含氮废水处理技术的研究现状蒲文晶

2)0(5年第34卷增刊石油化工PETROCHEMICALTECHNOLOGY含氮废水处理技术的研究现状蒲文晶’,杨波,,邢伟(1.中国石油吉林石化公司研究院,吉林吉林132021;2.青岛科技大学化学与分子工程学院,山东青岛26604;23.中国石油吉林石化公司企业研究室,吉林吉林132021)〔摘要」目前废水脱氮的方法很多,主要有生物法和物理化学法。综述了生物法的原理、优缺点、实用性及研究现状。并针对某污水处理厂废水提出了合理的建议[关键词〕含氮废水;生物法;废水处理「中图分类号]X703〔文献标识码]A废水中的氮主要以4种形式存在:(l)有机态氮:蛋白质、氨基酸、尿素、胺类硝基化合物等;(2)氨态氮(NH:和NH犷);(3)亚硝酸态氮(NO夕);(4)硝酸态氮(NO犷)。在未处理的原废水中,有机态氮和氨态氮是氮素的主要存在形式。目前,氮污染对水体危害的严重性正被越来越多的人们所认识,特别是氨态氮,它引起的水体富营养化,以至水质恶化,甚至湖泊退化。因此,国内外对废水排放中氨态氮的指标控制越来越严,对氨氮废水处理技术的开发研究也越来越广泛川。目前,国内外废水脱氮的方法很多,主要有生物法和物理化学法。生物法是目前工业化水处理的主要方法,工艺多种多样且技术比较完善。物理化学法目前研究较多,但多用于饮用水的深度净化,尽管也有少数用于废水脱氮,但大多未能实现工业化且应用范围较窄。本文对生物法处理含氮废水的技术现状进行了综述。1国内生物法常见工艺及研究进展1.1多级污泥系统多级污泥系统常被称为传统生物脱氮流程,见图l。(BODS)效果均很好,但该流程长,构筑物多,基建费用高,需外加碳源,运行费用高,且出水有一定甲醇残留。1.2单级污泥系统及其改进形式单级污泥系统的形式包括前置反硝化系统、后置反硝化系统及交替工作系统。1.2.1前置反硝化系统及其改进形式前置反硝化系统的生物脱氮流程通常称为刀o工艺fZ,,见图2。刀。系统是目前采用较为广泛的一种脱氮工艺。在刀O系统中,缺氧池中反硝化菌利用原废水中的有机物作为碳源,将回流混合液中的NO二一N还原成NZ,好氧池中,同时进行生物氧化、氨化和硝化。因此,该流程简单,构筑物少,不需外加碳源,而且好氧池进一步去除了缺氧池中残留的有机物,使出水水质进~步改善,缺氧池减轻了好氧池的负荷,同时在反硝化反应中产生的碱度可以补偿硝化反应中所消耗碱度的50%左右。但该系统的脱氮效率一般仅为70%一80%,条件控制要求也比较严。反反反反反反反反反反反反反反反沉沉沉沉接接接硝硝硝硝硝硝沉沉淀淀淀淀触触触化化化化化化池池池池池池池池池池池池池池池池污泥回流图2刀0工艺流程将刀O系统中的缺氧池和好氧池改为固定生物膜反应器,构成生物膜脱氮系统。固定生物膜反应器包括生物滤池、生物接触氧化设备和生物流化床等。该系统应保留混合液回流,但不需污泥回流。目前将活性污泥法与生物膜法相结合的复合活图1传统生物脱氮工艺多级污泥系统脱氮及降低5日生化需氧量乞作者简介口蒲文晶(1967一),女,吉林省吉林市人,大学,高级工程师,电话0432一3994040,电邮[e-mail]。·702·石油化工PETR(X二HEMICALTECHNOLOGY2005年第34卷性污泥处理过程—浮动填料活性污泥法也已在国内开展实验研究,该系统可增加曝气池中的污泥浓度,提高硝化细菌的固着量与抵抗外界环境变化的能力,从而强化了系统对化学需氧量(COD)和氨氮的去除能力。浮动填料的加人和取出都较简便,对改造现有的工程设施较有力。以刀0工艺为原形,控制好氧池内仅进行亚硝酸反应,在缺氧池内进行N02’一N反硝化,即形成亚硝酸型脱氮技术(也称短程硝化反硝化技术),当以亚硝酸型生物脱氮方式运行时,由于NO少一N的毒性远大于NO歹一N的毒性,因此在沉淀池后增设一个后曝气池,以使出水中残留的NO夕一N被氧化成NO丁一N,避免NO玄一N对受纳水体中水生物的毒害。亚硝酸型脱氮系统的工艺流程见图3。污水回流反反反反亚亚亚沉沉沉硝硝硝沉沉硝硝硝硝硝硝硝淀淀淀化···淀淀化化化化化化化池池池池池池池池池池池池池池池池池池池池池污泥回流图3亚硝酸型脱氮系统的f艺流程从理论上,采用亚硝酸型脱氮,COD减少25%,碳源需要量减少约40%。因此,对于氨氮浓度高、碳氮比偏低的废水,采用亚硝酸型脱氮可提高反硝化效率及总氮去除率。亚硝酸型脱氮的关键是在好氧池内保持亚硝酸反应过程,而控制硝酸反应过程。亚硝酸反应和硝酸反应分别由亚硝酸菌和硝酸菌完成。两种菌的特征大致相似,但它们所适应的最佳条件有所不同。因此,只要适当控制生物脱氮工艺的运行条件,就可使亚硝酸型硝化反应出现并保持稳定运行。亚硝酸型脱氮工艺是当前废水生物脱氮的一个研究方向。1.2.2后置反硝化系统后置反硝化系统,因为混合液缺乏有机物,一般需人工投加碳源,但脱氮效果可高于前置式,理论上可达到接近100%的脱氮。1.2.3交替工作系统交替工作的生物脱氮流程主要由两个串联池子组成,通过改换进、出水方向,两个池子交替在缺氧和好氧条件下运行。它本质上仍是刀0系统,但利用交替工作的方式,避免了混合液的回流,脱氮效果优于一般的刀0工艺,缺点是运行管理费用较高,一般需配自动操作系统。1.3氧化沟氧化沟是常规活性污泥法的一种改型和发展,它的基本特征是曝气池呈封闭的沟渠形,污水和污泥的混合液在其中作不停的循环流动。由于氧化沟工艺的废水停留时间较长,一般污水在整个停留时间内要完成20一120个循环,这就使氧化沟具有一种独特的水流特性,即兼有完全混合式和推流式的特点,在控制适宜的条件下,沟内同时具有好氧区和缺氧区,能够取得硝化与反硝化的效果。采用该技术,BODS和悬浮物的处理效率均为95%以上,总氮去除率70%一80%。此工艺流程简单,由于废水停留时间长,沟内循环流量大,因此耐冲击负荷,处理效果稳定,出水水质好,脱氮除磷的基建费用比常规活性污泥法低40%一60%,运行费用低30%一50%。1.4SBR工艺较多地对sBR工艺L礴了进行研究与应用始于20世纪80年代,该工艺是一种按时间顺序进行一系列基本操作,并通过这种操作周期的反复进行达到不断进行废水处理目的工艺过程。SBR工艺在一个反应池中进行一个操作周期的全过程,其基本工作周期可由进水、反应、沉降、排水和闲置5个阶段组成,它将脱氮的各种反应通过时间顺序上的控制,在同一反应器中完成。它通过控制合适的充气、停气为硝化细菌和反硝化细菌创造适宜的好氧硝化、缺氧反硝化脱氮条件,反硝化细菌在闲置期还能进行内源反硝化,因此去氮效果好,能达到通常刀O工艺的脱氮效果,但却较刀O工艺节省了混合液回流及污泥回流系统,节省动力消耗。2国外生物法的研究进展2.1SHARON工艺sHARoN工艺L’〕(sing一eReaetorforHighAetiviytAmmoniaRemovaloverNiitret)是由荷兰Delft技术大学开发的脱氮新工艺。它实质上是中温亚硝酸型脱氮工艺。SHARON工艺巧妙地应用了在较高温度下,硝化菌的生长速率明显低于亚硝化菌的生长速率的特性,在完全混合反应器中通过控制温度和停留时间,可以将硝化菌从反应器中冲洗出去,使反应器中亚硝化菌占绝对优势,从而使氨氧化控制在亚硝化阶段。同时通过间歇曝气,可以达到反硝化的目的。利用此专利工艺的两座废水生物脱氮处理厂已在荷兰建成,并证明了亚硝酸型生物脱氮技术的可行性。增刊蒲文晶等.含氮废水处理技术的研究现状·703·2.2ANAMMOX工艺胡AMMox工艺[`二(Anaer。bicAmmoniumoxiaation)是1990年荷兰oeln技术大学幻uyver生物技术实验室开发出,其原理即是在厌氧条件下,以NO歹、NO夕为电子受体,将氨转化为NZ。最近研究表明,NO牙是一个关键的电子受体。由于参与反应的细菌是自养菌,因此不需要添加有机物来维持反硝化,而且污泥产量少。但此方法要投人实际应用面临菌种产量少,污泥驯化时间长(约100天)、可用的接种污泥少等困难。2.3Deammonineaiton工艺文献[’1报道适用于处理高浓度含氮废水的新工艺。该工艺中,氨转化为氮气的过程不需要按化学计量式消耗电子供体,这种特殊的转化过程命名为好氧反氨化工艺。该工艺中涉及到的微生物目前尚不太清楚,工艺的关键是控制供氧。自养硝化污泥在非常低的氧压力下(1廿a或气相中约2.0%0:)可以产生氮气。当溶解氧压力在0.3妙a时,氨的最大氧化率达58%。然而,该过程还未实现稳定和可行的工艺设计。2.4OLAND工艺该工艺称为OxygenLi而tedAutotrophicNimn-caitonDeniitrifeation(氧限制自养硝化反硝化),简称oLAND工艺〔8〕,由比利时eGnt微生物生态实验室开发。该工艺的关键是控制溶解氧,使硝化过程仅进行到NH了氧化为NO夕阶段,由于缺乏电子受体,由NH犷氧化产生的Noj氧化未反应的NH犷形成NZ。该反应机理为由亚硝化菌催化的NO牙的歧化反应。2.5同时硝化/反硝化(SND)工艺当好氧环境与缺氧环境在一个反应器中同时存在,硝化和反硝化在同一反应器中同时进行时则称为同时硝化/反硝化。同时硝化/反硝化不仅可以发生在生物膜反应器中,如流化床、曝气生物滤池、生物转盘,也可以发生在活性污泥系统中,如曝气池、氧化沟。但目前对SND现象的机理还没有一致的解释,一般认为3个主要机理是:(1)混合形态。由于充氧装置的充氧不均和反应器的构造原因,造成生物反应器形态不均,在反应器内形成缺氧/厌氧段。此种情况称为生物反应的大环境,即宏观环境。(2)菌胶团或生物膜。缺氧/厌氧段可在活性污泥菌胶团或生物膜内部形成,即微观环境。(3)生物化学作用。在过去几年中,许多新的氮生物化学菌族被鉴定出来,其中包括部分菌种以组团形式对SND起作用,包括起反硝化作用的自养硝化菌及起石肖化作用的异养菌。在生产规模的生物反应器中,完全均匀的混合状态并不存在。菌胶团内部的溶解氧梯度目前也已被广泛认同,使实现SND的缺氧/厌氧环境可在菌胶团内部形成。由于生物化学作用而产生的SND更具实质意义,它能使异氧硝化和好氧反硝化同时进行,从而实现低碳条件下的高效脱氮。同时硝化/反硝化的活性污泥系统为今后简化生物脱氮技术并降低投资提供了可能性。有研究表明,高浓度氨氮对生物活性有抑制作用,因此,生物处理的预处理过程极其重要,普遍采用物化法进行脱氮预处理。3结语整体看来,目前对脱氮技术的研究种类繁多,众多方法各有利弊,针对不同水质,其脱氮效率、经济可行性等也各不相同。生化法效率稍低,投资费用高,但运行费低,易于管理,适用于大规模的废水处理。就目前情况看,针对某公司以刀O工艺运行的污水厂氨氮时有超标的问题,可考虑生物膜法及亚硝酸型脱氮工艺,或它们的组合工艺。采用固定床生物膜法和活性污泥法复合工艺效果更好,改进后的工艺,一方面减少了好氧段的池容,大幅度减少送风量,降低污水厂的运行成本,另一方面,增加的缺氧段的反硝化作用,可以提供一定的碱度,在一定程度上弥补了“缺氧一好氧”工艺目前运行碱度不足的问题,废水COD去除率大于80%,氨氮去除率大于70%。参考文献李艺峰.中氮肥,2001,7(4):22一23黄骏,陈建中.环境污染治理技术与设备,2002,3(l):65一68张小玲,彭党聪,王志盈.中国给水排水,2002,(9):1一3方士,李筱焕.高校化学工程学报,2001,15(4):346一350HellingaC,etal,WatcSieTeh,1998,37(9):135一142WerstreaeteW,外iliPs5.nEvironoPllut,1998,102:717一726GraafAAv,MulderA.BrujinPD,etal滋pplnEviornMicorb`01,1995,61(4):1246一1251WerstraceteW,hPiliPs5.勘vironPoll“t,1998,102:717一726(编辑李治泉)