反硝化滤池深度处理二级出水的性能李军

第37卷增刊12011年6月北京工业大学学报JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.37SuPP.lJun.2011反硝化滤池深度处理二级出水的性能李军,毛世春,王静董(北京工业大学建筑工程学院,北京100124)摘要:针对二级出水水质特征,试验采用反硝化生物滤池深度处理城市二级出水.通过不同C/N、不同滤速下反硝化滤池的脱氮性能的比较,得出了滤池适宜的运行参数,为水厂的改造提供技术支持.试验结果表明,在C/N二4.42,滤速为3.4m/h时,反硝化滤池的脱氮效果最好,出水TN低于5mg/L,No歹一N、NO犷一N含量很低,几乎没有.通过沿程监测反硝化滤池,得出反硝化滤池脱氮主要集中在进水端前700mm,最终确定最佳滤层高度为1300mm.关键词:反硝化滤池;C/N;滤速;深度处理中图分类号:X703.1文献标志码:A文章编号:0254一0037(2011)增刊l一0132一06目前,我国多数污水处理厂都采用活性污泥法处理污水,应用最广泛的是的A,/0、A/o等传统工艺,但大多数污水处理厂都面临如下问题:碳源不足导致脱氮效果差;出水NO丁一N浓度高、CoD和NH犷一N浓度不稳定等.随着国家污水排放标准的不断提高,各污水厂在原有二级处理工艺上的升级改造也势在必行:增加后续深度处理工艺,以达到进一步提高出水水质,并保证出水稳定性的目的.此外,我国水污染日益严重,水资源日益紧缺,污水的再生回用技术成为实现水资源可持续发展的制约因素.但二级出水的硝酸盐氮和浊度较高,硝酸盐氮的去除是世界性难题.近十几年来,大量的硝酸盐排人水体,地下水和地表水中硝酸盐含量的日益增加,不仅污染饮用水水源,也给河、湖等造成富营养化的危害.此外,饮用水中硝酸盐的存在极大地危害人们的健康,能诱发高铁血蛋白症,同时,硝酸盐在消化道内会转化为亚硝酸盐及亚硝胺,具有致癌的作用〔’1.因此,开展二级出水深度处理脱氮技术的研究具有重要的意义.尽管许多学者通过大量研究,发展了多种脱氮技术,但存在处理成本过高或二次污染的隐患’〕.反硝化滤池作为一种新型污水处理技术,因其占地面积小、出水水质好、脱氮效果好、产污泥量少,并且具有模块化结构、自动化操作性强等特点,近年来成为再生水处理及回用的研究热点.本研究以高碑店污水厂二级出水为水源,开展了反硝化生物滤池在脱氮方面的运行特性研究.1试验装置和方法1.1试验装置试验采用200mmx3.lm的有机玻璃柱作为滤池主体,滤料采用粒径d二4~6mm火山岩(产地:内蒙古赤峰),火山岩生物滤料表面带有正电荷,有利于微生物固着生长,亲水性强,附着的生物膜量多且速度快,且其抗腐蚀性强,具有惰性,不与环境中的化学物质发生反应.滤柱的填料层高度为Zm,在填料层100mm设第l个取样口,以后每隔300mm设1个取样口,共设8个.试验采用上向流,装置如图1.1.2试验方法试验在北京市某污水处理厂内进行,原水来自该污水处理厂的二级出水,出水水质见表1.试验测定收稿日期:2010一09一10.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51078008);北京市教委重点项目(Kz201110005008);北京市自然科学基金资助项目(8092007);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008zx07317一2).作者简介:李军(1964一),男.山东淄博市人,教授,博士生导师.增刊l李军,等:反硝化滤池深度处理二级出水的性能了COD、TN、NO犷一N、NO牙一N等指标,COD采用快速测定仪(SB一3型COD快速测定仪),TN采用过硫酸钾氧化一紫外分光光度法(TU一1810紫外分光光度计),NO犷一N采用酚二磺酸光度法(vls一723G可见光分光光度计),No少一N采用N一(1一奈基)一乙二胺光度法(vIS一723G可见光分光光度计),Do与pH用便携式快速测定仪测定.表1原水水质Table1Waetrquality原水指标质量密度/(mg·LCOD20~554~826一32DN0T亚硝酸盐氮硝酸盐氮0~0.041一总进水;2一水箱;3一蠕动泵;4一加药泵;5一配药箱;6一流量计;7一反硝化滤池;8一出水口;9一反冲洗出水口;10一溢流口;11一取样口;12一反冲洗进水管;13一气冲管图1反硝化滤池流程图F19.1Flowehartofdenitriifeationiflter20一252试验结果与讨论反硝化滤池的脱氮过程是通过反硝化细菌的同化作用(合成代谢)和异化作用(分解代谢)来完成的.异化作用是反硝化反应的主要过程,去除的氮约占总去除量的70%一75%f’〕.通过异化作用完成的反硝化脱氮过程称异养反硝化.异养反硝化需要有机碳源来提供给反硝化菌以用于产能、细胞合成和脱氧等.甲醇,乙醇,葡萄糖,醋酸、棉花、纤维等曾经被使用作为碳源.在实际工程中,生物脱氮使用的最多的碳源是甲醇和乙醇,乙酸作碳源时反硝化速率最高,但是甲醇和乙醇毒性较大上`〕.本研究选择乙酸钠为投加碳源,对反硝化生物滤池展开运行性能的研究.2.1最佳碳氮比在反硝化过程中,有机物(碳源)和硝酸盐都可能成为微生物增长的限制性因素.碳源不足时,出水水质不能达标;碳源投加过量时,出水中有机物含量增高,降低了出水水质.因此,适宜的碳氮比(C/N二COD/No犷一N)是保证有效的反硝化反应的必要条件.所谓适宜碳氮比是指在一定的进水硝酸盐浓度下,完全或接近完全反硝化所需的最少有机物与硝酸盐氮之比驻’].反硝化细菌多为兼性细菌,在有氧时,反硝化细菌以氧作为电子受体,从而阻碍了反硝化作用的发生;在无氧或缺氧时,反硝化细菌利用系统中的NO于作为最终的电子受体来脱氮.当系统中存在氧时,氧就会同NO丁竞争电子供体(有机碳源等),并且抑制微生物对硝酸盐还原酶的合成及其活性.在生物膜系统中,要获得较好的反硝化效果,溶解氧(Do)需保持在1.5mg/L以下:6].由于试验原水Do=4一8mg/L,平均为6mg/L左右,为了减少溶解氧对反硝化生物滤池性能的影响,试验在水箱末端处投加碳源以消耗原水中溶解氧.试验中比较了C/N分别为2.55、3.27、4.42、5.16时系统的脱氮效果.详见图2和图3.由图2、图3可知,随着C/N的增加,TN和NO犷一N的去除量也逐渐增加,NO少一N却呈先逐渐增加然后再逐渐减少的趋势.当e/N=2.55时,出水TN、NO歹一N、NO牙一N分别为20.96mg/L、8.32mg/L、5·2mg/L,虽然NO犷一N去除率达60%,但TN去除率仅为38%,说明C/N二2.55时,生物滤池中的No至一N发生了2011年北京工业大学学报C/N=2.55C/N二3.27C/N二3.65(二/N=4.42C/N二5.16十进水N几一N+出水N(),一N`U4,ùǎ一,,一·留日à、Z入CZ101214171921242628313335t/d图2不同C/N时TN、NO犷一N的去除效果图3不同C/N时NO玄一N的去除效果Fig.2RemovaleffeetofTNandNO扩一NindifferentC/NFig.3RemovaleffeetofNO夕一NindiffeerntC/N不完全反硝化,NO丁一N一部分转化为气体溢出系统,另一部分转化为Nof一N,占原水中No扩一N的22%,继续存留在系统中.当C/N二3.27时,出水中TN低于巧mg/L,NO犷一N仅为1.6mg/L,但是NO夕一N积累严重,平均值为7.17mg/L,占进水No犷一N的28%.胡和平等:’〕在利用乙酸钠为外加碳源进行生物滤池脱氮试验研究时发现,亚硝酸盐的量随着硝酸盐量的减少而增加,当硝酸盐量减少为0时,亚硝酸盐的积累量达到最大值,其总量达到了初始硝酸盐量的20%左右,然后亚硝酸盐量再逐渐减少为。,Her等:吕〕也观察到同样的结果.当C/N3.27时,系统出水NO犷一N平均值低于1mg/L.但TN在C/N)4.42时,系统出水平均值低于5mg/L,且无NO少一N的积累.根据NO歹一N完全反硝化理论计算:去除lm岁LNO犷一N需要2.86mg/L外加碳源.本试验进水NO犷-N平均为24mg/L,理论上需要68.64mg/L浓度的外加碳源,有研究表明在低温下实际投加的外加碳源量要比理论上投加碳源量大30%〔’〕.故满足反硝化脱氮需要的外加碳源量为89.23mg/L,此外,应加上进水中Do的消耗,Do平均值为6mg/L,lgDo二l.28gCH3CooNa,计算所得碳源投加量应为96.glmg/L,C/N二COD/No犷一N二96.91/24二4.04,与试验所得的C/N二4.42相近.因此,通过试验可得出该系统的最佳碳氮比为4.42,折合为碳源投加量为105mg/L2.2水力负荷水力负荷即为单位时间内通过单位面积滤料的水量.反硝化滤池内的传质作用主要取决于反应器内部的水力条件.这是因为,一方面,反硝化滤池没有曝气冲刷作用,若滤池中的水力负荷过小、滤速过低,污染物质在系统中停留时间越长,降解也越彻底,但会导致滤池过早的堵塞,从而影响滤池的处理效果;另一方面,若滤池的水力负荷过大、滤速过高,由于水流紊动过快,加速滤料上大量生物膜的脱落,降低污染物质在滤池中的停留时间,使污染物质来不及反应就流出系统,导致出水水质不达标.所以,为了取得较好的脱氮效果,要选择合适的水力负荷以保持氧传质通量极小且系统不堵塞,使污水厂升级改造的基建成本最低.试验中,为了找到适合工艺和原水水质的水力负荷,通过调节进水流量,在进水水箱处投加COD量IO0m留L,比较4个流速下滤池对各指标的处理效果,滤速分别为1.2、2.3、3.4、4.3m/h.试验结果如图4、5,由此可知:在滤速为1.2、2.3m/h时,TN的出水浓度平均值为sm留L,NO丁一N的出水浓度平均值低于lm酬L,NO歹一N进出水中的浓度几乎为零,没有任何积累.滤速为3.4mh/时,TN的出水浓度平均值为3mg/L左右,NO-3一N的出水浓度低于1mg/L,N0-2一N在出水中几乎没有.由此说明在滤速为1.2、2.3m/h时,污水在系统中的停留时间足够长,系统中污染物质降解充分.但由于在滤速为1.2、2.3m/h时,原水的COD值比较高,平均值为45m酬L左右,原水中CoD均为难降解的有机物,从而导致图4中COD出水值较高.滤速为4.3m/h时,TN的出水浓度平均值为8.5mg/L左右,No犷一N的出水浓度平均值为3mg/L,No牙一N出水浓度平均值为2.8mg/L左右;所以,在滤速为4.3m/h时,由于滤速太高,导致污染物质在增刊1李军,等:反硝化滤池深度处理二级出水的性能滤池中的停留时间太短,造成出水中TN、No犷一N、No歹一N含量均较高,出水中NO夕一N的平均值已经超出安全水平lm群L.因此,结合反硝化滤池的处理效果以及考虑成本因素,试验确定适宜的滤速为3.4mh/.十进水COD+出水C()D-白~进水T入~.卜出水TN+进水N03一、+出水NO飞一N十进水N()万一N令出水NO万一Nǎ一!曰·城三à、之l比O之III,J`J乙之之口,`户匕乌乌UILJ』匕匕口ILJ乙泛一一111.2lnIhhh万拳拳瑟拳拳性举___盏盏`司从二~~~尸味才才左出出出.................................................---一lr叫rrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrr...飞飞行行lllll!!!llllllllllllllllllllllllllll钾丫---}}}{一一一一一一一一一一一一一一}}}}}}}下一甲,,,,,35~30流流速速流速速流速速.声JIJ,月屯几`esss一一1.2nl月1112.31一1八八34m月111趟---,,声、冲冲!,,尹产勺勺l`..二二人人人人人人人人人人人.))))).....…………JJJJJ网````}}}」一一二::二二二}`’~~气气尸甲衬衬ù、éOù、0亡1一l闷·如三à、之lù。之ǎ一11,如三à、00切图4不同滤速下COD、TN的去除效果Fi