IMC工艺和高效射流曝气器在高氨氮废水处理中的应用及节能效果分析褚士军

水污染治理节能技术交流展示会E泪晒晰on胡dse而anronnE。叨sa,口gofP伪c石cal毛沈加OIlogyforaw姗oPU叫叫g匹空丝IcM工艺和高效射流曝气器在高氨氮废水处理中的应用及节能效果分析褚士军,邹俊峰(宜兴市荣盛达环保有限公司)月lj胃水的富营养化是我国环境面临的主要污染之一,水体的富营养化是一种氮、磷等植物营养物质含量超出水体自净能力而引起的水质污染现象,其中氮是造成我国水体富营养化的主要污染因子之一。大量工业废水和生活污水夹杂着氮污染。生活污水中氮的污染较轻、处理难度低、处理率高,在我国己基本得到有效治理或控制。工业废水中氮污染比较严重,特别是煤化工行业(包括煤的气化、液化、干馏,以及焦油加工和电石乙炔化工等)、合成氨工业、屠宰养殖业、垃圾填埋场等,废水中氮污染的绝对浓度高,处理难度大。因资金、技术等因素制约,此类废水超排的情况时有发生。要解决我国水体的富营养化污染首先需要从这些行业着手。因能源危机和石油价格上涨,近年来代表新能源领域的煤气化工业在我国发展迅猛,但由于所排废水的氮污染十分严重,达标处理难度极高,在部分地区煤化工项目因环保原因而招到否决。我国缺油富煤,为保障能源安全,煤的气化是大势所趋,因此如何合理解决煤气化高氨氮废水的达标排放或回用问题显的尤为重要。本公司长期从事高氨氮有机废水的处理,对高氨氮废水具有丰富的治理经验,特别是近年来在煤气化工艺废水的处理领域,拥有独到的处理技术,为大量煤化工企业解决了废水达标排放问题和废水回收利用问题。2高氨氮废水的常规处理技术2.1国内外处理高氨氮废水的常用技术国内外处理氨氮废水的技术基本处于同等水平,低浓度氨氮废水(氨氮成,00mg/)L主要采用川O生物脱氮工艺,对于高浓度氨氮废水(氨氮),00mgl)L,则处理技术较多,主要有折点氯化法、吹脱法、晶析法等物化工艺和以川O法、生物滤池法、SBR法等为代表的生化工艺。2.1.1物化除氨氮工艺·折点氯化法折点氛化法是利用氯的强氧化性,将氨氮氧化成硝酸盐,其特点是:①折点氛化法是直接法,氨氮转化速度快,系统建设费用低;②折点抓化法只是转变氮的形态,总氮未变,因此未从根本上消除氮污染;③折点氧化法达到折点状态的控制要求很高,难以掌握;④折点氛化法处理后余氛含量较高、需要进行除氯处理;l3褚士军等:1MC工艺和高效射流曝气器在高氛氮废水处理中的应用及节能效果分析⑤氨氮浓度高时采用一步折点氯化法无法保证达到排放标准。·吹脱法吹脱法是利用空气扩散机理,在一定条件下使废水中的氨氮扩散进入大气或吸收回用,从而消除氮污染,其特点是:①统建设费用低;②造成氨氮的二次污染问题;③适用范围较窄,寒冷地区吹脱塔易结冰;④运行费用较高,要达到较好的效果需要合适的温度和PH值;⑥处理程度低,出水氨氮通常仍高达ZO0mgL/以上,不能实现达标排放。·晶析法晶析法是通过化学药品与氨氮反应结晶,从而从废水中分离出氨氮,其特点是:①属于直接法,反应速度快,系统简单,建设费用低;②适用于超高浓度氨氮(氨氮)10Om0gL/)废水的处理;③处理程度低,出水氨氮不能实现达标排放。从以上物化方法的特点来看,基本都不能直接实现达标排放,故目前氨氮的物化处理方法基本只作预处理使用。2.1.2生化脱氮工艺生化脱氮是目前国内外处理氨氮废水的主要工艺,传统A0/法、生物滤池法、SBR法等生化脱氮原理均基于硝化与反硝化原理(A0/原理)。硝化与反硝化原理:在未经处理的废水中,含氮化合物主要是以有机氮如蛋白质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在,此外也含有少量的氨态氮如NH。及NH+;等。在氨化菌的作用下,有机氮化合物分解,转化为氨态氮,以氨基酸为例,其反应式为:RCHNHZC00H+02~RC00H+C压+NH3在活性污泥系统内是比较容易完成氨化反应的。在硝化菌作用下,氨态氮进一步分解、氧化,就此分两个阶段,首先在亚硝化菌作用下,氨·(NH;)转化为亚硝酸盐氮,反应式为:NH4`+3/202一N02一+H20+ZH`一△F(△F二278.42kJ)继之,亚硝酸氮(NOZ一N)在硝化菌作用下,进一步转化为硝态氮,其反应式为:N02一+1/202~NO3一△F(△F二72.27kJ)硝化的总反应式为:NH4`+202一N03一+跳0+ZH`一△F(△F=351kJ)从上式可见,g1氨氮氧化成硝态氮需氧4.579,其中亚硝化反应需氧3.439,硝化反应需氧1.149。在反应过程中还消耗水中的重碳酸盐碱度,约为7.14薛aC氏/gNH;一N。反硝化反应是指硝态氮(N03一N)和亚硝酸盐氮(N02一N)在反硝化菌作用下,被还原为气态氮(NZ)的过程。反硝化菌属异养型兼性厌氧菌,在厌氧条件下,以NO3一N为电子受体,以有机碳为电子供体。在反硝化菌的代谢活动下,N03一N有两个转化途径,即:同步反硝化(合成),最终产物为有机氮化合物,成为菌体的组成部分;异步反硝化(分解),最终产物为气态氮。一般以后者为主。通过以上硝化和反硝化作用,最终达到去除废水中有机氮化合物和氨氮的目的。根据硝化和反硝化脱氮原理设计的废水生物净化脱氮工艺人们常称为A0/工艺。l4褚士军等:IMC工艺和高效射流眼气器在高孰氮度水处理中的应用及节能效果分析·A/0法现在所指的A/O工艺其特征是缺氧与好氧为不同空间的串联反应器(空间分隔),通常缺氧池设置在好氧池前。其工艺过程如图1:从流程可知:为达到反硝化的目的和效率,回流液提供的硝态氮越多越好。提高参与反硝化的回流硝态氮量有两种方法可选:一是增加回流量,二是提高回流液中硝态氮的浓度。提高回流量时,由于回流液(曝气后的废水)氧含量高,有可能造成A级池的富氧化,而反硝化要求无氧或低氧,所以提高回流量容易破坏反硝化环境,降低反硝化率,同时也增加了回流动力消耗。提高硝态氮浓度时,由于0级池出水和回流液水质相同,提高硝态氮浓度意味着出水总氮的升高,将直接导致出水超标。因此对于传统A0/工艺需要统筹回流量与硝态氮的不良影响。由于存在硝态氮反硝化时重新转化为氨氮的客观事实,因此传统A0/工艺脱氮是有限度的,A0/工艺的脱氮效率通常不超过85%,处理氨氮)IOm0岁L的废水时超标情况比较严重。A/0工艺处理流程,图1:·生物滤池生物滤池属生物膜法,其脱氮机理也为A0/。生物滤池在空间上也可以组成A0/系统,使之达到传统A0/工艺同样的脱氮效果,但实际上生物滤池的脱氮效果较传统A0/工艺好,原因是氧在生物膜处形成了浓度梯度(见图2)。生物膜外侧与氧首先接触,故外侧处于好氧状态,进行硝化反应。而内侧由于氧传递的速度受到生物膜的制约,处于缺氧甚至厌氧状态,发生反硝化反应。所以以形式A/0串联的生物滤池脱氮效果较好。废水中的硝态氮也会因生物膜的制约而影响传递效率,在硝态氮的扩散过程中,只有一部分可以进入生物膜内侧而被反硝化,故生物滤池的脱氮效率通常不超过90%。生物膜处氧的浓度梯度如图2所示:生物膜皿呱枢以好一’-咚,},`’\、{缺氧区02卜一,一一=翻一’+3/202一N伍一+H20+ZH’一△F一+1/20:一N03一△FNO3·NZNOZ-一、~~_~-NH4-匆O么NO3-图2褚士军等:IMC工艺和高效射流曝气器在高氮氮废水处理中的应用及节能效果分析·SBR法SBR工艺是一种间歇式的活性污泥法,其特点是所有生化反应均在同一池内完成,不需要好氧废水的回流,因此理论上脱氮效率更高,也更节能。但常规SBR工艺处理含氮废水时,硝化和去除Coo的过程同时进行,反硝化时因废水中COD物质已基本消耗怠尽,碳源不足,故反硝化效果不佳,出水的硝态氮含量仍较高。要提高反硝化效果就需要外加碳源,运行成本较高。因此,不能有效利用原水中的COD物质是SBR脱氮工艺最主要的缺点。3高氨氮废水的!MC处理技术3.1IcM反应器的基本原理IcM法是由本公司自主研制开发的新型高效节能高氨氮废水处理技术。工MC法结合了异步硝化与反硝化(A/0)和同步硝化与反硝化(SND)的各自优点,具有双重脱氮功能。同时也能充分利用废水中的COD物质进行脱氮反应,减少了外加碳源用量,降低了运行成本,具有节能增效特点。MIC法是一种改进型的SBR工艺,其基本原理是:在反应的不同时间段,使反应器内环境处于好氧和缺氧的连续变化之间,从而在环境条件上形成多个A0/的串联:另外由于反应器内好氧和缺氧环境不断变化,反应器不同空间上的溶氧并不均匀,且在不同时间点上的溶氧变化也可以导致SND现象的发生。多个串联A0/的异步硝化与反硝化作用要强于单个A0/工艺,因此即使不计SND作用,其脱氮效果也将高于A/0工艺。MIC反应器内好氧和缺氧环境的变化频率远高于其它形式的反应器,故无论从发生概率和程度上MIC法的SND作用都远高于其它形式的反应器。IMC法采用连续进水的方式,在反应的主要过程中均有原水的COD物质存在,从而可以充分利用原水中的COD进行脱氮反应,达到节约运行成本的效果。3.2!MC反应器的运行过程IcM反应器集反应池、沉淀池为一体,连续进水,间歇反应,反应停止后沉淀,最后撇除上清液,并排出剩余污泥,成为一个周期,周而复始。工MC反应器的运行程序(见图3),具体过程如下:①进水阶段:废水进入IMC池的阶段,通常为一个运行周期的开始。②反应阶段:宏观上分为曝气和搅拌两种反应,曝气时发生硝化反应,搅拌时发生反硝化反应,两种反应以时间串联交替进行,依次反复数次。整个反应过程在微观上形成了不断变化的氧浓度梯度,从而促使SND现象也充斥了整个反应过程。③沉淀阶段:停止反应,池中泥水静止分离,活性污泥逐渐沉到池底,上层水逐渐变清。④潍水阶段:沉淀结束后,置于反应池末端的津水器开始工作,自上而下逐渐排出上清液。工MC反应器的运行程序参见图3:在IMC工艺中,硝化和反硝化在同一池内进行,不需要好氧混合液的回流,因此理论上脱氮效率可接近于100%。实践表明,IMC工艺的脱氮效率可以达到99%以上。3.3IcM工艺的特点①由于MIC池集反应、沉淀于一身,节约了沉淀池,所以占地面积省。②硝化和反硝化在同一池内进行,不需要好氧混合液的回流,节约了污泥和污水回流系统,运行费用低、设备简单、维护方便。褚士军等:1MC工艺和高效射流味气器在高氛氮度水处理中的应用及节能效果分析,,_飞飞飞{薰碌碌碌—飞飞飞I一一:::户价.仁:琴:铆::....’:..好好好好好:少:’.’:钻::价:和::...拭:于于于于于于于于于于于于于于于于于于于于一一一一一一一一一---:::::::::::::::少.’.’::仁:::..畜劫::...从:三三进水阶授反应阶段图3沉淀阶段灌水阶段l粥反应器的运行程序③由于每次潍水只排出池中少量达标废水,其它剩余泥水对进水有很强的缓冲功能,因此IcM法的抗冲击负荷能力很强,对原污水水质、水量变化的适应能力较高。④IMC反应器中BOD浓度梯度的存在有利于抑制丝状菌的生长,能克服传统A0/法常见的污泥膨胀问题。⑤按照水力学的观点,活性污泥的沉降,以在完全静止状态下沉降为佳,IMC池几乎是在静止状态下沉降,因此沉降的时间更短,效率更高。⑥IMC反应器进水采用连续流,能够充分利用原水中的COD进行脱氮反应,克服了SBR及其其它变形工艺不能充分利用原水COD的缺点,从而更节能。3.4主要生化脱氮工艺的对比表1:主要生化脱氮工艺对比表场场硫鹦鹦A/000生物滤池池SBRRRIMCCC氨氨氮处理效率率不超过85%%%不超过90%%%不超过90%%%接近100%%%主主要反应原理理A/000A/O,SNDDDA/O,SNDDDA/0,SNDDD抗抗冲击能力力弱弱一般般强强强强好好氧水回流流需要要需要要不需要要不需要要污污泥回流流需要要不需要要不需要要不箫要要原原水Connn能利用用能利用用不能利用用能利用用补补充碳源源少少少少多多少少沉沉淀池池需要要需要要不需要要不需要要产产泥量量多多少少多多一般般工工程投资资省省较高高省省省省占占地面积积较大大省省省省省省运运行能耗耗省省省省较高高省褚士军等:I讹工艺和高效射流曝气