AEB反应器反硝化处理高浓度硝酸盐废水王珺

化工环保EnvironmentalProtectionofChemicalIndustryISSN1006-1878,CN11-2215/X《化工环保》网络首发论文题目：AEB反应器反硝化处理高浓度硝酸盐废水作者：王珺，程学文，张宾，莫馗收稿日期：2018-07-27网络首发日期：2018-12-27引用格式：王珺，程学文，张宾，莫馗．AEB反应器反硝化处理高浓度硝酸盐废水[J/OL]．化工环保.网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN2096-4188，CN11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。1AEB反应器反硝化处理高浓度硝酸盐废水王珺，程学文，张宾，莫馗（中国石化北京化工研究院环保所，北京100013）[摘要]采用缺氧膨胀床（AEB）反应器处理高浓度硝酸盐废水，研究了反应器的快速启动和挂膜特性，以及在反硝化连续流运行条件下对废水的处理效果。实验结果表明：采用自然挂膜方式，填料层从下至上生物膜厚度逐渐增加；AEB的快速启动8d可完成，COD去除率由44.9%升至92.3%，NO3--N去除率由39.8%升至98.4%；稳定运行阶段（进水COD4628~5548mg/L、ρ（NO3--N）1339~1505mg/L），COD去除率稳定在95%左右，NO3--N去除率稳定在98%~99%，COD和NO3--N的容积负荷去除量最高可达27.8kg/(m3•d)和7.3kg/(m3•d)。[关键词]缺氧膨胀床（AEB）反应器；高浓度硝酸盐废水；反硝化；废水处理[中图分类号]X703[文献标志码]ADenitrifyingtreatmentofhigh-nitratewastewaterbyAEBreactorWANGJun,CHENGXuewen,ZHANGBin,MOKui(EnvironmentalProtectionResearchInstitute,SinopecBeijingResearchInstituteofChemicalIndustry,Beijing100013,China)Abstract:Thehigh-nitratewastewaterwastreatedbyananoxicexpandedbed(AEB)reactorundercontinuousflowanddenitrifyingconditions,andthefaststart-upandbiofilmculturingpropertiesofreactoranditstreatmenteffectsforwastewaterwereinvestigated.Theexperimentalresultsshowedthat:Thebiofilmthicknesswasincreasedfrombottomtotopbynaturalbiofilmculturing;After8day’sfaststart-up,theremovalrateofCODandNO3--Nwasincreasedfrom44.9%to92.3%andfrom39.8%to98.4%,respectively;Duringthestableoperation,theremovalrateofCODandNO3--Nwaskeptat95%aboutand98%-99%,respectively,andthehighestremovalvolumeloadingofCODandNO3--Nwas27.8kg/(m3•d)and7.3kg/(m3•d),respectively,undertheconditionsofinfluentCOD4628-5548mg/Landρ(NO3--N)1339-1505mg/L.Keywords:anoxicexpandedbed(AEB)reactor;high-nitratewastewater;denitrification;wastewatertreatment随着我国水体富营养化问题的日趋严重以及污水排放标准的提升，氮的去除成为水处理领域关注的重点问题之一[1]。工业生产中含高浓度硝酸盐废水的排放，进一步导致氮自然循环的严重破坏[2-3]。硝酸盐可被还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐会造成高铁血红蛋白症[4]，甚至会诱发癌症，对人体造成危害。水中过高浓度的硝酸盐还可导致温室气体N2O的产生[5-6]。目前去除水中硝酸盐的方法主要有化学还原、反渗透、电渗析、离子交换、生物反硝化等[7-8]。化学还原法可分为活泼金属还原法和催化还原法。前者以铁、铝、锌等金属单质为还原剂，处理效果较差，且有亚硝酸盐生成；后者以氢气及甲酸、甲醇等为还原剂，一般需有催化剂存在，成本较高，且氢气应用过程中存在保障危险。反渗透、电渗析、离子交换等方法虽可有效去除水中的硝酸盐，但成本较高，且会产生大量废水。生物反硝化方法是目前已投入实用的较好方法，具有高效低耗的特点[9-12]。但传统的反硝化技术受废水浓度和负荷的限制难以处理高浓度硝酸盐废水[2]。缺氧膨胀床（AEB）反应器是一种新型的强化生物反硝化技术，是固体颗粒流态化技术在废水处理中[收稿日期]2018-07-27；[修订日期]2018-12-20。[作者简介]王珺（1983—），女，山西省太原市人，博士，高级工程师，电话[phone]，电邮[e-mail]。[基金项目]中国石油化工股份有限公司项目（G601-15-ZS-0228）。2018-12-2717:12:42的应用，其载体粒径小，比表面积大，具有较高的生物浓度。当载体粒子流化时，废水与微生物接触面积大，且二者相对运动速度大，减少了液膜传质阻力，故生物膜活性高，从而可在确保硝酸盐及总氮去除效果的同时，提高反应器处理负荷并有效降低运行维护费用。本研究采用AEB反应器处理高浓度硝酸盐废水，研究了反应器的快速启动和挂膜特性，以及在反硝化连续流运行条件下对硝酸盐废水的处理效果。1实验部分1.1材料、试剂和仪器实验用水为模拟废水，采用人工配水，由甲醇、硝酸钠、KH2PO4、尿素按一定比例配制，甲醇作为反硝化碳源，进水COD约为6000mg/L，ρ（NO3--N）约为1500mg/L，用NaOH调节pH为6左右。填料采用果壳填料（河南某净水材料公司），粒径2.5~3.0mm，堆密度0.850g/cm3，空隙率47%，密度1.604g/cm3。实验用试剂均为分析纯。METTLERSG-98型实验室pH计：瑞士METTLER公司；OlympusBX-53型显微镜：日本Olympus公司；UV-265型紫外-可见分光光度计：日本岛津仪器有限公司。1.2实验装置实验装置如图1所示。AEB：自制，主体部分为有机玻璃材质，有效容积5.6L，反应区内径6cm、高95cm，上部三相分离区内径15cm、高20cm，填料填充率为反应区的60%。反应器出水区顶部周边设置集水槽，集水槽侧壁安装溢流堰；在出水区上部侧壁设置与集水槽联通的出水口，出水区设置出水滤网，防止填料流失；在出水区下部侧壁设置排泥口，正常情况下，污泥随出水排出系统；通过夹套内热水循环调控反应区温度，以使其保持在适合反硝化反应的温度范围内。图1AEB实验装置示意图1.3实验方法废水通过进料泵由底部进入AEB，处理后出水从AEB上端出水口排出，部分出水通过循环泵回流至AEB使填料床层膨胀，其余出水排出系统。废水进入AEB运行1d后即有产气现象，随着废水进水量的逐渐增加（由5L/d增至10L/d），运行7d左右AEB内填料挂膜，同时填料床层内产生较多气泡，说明填料层较易挂膜。AEB在8d内完成快速启动，第9d进入稳定运行期。两天取1次进出水水样进行分析。1.4分析方法采用重铬酸钾法测定COD[13]211-213；采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定TN[13]255-257；采用酚二磺酸光度法测定ρ（NO3--N）[13]259-261；采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法测定ρ（NO2--N）[13]271-274。2结果与讨论32.1填料层的挂膜特性研究发现，当填料层膨胀率较低时易形成沟流[16]，它的产生使生物膜受到的剪切力增加；同时反应器床层中出现“流动死区”，该区域内载体生物膜上产生的气泡快速上升，气泡尾流引起膜与流体之间的相对速率增大，即摩擦力增大，存在传质阻力，导致混合性能不好，影响微生物生长。因此，将反应器初始膨胀率设为30%，反应区水流上升速率约70m/h。采用自然挂膜方式，反应器通入配水后，在有机物和营养盐的条件下填料表面逐渐挂膜。一周后，填料表面附着黄棕色生物膜。填料挂膜前后的显微镜照片如图2所示，图2a为未附着生物膜的裸露填料，图2b为包裹一层生物膜的填料颗粒。由于载体尺寸的不均匀或膜厚不同，导致反应器不同高度处颗粒的尺寸不同，这种现象称为“分级”。AEB内载体上附着的生物膜厚度由下向上逐渐增厚（由44μm增至240μm），微生物量逐渐增多，这是由于局部能量分散速率影响了附着生物膜载体颗粒与裸露载体颗粒之间的碰撞[17-18]。在反应器内：顶部的能量分散速率低，导致生物膜厚度增加；而底部较高的局部能量分散速率阻碍了微生物在裸露载体表面的黏附。反应器底部生物膜较慢的黏附速率和较快的磨损速率减小了生物膜厚度，而反应器顶部生物膜的较高生长速率和较慢的磨损速率则导致了生物膜厚度较大。图2填料挂膜前（a）后（b）的显微镜照片2.2COD的去除效果COD的去除效果见图3。由图3可见：AEB启动期（1~8d），进水COD在4928~5508mg/L范围内，出水COD由2776mg/L逐渐降至394mg/L，COD去除率快速上升，由44.9%升至92.3%；稳定运行阶段，进水COD在4628~5548mg/L范围内，COD去除率稳定在95%左右。启动初期（1~2d），AEB对COD去除率为44.9%~51.1%，一方面是生物膜异养菌所贡献，另一方面归功于填料的物理吸附作用。由于异养菌的繁殖速率较快，能快速形成生物膜，AEB中生物量较大，故COD的去除效果更稳定，去除率在启动阶段呈现出逐渐上升的趋势。3040506070809010001000200030004000500060007000051015202530354045COD/(mg•L-1)时间/d进水出水去除率COD去除率/%图3COD的去除效果2.3NO3--N的去除效果NO3--N