城市中水綜合利用深度脫氮技術(shù)研究和工程示范

我國屬于水資源貧弱國，長期以來水源污染未得到有效控制，水資源問題已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的制約因素。研究污水的再生和利用尤其是城市中水（本文中城市中水是指經(jīng)二級城市污水廠處理的達(dá)標(biāo)排放水）綜合利用是環(huán)境保護(hù)、水污染防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 研究的意義

水資源問題嚴(yán)重影響社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以城市中水綜合利用為主的污水資源化是保護(hù)水資源和使水資源增值的有效途徑，同時也能大大地緩解我國水資源的緊缺。國家政策提倡循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以污（廢）水資源化為代表的循環(huán)經(jīng)濟(jì)項(xiàng)目受到國家的鼓勵和政策上的支持，另外環(huán)太湖流域水資源面臨緊缺和污染嚴(yán)重、新鮮水資源限制等使得越來越多的企業(yè)利用中水作為工業(yè)補(bǔ)給水。根據(jù)我省制藥、制革和精細(xì)化工等行業(yè)集中、多數(shù)污水處理廠排水氨氮、總磷超標(biāo)的現(xiàn)狀，城市中水綜合的首要任務(wù)是深度去除氨氮污染因子。

目前國內(nèi)外已在使用或已實(shí)驗(yàn)的污水脫氮技術(shù)主要可分為物化處理技術(shù)（如汽提、反滲透等）、生物脫氮法(生物膜法、泥法等)，較多存在投資大、運(yùn)行費(fèi)用高、管理困難、易產(chǎn)生二次污染等問題。本項(xiàng)目研究采用曝氣生物流化床（ABFT）技術(shù)對城市污水處理廠出水進(jìn)行深度脫氮處理回用補(bǔ)充電廠循環(huán)冷卻水，該技術(shù)包括兩大核心技術(shù)，一是NC-5ppi型微生物載體，二是廣譜性（適于pH中性、低水溫環(huán)境）Nitrobacteria-II型硝化菌種。建立了30000m3/d城市中水綜合利用示范工程，投入運(yùn)行后將減輕污水廠排放污水中的污染因子對太湖流域的水體影響，符合國家的節(jié)能減排政策和對太湖流域水體富營養(yǎng)化的嚴(yán)格控制要求。

2 工藝研究

2.1 主要研究內(nèi)容

（1）構(gòu)建硝化、亞硝化菌群體系。包括硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌的分離篩選、純化、富集和硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌生長機(jī)制、動力學(xué)參數(shù)研究。

（2）馴化硝化菌適應(yīng)pH中性、低溫的生長環(huán)境，篩選、富集能適宜更寬pH范圍、較低溫度的nitrobacteria-II硝化菌，實(shí)現(xiàn)nitrobacteria-II硝化菌的規(guī)�；�培養(yǎng)。

（3）NC-5ppi載體填料開發(fā)。包括載體填料的材質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在凈水器中的流態(tài)、固定化微生物的特點(diǎn)。

（4）高負(fù)荷硝化反硝化反應(yīng)裝置的研制開發(fā)。包括符合nitrobacteria-II硝化菌優(yōu)勢生長、填料流化狀態(tài)的反應(yīng)裝置形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和曝氣系統(tǒng)，反應(yīng)器水力流態(tài)對nitrobacteria-II硝化菌篩選和分布的影響。

（5）深度脫氮技術(shù)中試研究。研究硝化—反硝化穩(wěn)定運(yùn)行控制工藝參數(shù)，確定最佳氨氮負(fù)荷、最佳水力停留時間、最適溫度、溶解氧濃度、pH值范圍。

（6）城市中水深度脫氮綜合利用技術(shù)示范工程建立。針對城市中水建立一個高效深度脫氮技術(shù)示范工程： 30000m3/d城市中水綜合利用工程。

2.2技術(shù)關(guān)鍵

（1）NC-5ppi生物流化填料的成功開發(fā)。

（2）廣譜性（適于pH中性、低水溫環(huán)境）nitrobacteria-II硝化細(xì)菌的規(guī)�；�培養(yǎng)技術(shù)。

（3）ABFT工藝反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行工藝控制要點(diǎn)。

2.3創(chuàng)新點(diǎn)

（1）首次開發(fā)了空隙高、化學(xué)性能穩(wěn)定的NC-5ppi生物流化填料。

（2）首次實(shí)現(xiàn)廣譜性（適于pH中性、低水溫環(huán)境）nitrobacteria-II硝化細(xì)菌的規(guī)�；�培養(yǎng)技術(shù)。

（3）實(shí)現(xiàn)大水量深度脫氮技術(shù)高效性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

2.4實(shí)施方案

（1）亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌群體系的構(gòu)建。運(yùn)用劃線分離法分離、純化硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌，對已經(jīng)純化的亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌進(jìn)行生長曲線繪制，確定亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的生長動力學(xué)參數(shù)。

（2）nitrobacteria-II硝化菌規(guī)�；瘮U(kuò)培技術(shù)。通過對硝化菌生理特性的研究，控制特定的工藝條件，馴化硝化菌適應(yīng)pH中性、低溫等嚴(yán)格工藝條件，培養(yǎng)適應(yīng)pH值范圍更寬、溫度較低環(huán)境的nitrobacteria-II硝化菌，研制可調(diào)控培養(yǎng)條件的菌種規(guī)�；瘮U(kuò)培設(shè)備。

（3）NC-5ppi專用填料的開發(fā)。利用微型聚氨酯發(fā)泡機(jī)進(jìn)行設(shè)備改造，試驗(yàn)改變添加劑和原料的配比，同時投加A催化劑，產(chǎn)出彈性好、韌度強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、空隙率達(dá)5ppi的網(wǎng)狀填料。

（4）高負(fù)荷硝化反硝化反應(yīng)裝置的研制開發(fā)。通過nitrobacteria-II硝化菌生長特性的研究，以及載體填料實(shí)現(xiàn)流化狀態(tài)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)符合硝化菌快速繁殖的反應(yīng)裝置形狀和結(jié)構(gòu)。

（5）高效脫氮工藝穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)。反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中投加nitrobacteria-II硝化菌，分別配置不同氨氮濃度和pH值的實(shí)驗(yàn)進(jìn)水，在不同Do、環(huán)境溫度、回流比以及不同的回流位置進(jìn)行正交試驗(yàn)，使用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件通過多元回歸分析，確定影響nitrobacteria-II硝化菌脫氮效率的最重要因素及確定最佳的工藝控制參數(shù)。

（6）高負(fù)荷硝化反應(yīng)中試研究。運(yùn)用工程化手段，進(jìn)行工藝控制的放大優(yōu)化，同時應(yīng)用FLUENT流態(tài)模擬軟件指導(dǎo)中試設(shè)備的放大設(shè)計(jì)，分別研究2.5m3，25.0m3高效脫氮實(shí)驗(yàn)裝置，并在次基礎(chǔ)上應(yīng)用FLUENT流態(tài)模擬軟件優(yōu)化工程化設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

（7）示范性工程建設(shè)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究獲得高效深度脫氮工藝控制要點(diǎn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝，建設(shè)示范性工程。

3 研究成果

（1）通過本項(xiàng)目的研究，掌握了Nitrobacteria-II硝化菌擴(kuò)培技術(shù)，系統(tǒng)地獲得高效硝化反硝化工藝控制要點(diǎn)，處理設(shè)備及構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)，形成了成熟的硝化反硝化深度脫氮技術(shù)體系。Nitrobacteria-II型優(yōu)勢硝化菌種，適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強(qiáng)，結(jié)合載體流化、固定化微生物技術(shù)，可以適應(yīng)低堿度、低pH值的水質(zhì)環(huán)境。

（2）開發(fā)出NC-5ppi型專用填料，為網(wǎng)型寬孔高分子載體，空隙率高達(dá)97%,根據(jù)其材質(zhì)特點(diǎn)，載體骨架帶有氨基、羧基、羥基等大量親水性基團(tuán)，通過與微生物肽鏈氨基酸相應(yīng)基團(tuán)作用形成離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合從而將微生物、生物酶等固定在載體上，網(wǎng)狀寬孔結(jié)構(gòu)可使生物絮凝體進(jìn)入載體內(nèi)部顯著提高微生物附著量，同時使得載體懸浮于水中，在曝氣作用下實(shí)現(xiàn)載體流化且所需動力明顯小于以砂、焦炭等為載體的傳統(tǒng)流化床。結(jié)合反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，反應(yīng)器底部進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣時，使污水、空氣和生物膜進(jìn)行充分接觸傳質(zhì)，生物膜大量附著載體后能夠及時更新保持良好的活性，載體在曝氣、污水帶動下互相碰撞有效割切空氣泡成微氣泡，增加了氧氣的利用率，可減小曝氣量。因此本載體具有比表面積大、空隙率高、掛膜容易，容積負(fù)荷率高等特點(diǎn)，在深度脫氮應(yīng)用載體中具有明顯的優(yōu)勢。

（3）研制開發(fā)了高負(fù)荷硝化反硝化反應(yīng)裝置。 反應(yīng)裝置滿足了載體流態(tài)化、傳質(zhì)效果好，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等要求。

（4）掌握了常溫及低溫條件下，應(yīng)用ABFT工藝對城市污水廠出水進(jìn)行處理具有顯著的脫氮效果，最佳HRT為1.5h，氨氮負(fù)荷為0.6kgNH3-N/(m3.d)，平均NH3-N去除率高于95%。

HRT與NH3-N去除率之間的關(guān)系曲線見圖1所示。

圖1 水力停留時間與氨氮去除效率的關(guān)系曲線圖

從圖1可以看出有效水力停留時間1.5h時，NH3-N去除率仍能穩(wěn)定在95%以上。

圖2為調(diào)節(jié)進(jìn)水氨氮濃度即提高氨氮負(fù)荷，氨氮氨氮去除率的變化曲線。

圖2進(jìn)水氨氮濃度與氨氮去除率關(guān)系變化曲線圖

圖2顯示了進(jìn)水NH3-N濃度從10.6mg/L逐漸增大至25.89 mg/L（平均氨氮負(fù)荷0.6 kg/m3.d）過程中，NH3-N去除率穩(wěn)定高于98%。

圖3和圖4為長興城市污水廠出水在秋季和冬季兩階段深度脫氮中試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，秋季常溫條件下，出水NH3-N平均濃度0.04 mg/L,平均去除率達(dá)96.9%；冬季低溫條件下，出水NH3-N平均濃度0.35 mg/L，平均去除率達(dá)95.2%。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

圖3常溫條件下NH3-N去除率變化曲線圖

圖4低溫條件下NH3-N去除率變化曲線圖

（5）在浙江浙能長興發(fā)電有限責(zé)任公司建立了30000m3/d城市中水綜合利用示范工程，實(shí)現(xiàn)市政污水資源化的目標(biāo)，工程總投資2043萬元，運(yùn)行成本低于0.1元/噸。

4 ABFT工藝特點(diǎn)

（1）耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，受水溫、水質(zhì)、水量變化影響小，處理效果穩(wěn)定，并可以間歇運(yùn)行。溫度對其的影響明顯小于以生物轉(zhuǎn)盤或懸浮污泥層的反應(yīng)器。

（2）微生物量大。采用了新型的載體—NC-5ppi型生物流化填料。這種新型載體具有比表面積大、掛膜容易、生物膜更新快等優(yōu)點(diǎn)。

（3）Nitrobacteria-II高效菌種，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適應(yīng)較低水溫、pH中性的水質(zhì)環(huán)境。

（4）處理出水質(zhì)量好，運(yùn)行安全可靠，可達(dá)到循環(huán)冷卻水標(biāo)準(zhǔn)或生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。本反應(yīng)器可設(shè)置多級系統(tǒng)（一般４到６級），在有效去除氨氮污染物的同時，對其它污染因子也有顯著的凈化效果。

（5）水力停留時間短，載體填料的固定化微生物技術(shù)解決了氨氮降解需較長污泥齡與短水力停留時間之間的矛盾，占地面積小，較傳統(tǒng)硝化反硝化脫氮工藝減少50%空間需求。

（6）工藝流程短，網(wǎng)型寬孔載體切割氣泡效果好，氧的傳質(zhì)效率高。采用穿孔管曝氣阻力損失小，懸浮型填料流化較傳統(tǒng)流化床所需動力更小，動力消耗比傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝減少60%。

（7）調(diào)節(jié)、控制、運(yùn)行操作方便，人員配置較少，減少噸水人工成本。

（8）剩余污泥產(chǎn)量很少，一般進(jìn)行回流消解處理，不會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

（9）可直接在原有污水處理構(gòu)筑物（生化或沉淀池）大體結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行氨氮達(dá)標(biāo)改造。

（10）在應(yīng)用方面。同接觸氧化工藝相比，省卻了填料框架，填料投加方便；同曝氣生物濾池相比，不用進(jìn)行反沖洗，降低了投資費(fèi)用和運(yùn)行成本，運(yùn)行連續(xù)穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目研究的ABFT工藝系統(tǒng)氨氮處理負(fù)荷高、運(yùn)行管理簡單方便、經(jīng)濟(jì)性好，既能節(jié)約基建投資、又降低了運(yùn)行成本。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)動力學(xué)理論研究，做好高氨氮去除率的機(jī)理研究。（煤炭科學(xué)研究總院杭州環(huán)境保護(hù)研究所）