況看,總氮主要來源為硝酸根,實驗室中調(diào)整BOD5/TN在3~5,同時控制進水pH在7~8,溫度25~35℃,溶解氧含量小于0.5 mg/L,利用現(xiàn)有生化系統(tǒng)污泥進行馴化,馴化4 d后,厭氧污泥即可快速進行反硝化反應,在碳源足夠的情況下,TN去除率可以達到97%,試驗結果如表2所示。
表1 試驗進水水質(zhì)
表2 試驗結果
根據(jù)試驗結果,選取前置反硝化工藝對反滲透濃水中的總氮進行去除,以MBR膜取代二沉池實現(xiàn)泥水分離,以工業(yè)園副產(chǎn)甲醇作為反硝化階段有機碳源,設計工藝流程如圖2所示[2]。
圖2 設計工藝流程
生物脫氮系統(tǒng)的設計按照缺氧/好氧系統(tǒng)設計方法,其基本原則為根據(jù)廢水流量和特性計算好氧區(qū)硝化過程,進而計算出混合液濃度,根據(jù)缺氧區(qū)總的硝酸鹽濃度計算內(nèi)回流比,選定缺氧池容積及布置,然后進行缺氧區(qū)計算驗證,確定合理的缺氧池設計結果,進而對好氧區(qū)需氧量、堿度等進行計算,最終確定生物脫氮系統(tǒng)設計,具體計算流程如圖3所示[3]。
圖3 生物脫氮系統(tǒng)設計計算流程
此次設計進水流量150 m3/h,調(diào)整后進水COD為1 200 mg/L,進水硝酸鹽濃度150 mg/L,進水氨氮濃度10 mg/L。設計出水COD為60 mg/L,出水硝酸鹽濃度30 mg/L,出水氨氮濃度小于5 mg/L。
根據(jù)現(xiàn)場空間及設計計算結果,設計選定各構筑物及工藝情況如下:儲水池800 m3,缺氧池1 500 m3,好氧池1300 m3,膜池80 m3[4]。
設計內(nèi)回流比IR=4,設計污泥齡70 d,在30℃時,日處理總氮可達690 kg。
MBR膜選用某品牌的中空纖維膜組件。
由于本系統(tǒng)主要考慮來水中硝酸鹽的去處,因此運行過程中主要關注反硝化系統(tǒng)的控制條件。
有機碳源是微生物生長和繁殖所需能量的主要來源,同時根據(jù)反硝化過程的作用機理,有機碳源作為反硝化過程的電子供體,對于反硝化過程具有至關重要的作用。一般認為當BOD/TN≥4時,可以達到理想的脫氮目的,當廢水中BOD/TN<3時,需要額外投加碳源[5]。本系統(tǒng)采用副產(chǎn)甲醇作為額外補充碳源,通過DCS系統(tǒng),根據(jù)進水BOD、TN檢測值,自動計算甲醇加入量,根據(jù)甲醇泵出口流量計,通過變頻器自動調(diào)節(jié)甲醇加入量,確保系統(tǒng)碳源穩(wěn)定供應。
反硝化細菌屬于兼性細菌,需保證反硝化過程在缺氧條件下進行,即DO保持在0.5 mg/L以下。本系統(tǒng)中采用在線氧化還原電位(ORP)檢測儀監(jiān)控系統(tǒng)反硝化效果和缺氧系統(tǒng)是否存在過量溶解氧,控制缺氧池內(nèi)ORP小于-250 mV,可以確保系統(tǒng)具有優(yōu)異的反硝化性能。
在反硝化脫氮反應中會產(chǎn)生堿度,pH值一般總是升高的,與硝化有機體相反,pH值的變化對脫氮反應的影響較小。一般情況下,當pH值在7~8時,脫氮效率不受顯著影響。當pH低于6.0~6.5時,最終產(chǎn)物中N2O占優(yōu)勢,當pH大于8時,會出現(xiàn)NO2
-的積累。為控制生化系統(tǒng)的pH,確保生化反應在適宜的pH范圍內(nèi)進行,在好氧段設置有在線pH計,信號引入DCS系統(tǒng)中,在好氧段入口設置pH調(diào)節(jié)系統(tǒng),通過加入酸、堿調(diào)節(jié)好氧段pH在7.5~8.0,酸堿加藥管線上設置調(diào)節(jié)閥,加入量根據(jù)pH顯示值分段自動調(diào)整。
溫度對于脫氮處理工藝具有較為顯著的影響,對于反硝化過程,最適宜的溫度為20~35℃,當溫度低于15℃時,反硝化速率明顯下降,當溫度低于5℃時,雖然反硝化反應能夠進行,但是速率極低。
圖4 pH對反硝化速率的影響
通過對目前反滲透濃水水質(zhì)的分析,與提標后的排放指標進行對標,差距主要存在于硝態(tài)氮的脫出。根據(jù)實驗室研究、試驗,利用生化法的反硝化可以對硝態(tài)氮有良好的脫除作用。根據(jù)設計計算,利用外加副產(chǎn)甲醇作為有機碳源,將BOD/TN調(diào)整為4,并嚴格控制缺氧段ORP、pH、溫度等條件,可以將來水中的總氮脫除至40 mg/L,硝酸鹽的脫除率可以達到95%。