乙酸碳源对氧化沟工艺处理低碳氮比工业废水脱氮性能的影响

陈建发

(漳州职业技术学院石油化工学院,福建漳州 363000)

0 前言

目前,诸多研究和实际工程运营经验表明,国内许多污水处理厂进水碳氮比偏低,碳源不足,导致生物反硝化效果不理想,出水中总氮难以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 19918—2002)一级A标准,成为污水处理业界的严重困扰.为了提高生物脱氮效果,通常可以通过延长反硝化时间或补充碳源等方式解决,但延长反硝化时间需增加反硝化缺氧池的体积,这就意味着要改扩建污水厂,基建费用较高且受场地限制,实际可操作性不强,因而外加碳源成为首选途径.

诸多研究表明,一般把CODCr/TN控制在6～8且CODCr/TP>20时,就能满足微生物对碳源的需求,即能获得良好的生物脱氮除磷效果[1].我国多数污水厂CODCr/TN仅为3～4[2]、CODCr/TP<20[3],不能很好满足微生物对碳源的多样需求.为达到日趋严格的氮磷排放标准,投加碳源成为许多污水处理厂迫不得已的选择[4].但碳源类型很多,在保证污水脱氮除磷效果的同时节约碳源投加成本,优选合适碳源显得尤为重要.

大多数的反硝化菌属于异养反硝化菌,在反硝化过程中它们能通过不同的呼吸途径利用有机碳,且异养反硝化过程的发生需要充足的有机碳源[5].聚磷菌(PAOs)在除磷过程中也需要碳源[6].异养反硝化菌和聚磷菌(PAOs)势必对碳源产生竞争,尤其是碳源不足,即低CODCr/TN比情况下.要提高生物脱氮除磷效率就需调和上述两者的竞争关系[7].碳源的类型和投加量可能会影响污水的脱氮除磷效果.因而通过向污水中科学合理精准投加不同种类、不同数量的外加碳源,可以不同程度的提高污水的CODCr/TN比例和CODCr/TP比例,从而起到强化生物脱氮除磷的目的[8-17].一般而言,碳源分子量越小,微生物越易吸收利用.乙酸等一些简单的有机物被认为是比较适合的外加碳源[5].

颇多学者针对碳源不足而导致污水脱氮除磷效果较差现象的研究,大部分是用模拟废水进行的,而实际污水与模拟废水成分差异较大.实际污水成分复杂,并非仅由单一碳源组成,脂肪酸、碳水化合物的质量分数分别约占10%、25%～50%[18].因此本试验针对低碳氮比的工业废水,以改良型Carrousel氧化沟工艺为主要对象,通过投加乙酸碳源先小试、后生产性对比试验,考察乙酸碳源在同一条件下对改良型Carrousel氧化沟工艺强化生物脱氮过程的影响,以求为低碳氮比的工业污水处理厂选择最优外加碳源、优化运行参数、低碳节能降耗和提标改造提供借鉴.

1 材料与方法

1.1 试验所用药剂、仪器和废水

试验药剂:乙酸(乙酸99.8%,甲酸0.02%,丙酸0.04%,铁0.000 4%,乙醛0.01%)、氢氧化钠为工业级,其余为分析纯.

分析仪器:Uvmini1240紫外分光光度计[岛津企业管理(中国)有限公司],BAS224S型分析电子天平[赛多利斯科学仪器(北京)有限公司],DHG-9076A电热恒温鼓风干燥箱(上海右一仪器有限公司),KT370型可调速搅拌机(启东市汇龙混合设备有限公司),pH计(上海精密科学仪器有限公司),9012型COD恒温加热器(青岛科迪博电子科技有限公司).

试验废水:试验水样来自某工业污水处理厂随机时段的进水.该工业污水处理厂接纳的污水包括电子信息技术产业、食品产业、先进装备制造产业及新材料产业四种工业污水.设计出水要求达到一级A标准,运营以来实际进出水水质情况见表1.

设计进水BOD5/CODCr为0.32,而实际进水的BOD5/CODCr为0.22,可生化性差,且CODCr/TN=2.52,属于生物难降解的废水.传统氧化沟脱氮除磷功能较差,因此在氧化沟前增加厌氧池,形成改良型Carrousel氧化沟,既实现大量除磷,又能抑制丝状菌增殖,增加二沉池污泥的可沉降性,保证出水水质满足设计要求.污水经过预处理后,进入改良型Carrousel氧化沟内,改良型Carrousel氧化沟由厌氧区、缺氧区及好氧区组成.为确保除磷效果,在厌氧池前段又设置厌氧水解段(污泥选择区),污水实现多点进水,经厌氧区/选择区,流入缺氧区,再进入好氧区,好氧区与缺氧区之间设置内回流,强化总氮的去除能力.污泥回流分别回流至选择区及缺氧区,根据实际需要通过控制阀门调节污泥回流量.

1.2 试验氧化沟装置

本试验采用的试验场所为某工业污水处理厂中的改良型Carrousel氧化沟.该氧化沟系统分2组,试验期间只有1组投入使用,日处理水量约1.7 万m3.该氧化沟是一座Carrousel A2C形式的氧化沟,结构如图1所示.

图1 改良型氧化沟布置示意图Fig.1 Layout of improved oxidation ditch

该氧化沟设计参数为:污泥浓度MLSS=3 500 mg/L,污泥负荷0.07 kgBOD/(kg MLSS·d),污泥龄13.4 d,单池有效容积15 748 m3,有效水深6 m.其中:厌氧区容积1 598 m3,水力停留时间2.2 h;缺氧区容积4 407 m3,水力停留时间6 h;好氧区容积9 743 m3,水力停留时间13.4 h.

1.3 污水处理工艺流程

该改良型Carrousel氧化沟耦合工艺流程详见图2.来自工业区的污水经工业区污水管网收集,经粗格栅去除大块飘浮物后,经进水提升泵提升到配水井,再流入细格栅去除较细小的飘浮物,之后流入曝气沉砂池去除无机砂粒以防砂粒对后续设备破坏和磨损,再流入均质调节池调节水量水质,之后进入初沉池重力沉淀去除部分CODCr、BOD5、氨氮、总氮、总磷及大部分SS,再流入水解酸化池.在微生物的作用下通过水解酸化作用把大分子、难降解的有机物经断链、开环变成小分子、易降解的有机物,为后续生化提供良好条件.经水解酸化后再流入改良型Carrousel氧化沟进一步的厌氧、缺氧及好氧等生物降解,高效同步脱氮除磷和去除有机物,流入二沉池完成泥水分离及污泥浓缩,上清液再进入高效沉淀池进一步去除二沉池残留的SS,流入纤维转盘滤池进一步生物降解去除部分CODCr、BOD5、总氮、氨氮和总磷等,最后进入接触消毒池经消毒后尾水达标排放.

图2 工艺流程图Fig.2 Process Flow Chart

1.4 试验方法

采用间歇曝气模式,氧化沟出口溶解氧2.0～3.0 mg/L,污泥浓度2 000～2 500 mg/L,污泥回流比80%～95%,其他参数按照日常运行运营,小试成功后并于2019年12月1日至31日投加乙酸碳源进行生产性试验,因进水波动很大,为确保出水达标,视进水情况随时调整乙酸碳源投加量,投加乙酸60～330 mg/L,以探究外加乙酸碳源对该工业污水处理厂改良型Carrousel氧化沟去除CODCr、BOD5、总氮、氨氮、总磷、SS和pH等效果影响.

2 结果与讨论

2.1 外加乙酸碳源对工业污水中氨氮去除效果的影响

在31 d试验期间,进水平均CODCr/TN=2.57,改良型Carrousel氧化沟系统氨氮浓度变化如图3所示.从图3可知,进水氨氮浓度19.2～35.8 mg/L,平均27.3 mg/L,出水氨氮浓度0.278～4.86 mg/L,平均1.853 mg/L,远低于出水标准5.0 mg/L.氨氮去除率81.9%～99%,平均93.2%,略高于未投加乙酸前的平均处理效率88.3%.这表明外加乙酸碳源对改良型Carrousel氧化沟生物去除该工业污水中的氨氮效果理想.氨氮的去除主要是通过硝化作用实现的,而硝化作用主要与有机物浓度、溶解氧浓度、硝化菌的活性及数量等因素有关.从系统出水氨氮浓度分析,说明该氧化沟曝气阶段的硝化效果很好,也说明补充碳源能为反硝化阶段提供电子供体,有利于反硝化反应更好进行[5].

图3 外加乙酸碳源对工业污水中氨氮去除效果影响Fig.3 Effect of added acetic acid carbon source on ammonia nitrogen removal in industrial wastewater图4 外加乙酸碳源对工业污水中总氮去除效果影响Fig.4 Effect of adding acetic acid carbon source on total nitrogen removal in industrial wastewater

2.2 外加乙酸碳源对工业污水中总氮去除效果的影响

在31 d试验期间,进水平均CODCr/TN=2.57,改良型Carrousel氧化沟系统总氮浓度变化如图4所示.从图4可知,进水总氮浓度19.9～37.0 mg/L,平均28.8 mg/L,出水总氮浓度8.26～14.4 mg/L,平均12.43 mg/L,低于出水标准15.0 mg/L.总氮去除率31.2%～71.0%,平均56.8%,远高于未投加乙酸前的平均处理效率28.04%.这说明外加乙酸碳源对改良型Carrousel氧化沟强化生物脱除该工业污水中的总氮效果非常不错.生物反硝化过程中有机碳源的主要作用包括异化还原硝态氮、同化反硝化和转化为细胞内的贮藏物,且有机碳源也为反硝化菌的生长繁殖提供一定的能量与营养[19].

污水处理中生物脱氮是依靠反硝化菌完成.异养反硝化菌在反硝化脱氮过程中需要利用有机物[20].能够在生物反硝化脱氮及厌氧释磷过程中被利用的有机碳源众多,主要包括快速可生物降解碳源、慢速可生物降解碳源和内源性碳源[21].一般来说,快速可生物降解碳源是效果最佳的碳源,其反硝化速率、厌氧释磷速率快[22].但是对于快速可生物降解碳源而言,不同碳源的分子结构不一样,因而其对废水的反硝化脱氮、厌氧释放磷效果也不相同[23].反硝化脱氮可能与碳源代谢途径、微生物有效利用碳源的程度及系统中不同微生物能利用不同的碳源等因素有关[5].

2.3 外加乙酸碳源对工业污水中TP去除效果的影响

在31 d试验期间,进水平均CODCr/TN=2.57,改良型Carrousel氧化沟系统TP浓度变化如图5所示.从图5可知,进水TP浓度0.520～3.47 mg/L,平均1.501 mg/L,出水TP浓度0.028～0.326 mg/L,平均0.227 mg/L,低于出水标准0.5 mg/L.TP去除率平均84.9%,高于未投加乙酸前的平均处理效率75.0%,稳定达标.

图5 外加乙酸碳源对工业污水中TP去除效果影响Fig.5 Effect of added acetic acid carbon source on removal of TP from industrial wastewater

实验结果表明,外加乙酸碳源对改良型Carrousel氧化沟生物去除该工业污水中的TP效果非常理想.这是因为乙酸作为小分子有机物,当其被作为碳源时能被微生物直接吸收利用.对一般的除磷过程而言,厌氧阶段的充分释放磷是生物好氧阶段过量吸磷的前提.而生物厌氧释磷效果与易生物降解有机物有关,并且磷的释磷速率、释放量与基质类型有关[24].在厌氧的环境下,聚磷菌能够直接吸收利用VFAs变成PHB,同时快速的释放出磷酸盐[25].而葡萄糖作为碳源时,需要先转化为有机酸,才能被聚磷菌利用吸收,从而再释放出磷酸盐[26],并且许多中间的代谢产物,如醛类、醇类及一些有机酸等物质不易被聚磷菌利用吸收合成PHB,降低了磷酸盐的分解速度,从而影响磷酸盐的去除[27].

2.4 外加乙酸碳源对工业污水中BOD5去除效果的影响

在31 d试验期间,进水平均CODCr/TN=2.57,改良型Carrousel氧化沟系统BOD5浓度变化如图6所示.从图6可知,进水BOD5浓度9～30 mg/L,平均19 mg/L,出水BOD5浓度4～7 mg/L,平均5 mg/L,低于出水标准10.0 mg/L.BOD5去除率平均73.7%,略高于未投加乙酸前的平均处理效率73.3%,稳定达标.这表明外加乙酸碳源对改良型Carrousel氧化沟生物降解该工业污水中的BOD5效果无不利影响.

图6 外加乙酸碳源对工业污水中BOD5去除效果Fig.6 Removal Effect of Added Acetic Acid Carbon Source on BOD5 in Industrial Sewage图7 外加乙酸碳源对工业污水中CODCr去除效果Fig.7 Removal Effect of Added Acetic Acid Carbon Source on CODCr in Industrial Sewage

2.5 外加乙酸碳源对工业污水中CODCr去除效果的影响

在31 d试验期间,进水平均CODCr/TN=2.57,改良型Carrousel氧化沟系统CODCr浓度变化如图7所示.从图7可知,进水CODCr浓度47～138 mg/L,平均74 mg/L,出水CODCr浓度14～35 mg/L,平均25 mg/L,远低于出水标准50.0 mg/L.CODCr去除率平均66.2%,略高于未投加乙酸前的平均处理效率64.7%,稳定达标.这表明外加乙酸碳源对改良型Carrousel氧化沟生物降解该工业污水中的CODCr效果也很好.

2.6 外加乙酸碳源对工业污水中SS去除效果的影响

在31 d试验期间,进水平均CODCr/TN=2.57,改良型Carrousel氧化沟系统SS浓度变化如图8所示.从图8可知,进水SS浓度19～226 mg/L,平均88 mg/L,出水SS浓度2～6 mg/L,平均4 mg/L,远低于出水标准10.0 mg/L.SS去除率平均95.4%,略高于未投加乙酸前的平均处理效率93.3%.这表明改良型Carrousel氧化沟去除该工业污水中的SS效果理想.

图8 外加乙酸碳源对工业污水中SS去除效果Fig.8 Removal Effect of Added Acetic Acid Carbon Source on SS in Industrial Sewage图9 外加乙酸碳源对工业污水中pH变化效果Fig.9 Effect of adding acetic acid carbon source on pH change in industrial wastewater

2.7 外加乙酸碳源对工业污水中pH变化的影响

2.8 乙酸作为外加碳源反硝化脱氮的技术经济分析

2019年12月处理水量及碳源用量统计详见表2.乙酸价格按当时市场价格1 200元/t,以2019年12月处理水量及碳源用量计算,乙酸实际平均投加量为211.97 mg/L,这是因为进水浓度波动很大且C/N波动也大,小试时初始浓度低故而投加量也小.投加成本为0.254元/t,以该厂现有处理单价2.60元/t,相对合理.投加乙酸碳源对改良型氧化沟工艺处理低碳氮比的工业污水具有技术经济可行性与优势.

3 结论

本试验主要考察了改良型氧化沟处理低碳氮比实际工业废水工艺中乙酸碳源对强化反硝化脱氮的影响,通过对外加乙酸碳源系统废水中氨氮、TN、TP、CODCr和BOD5等指标的监测对比分析,得出结论如下:

1)进水氨氮平均浓度27.3 mg/L,出水氨氮平均浓度1.853 mg/L,远低于出水标准5.0 mg/L.氨氮平均去除率93.2%,略高于未投加乙酸前的平均处理效率88.3%,外加乙酸碳源对改良型Carrousel氧化沟生物去除该工业污水中的氨氮效果非常理想.

2)进水总氮平均浓度28.8 mg/L,出水总氮平均浓度12.43 mg/L,低于出水标准15.0 mg/L.总氮平均去除率56.8%,远高于未投加乙酸前的平均处理效率28.04%,外加乙酸碳源对改良型Carrousel氧化沟强化生物脱除该工业污水中的总氮效果非常好.

3)进水TP平均浓度1.501 mg/L,出水TP平均浓度0.227 mg/L,低于出水标准0.5 mg/L.TP平均去除率84.9%,高于未投加乙酸前的平均处理效率75.0%,外加乙酸碳源在满足强化生物脱氮时还有利于污水中TP的去除.

4)BOD5、CODCr和SS平均去除率分别为73.7%、66.2%和95.4%,略高于未投加乙酸前的平均处理效率73.3%、64.7%和93.3%,稳定达标.出水pH也稳定达标,说明外加乙酸碳源对改良型Carrousel氧化沟生物降解该工业污水中的BOD5、CODCr、SS和pH效果无不利影响.

综上,采用间歇曝气模式,氧化沟出口溶解氧2.0～3.0 mg/L,污泥浓度2 000～2 500 mg/L,污泥回流比80%～95%,其它按照污水厂日常运行参数运营,投加乙酸碳源对该工业污水处理厂改良型Carrousel氧化沟工艺出水总氮、氨氮、总磷、CODCr、BOD5、SS和pH等完全达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 19918—2002)一级A标准.低碳氮比的工业污水处理可以选用乙酸作碳源,乙酸实际合适的平均投加量为211.97 mg/L,投加成本为0.254元/t,投加乙酸碳源对该工业污水处理厂改良型Carrousel氧化沟强化生物去除总氮效果非常显著,该工艺的稳定运行为低碳氮比的工业污水处理系统优化设计、提标改造及废水资源化提供了有益的参考和借鉴.