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味精废水深度脱氮处理
作者:佚名 文章来源:南京蓝污环保 点击数: 更新时间:2015-4-30
 

SBR 工艺是近年来应用较为广泛的污水处理工艺,与传统脱氮工艺相比处理流程简单,节省基建投资和能耗,具有较高的自控水平,同时具有同步硝化反硝化能力,因此倍受高氨氮废水处理行业的青睐。目前,同步硝化反硝化(SND)理论有两种解释〔1〕,微环境理论和微生物学理论。

基于微环境理论,本实验通过向传统SBR 反应器中投加一定比例的填料,使其作为微生物的凝聚核心,生成宽厚的生物膜,扩大SND 所需的微环境,延长硝化菌的停留时间。通过考察DO、碳氮比、设置厌氧段、pH 等因素,分析SBBR 脱氮机理。

1 实验部分
 
1.1 水质特征
 
味精的生产工艺流程为制淀粉、制糖、发酵、提取和精制。在味精生产过程中,产生的主要污染源是味精发酵废液,其大多都具有COD 高、BOD 高、菌体含量高、硫酸根含量高、氨氮含量高及pH (l.5~ 3.2)低“五高一低”的特点,一般可生化性较好。

1.2 实验装置
 
实验装置如图 1 所示。反应器由有机玻璃制成,长、宽、高分别为0.6、0.5、0.6 m,有效水深0.5 m,总容积180 L,有效容积150 L。反应器壁垂直方向不同高度设置排水口,用于取样和排水;在距离排水口 1/5 处设置隔离网,防止悬浮填料及截留的污泥在排水时随水流出;底部设置排泥管,用于排泥及放空;通过气泵及曝气砂头进行曝气,转子流量计控制曝气量。

 

图 1 SBBR 反应器装置   

1.3 分析方法
 
DO、pH 的测定分别采用YSI550A 便携式DO 仪和pHS-2C 测定仪。COD、SV30、NH4+-N、NO2--N、 NO3--N 、TN、MLSS 等的分析方法均参考《水和废水监测分析方法》〔2〕。

2 结果与分析
 
高氨氮废水处理过程中,氮素的转化有同化、氨化、硝化、反硝化4 种方式。其中,只有同化、反硝化可以将氮素从废水 中去除,氨化、硝化只是改变了氮素的存在形式,但硝化的程度决定了反硝化的进行。

2.1 SND 过程的实现与稳定
 
实验前50 个周期(瞬时进水,曝气8 h,沉淀1 h,排水0.5 h,闲置2.5 h)为挂膜阶段,期间进水COD 为959 ~1 390 mg/L,出水平均COD 255.49 mg/L;进水氨氮为104 ~199 mg/L,出水平均氨氮20.21 mg/L。由于进水氨氮波动较大,接种污泥没有成膜,抗冲击能力较差,导致出水氨氮较高且不稳定。出水亚硝态氮、硝态氮均较高,但随着反应的进行亚硝态氮逐渐下降,硝态氮逐渐升高,这说明硝化细菌活性得到不断提高,好氧硝化过程进一步得到完善加强。TN 去除率较低,均值为62.88%,说明反硝化程度较低,原因有两方面:(1)反硝化细菌活性较低。(2)生物膜尚在形成过程中,缺乏反硝化所需的厌氧环境。

经过50 个周期的挂膜,填料表面固着一层生物膜,增加了反应器内的生物量,更重要的是在SBBR 反应器中创造了好氧/厌氧环境,使SND 的实现成为可能。好氧阶段TN 去除情况如图 2 所示。

由图 2 可见,在好氧阶段TN 出现明显下降,从而证实SND 的存在,稳定运行50 个周期后TN 去除率可维持在70.00%以上。运行后期COD、氨氮去除率分别稳定在90.49%和94.36%以上,达到良好的处理效果。

 

图 2 好氧阶段TN 去除情况  

2.2 DO 与SND 的影响关系
 
首先,DO 应满足COD 和氨氮的降解需要;其次,DO 过大将影响微环境的氧扩散,且DO 与曝气量呈正相关,高DO 需大曝气量,导致能耗增加,同时气泡剪切力过大不利于生物膜的固着。文献〔3〕报道,低DO 是实现SND 的重要条件。生物膜表面主要为活性较高的好氧微生物,生物膜会增加DO 向内部扩散的阻力而形成厌氧区〔4〕。味精废水COD 处于1 000~1 200 mg/L,氨氮处于120~180 mg/L。降解 COD 的菌群以好氧异养菌为主。硝化过程菌群以亚硝酸菌(AOB)和硝酸菌(NOB)为主。文献〔5〕报道, AOB 的氧饱和常数为0.25~0.50 mg/L,NOB 的氧饱和常数为0.72~1.84 mg/L,且AOB 比NOB 对氧更有亲和性,保证充足的DO 才可使硝化过程进行彻底。不同DO 下COD、氨氮、TN 的去除率如表 1 所示。

表 1 不同DO 下COD、氨氮、TN 的去除率

DO/(mg·L -1 ) COD/(mg·L -1 ) COD 去除率/% 氨氮/(mg·L -1 ) 氨氮去除率/% 出水亚硝态氮/(mg·L -1 ) 出水硝态氮/(mg·L -1 ) TN/(mg·L -1 ) TN 去除率/%
进水 出水 进水 出水 进水 出水
1.0 1119.00 252.20 77.46 187.60 38.90 79.26 3.85 0.27 209.80 73.59 64.93
2.0 1196.00 185.00 84.53 177.00 19.20 89.15 23.60 10.10 201.35 68.14 66.16
3.0 1013.00 105.50 89.59 157.40 7.05 95.52 0.15 12.50 189.38 56.20 70.32
4.0 1352.70 86.70 93.59 109.00 5.03 95.39 0.05 13.70 173.73 40.53 76.67
5.0 1249.97 90.70 92.74 143.70 3.10 97.84 0.15 18.45 166.57 45.64 72.60

由表 1 可见,DO 变化对COD 的去除影响较小,随着DO 的增加COD 去除率升高,当DO>4.0 mg/L 后,去除率呈平缓趋势。DO 的变化对氮素的转化影响较大。当DO<2.0 mg/L 时,在低DO 工况下异养菌最大限度的利用溶解氧氧化有机物,导致液相中的 DO 处于很低水平,只能满足极少部分亚硝酸菌和硝酸菌的需求,故亚硝态氮和硝态氮很低,导致反硝化过程所需的电子受体(NO2-、NO3-)严重不足,即使反应器中存在缺氧及厌氧环境,出水TN 也很高。随着DO 的升高,氨氮的去除率有明显的升高。当DO> 3.0 mg/L 时,出水氨氮均低于10 mg/L,去除率维持在 95%以上,原因是液相中有足够的DO 满足亚硝酸菌和硝酸菌需求,同时生物膜为反硝化提供了厌氧微环境,故使出水TN 出现明显下降。但DO>4.0 mg/L 时生物膜内部DO 升高,破坏了厌氧微环境,故出水TN 反而回升。所以对于DO 的控制以满足好氧菌需求又不破坏生物膜厌氧微环境为宜。

2.3 碳氮比对脱氮的影响
 
不同浓度碳氮比情况下COD、氨氮、TN 的去除率如表 2 所示。

表 2 不同碳氮比下COD、氨氮、TN 的去除率

DO/ ( mg·L -1 )

COD/ ( mg·L -1 )

COD  去除率 /%

氨氮 / ( mg·L -1 )

氨氮去除率 /%

出水亚硝态氮 / ( mg·L -1 )

出水硝态氮 / ( mg·L -1 )

TN/ ( mg·L -1 )

TN  去除率 /%

进水

出水

进水

出水

进水

出水

1008.30

94.10

90.67

304.10

8.33

97.26

0.20

8.60

321.90

113.00

64.90

3

1017.41

104.56

89.72

160.60

5.40

96.64

0.25

0.93

200.50

62.08

69.04

5

1178.40

79.86

93.22

110.40

3.25

97.06

0.80

22.60

169.27

50.27

70.30

7

1363.00

142.28

89.56

130.24

4.65

96.42

1.56

15.18

140.32

41.39

70.50

10

由表 2 可见,碳氮比对COD 的降解影响较小,均维持在89%以上。氨氮的去除随着碳氮比的增加并没有出现上升,说明挂摸良好的SBBR 反应器对高氨氮有较高的抗冲击能力。TN 去除率随着碳氮比的增加出现明显的升高。

当碳氮比从3 提高到7,TN 去除率从64.90% 提高到70.30%,当碳氮比继续提高到10,TN 去除率只提高了0.2%,此时出水的亚硝态氮成倍增加。原因是碳氮比影响了微生物对营养物质的利用模式和反硝化的程度。废水中的硝化菌群大多为兼性化能异养型,在适合的DO 条件下,当碳氮比较低时,废水中有机营养物有限,硝化细菌以化能自养型生存,完成硝化过程,为反硝化提供了电子受体;但此时废水中可作为电子供体的有机物含量已很低,故 TN 去除率不高。随着碳氮比的增加,既可以保证硝化细菌的化能自养型又可以提供电子供体,使TN 去除率提高到70.30%。若继续提高碳氮比,将导致废水中有机营养相对富余,部分硝化细菌为获得较多的能量而采取化能异养型,阻碍了硝化过程的进行,进而对反硝化产生抑制作用。

2.4 厌氧阶段对脱氮的影响
 
本实验阶段为进水后先厌氧静置90 min,然后进行曝气。20 个周期的对比脱氮效果如图 3 所示。由图 3 可见,增加了厌氧阶段后,对COD、氨氮的去除效果影响不大。TN 平均去除率从68.13%提高到75.82%。这是因为:(1)厌氧段的设置导致了反硝化碳源种类和数量的变化。无厌氧段的SND 反硝化过程的碳源主要为好氧初期吸附的有机质,为外碳源;而增加厌氧段,某些兼性细菌可以将废水中的易降解有机质转化为胞内贮藏物(如PHB)储存起来,作为SND 过程反硝化的内碳源。(2)为前一周期由于碳源不足而未完成反硝化的剩余NO2-、NO3-提供外碳源,是对前一周期SND 过程的有益补充。

 

图 3 设置厌氧段对COD、氨氮、TN 去除效果的影响  

2.5 典型周期内各污染物去除情况
 
SBBR 内COD、各氮素变化情况如图 4 所示。

 

图 4 SBBR 内COD、各氮素浓度变化情况  

由图 4 可见,COD、氨氮、TN 具有一致的下降趋势,反映出COD 降解与SND 过程有着紧密的联系。 COD 的去除有两个途径:(1)作为营养物质参与好氧异养菌的新陈代谢。(2)作为SND 反硝化过程的碳源。反应开始的1 h 内COD、氨氮、TN 的大幅去除主要归功于生物膜的吸附截留作用〔6〕。 图 4 中,亚硝态氮始终在很低水平,反映出本实验主要为全程SND 过程,非亚硝酸型SND 过程。在 4、5 h 处,亚硝态氮少量积累,达到6.5 mg/L,之后又大幅减少。原因是AOB 的氧饱和常数较NOB 更低,更易利用DO,随着DO 的增加,NOB 活性得到增强,故会出现亚硝态氮的暂时富集现象。 SBBR 内DO、pH 变化情况如图 5 所示。

 

图 5 SBBR 内DO、pH 变化情况  

由图 5 可见,前3 h 内DO 主要被好氧异养菌用于COD 的降解,之后DO 主要用于硝化过程。由于AOB 和NOB 的氧饱和常数较低,氧气消耗量小于供给量,所以从4 h 开始DO 成上升趋势,直到硝化过程结束,DO 最后达到3.30 mg/L。

前3 h 硝态氮浓度几乎为零,TN 去除率仅为 35.80%,说明反硝化程度低,原因是硝化过程受阻,反硝化的电子受体NO3-严重匮乏,反映出在SND 过程的前期,硝化程度是反硝化的控制因素;7 h 后TN 曲线趋于平缓,原因是反硝化的碳源不足,虽然此时 COD 在100 mg/L 左右,但大多是难降解的有机质,此时碳源成为SND 末期的制约因素。

系统COD 降解过程中,好氧菌的好氧呼吸氧化磷酸化过程不断吸收H+〔7〕,呼吸作用产生的CO2 被曝气作用不断吹脱,使pH 上升;随着反应的进行 SND 过程的出现使系统产酸。硝化反应:

反硝化反应:

本实验为全程SND 过程,以式(1)、(2)、(4)为主,COD 降解过程与SND 过程综合作用使pH 在动态中和变化中趋于碱性。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

3 结论
 
(1)在传统SBR 反应器中投加填料,在其表面形成生物膜以使世代时间较长的硝酸菌得以固着繁殖,提高系统的生物量。

(2)成功挂摸后会实现全程SND 过程,较传统 SBR 工艺增强了反硝化作用,获得较高的生物脱氮效果,稳定运行后TN 去除率70.0%左右,最高可达 75.82%。

(3)DO 是实现SND 的关键因素,对于DO 的控制以满足好氧菌(好氧异养菌和硝化菌)需求又不破坏生物膜厌氧微环境为宜,本实验取3.3 mg/L。(4)SND 的反硝化过程是脱氮的关键,其制约因素有3 个:厌氧环境,由具有一定厚度的生物膜提供;电子受体NO3-,由硝化过程提供;碳源,由反应初期的有机质提供。

(5)设置了前置厌氧段,丰富了反硝化碳源的种类和数量,有助于提高系统的生物脱氮效果。

 

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