氣升環(huán)流反應(yīng)器處理高氨氮豆制品廢水

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)SHARON 工藝、SND(同步硝化反硝化) 等新型脫氮工藝的機(jī)理及實(shí)驗(yàn)室研究較多，但由于溫度、溶解氧等控制參數(shù)要求苛刻，工程應(yīng)用仍鮮見報(bào)道。

氣升環(huán)流反應(yīng)器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、能耗低、無需機(jī)械攪拌等特點(diǎn)，在生物、化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用與研究也逐步展開。但其受高徑比設(shè)計(jì)方式單一和曝氣方式等因素的限制，使得目前氣升式環(huán)流反應(yīng)器用于實(shí)際工程的很少。

本項(xiàng)目將總?cè)莘e為3 400 m3 的多導(dǎo)流筒氣升環(huán)流反應(yīng)器應(yīng)用于處理規(guī)模為1 800 m3/d的高NH4+-N豆制品廢水處理工程改造，取得了良好的效果。反應(yīng)器高為15 m，直徑為17 m，占地面積約254 m2 (含基礎(chǔ)面積) ，內(nèi)含204 根導(dǎo)流筒，反應(yīng)器總高徑比＜1，反應(yīng)器連續(xù)進(jìn)水，實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化，幾乎無NO2-與NO3-積累，TN 去除率最高達(dá)98．8%，出水COD、NH4+-N 等指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。

1 工程概況

杭州某豆制品廠在大豆煮漿、深加工等生產(chǎn)各類豆制品的過程中產(chǎn)生1 800 m3/d高COD、高有機(jī)氮廢水，原有設(shè)計(jì)水量為1 500 m3/d的調(diào)節(jié)池+UASB 的廢水處理系統(tǒng)出水水質(zhì)已不能達(dá)到當(dāng)?shù)亍段鬯�排入城�?zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 343—2010) ，必須進(jìn)行改造。

原系統(tǒng)運(yùn)行情況及排放標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

原廢水處理系統(tǒng)中UASB 反應(yīng)器在水溫為(37±1)℃、容積負(fù)荷為4～6kgCOD/(m3·d) 條件下，對(duì)COd的去除率穩(wěn)定在90% 以上，厭氧出水COD為800～1 000 mg/L，VFA(揮發(fā)性脂肪酸) 為3～5mmol/L，CaCO3堿度為4 200 mg/L 左右，沼氣產(chǎn)量為6 000～7 000 m3/d。原UASB 反應(yīng)器對(duì)NH4+-N、有機(jī)氮幾乎沒有去除效果，UASB 出水NH4+-N高達(dá)210～270 mg/L。由于廠區(qū)用地緊張，環(huán)�？捎玫貎H為約360 m2，新增的好氧系統(tǒng)需能去除廢水中殘余COd并脫氮。

2 多導(dǎo)流筒氣升內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)原理

采用自行開發(fā)的多導(dǎo)流筒氣升環(huán)流反應(yīng)器，工作微元示意見圖1。反應(yīng)器內(nèi)部包含204 個(gè)工作微元，罐體為鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)涂環(huán)氧樹脂防腐，總高為15m，直徑為17 m，總?cè)莘e為3 400 m3，有效容積為3 000 m3，占地面積為227 m2，微孔曝氣軟管伸入導(dǎo)流筒頂端約1 m，曝氣使導(dǎo)流筒內(nèi)含氣率升高，與筒外形成密度差，使反應(yīng)器內(nèi)沿導(dǎo)流筒自發(fā)形成內(nèi)循環(huán)，內(nèi)循環(huán)量與表觀氣速、降流區(qū)總直徑等因素有關(guān)。反應(yīng)器采用PLC 控制器自動(dòng)控制連續(xù)進(jìn)水、間歇曝氣、間歇出水，曝氣、沉淀、出水時(shí)間均可在中控計(jì)算機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏調(diào)節(jié)，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行過程與CASS(循環(huán)式活性污泥法) 工藝類似，但無需污泥回流設(shè)備，并有大比例回流稀釋，反應(yīng)器耐沖擊能力更強(qiáng)。反應(yīng)器沉淀時(shí)表面負(fù)荷為0．33 m3/(m2·h) ，連續(xù)進(jìn)水對(duì)沉淀過程中泥水分離幾乎沒有影響。

利用變頻技術(shù)及調(diào)整曝氣支管上的蝶閥開度來控制溶解氧。在曝氣區(qū)，異養(yǎng)菌利用氧氣將廢水中可降解有機(jī)物氧化為CO2和H2O，硝化菌將NH4+-N氧化為NO2--N或NO3--N，廢水循環(huán)向下至底部與原水混合時(shí)呈缺氧狀態(tài)，菌膠團(tuán)中的反硝化細(xì)菌利用原水中的COd為碳源，將NO2--N、NO3--N反硝化為N2，剩余的COd和NH4+-N沿導(dǎo)流筒向上進(jìn)入好氧區(qū)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)反應(yīng)器中的同步硝化反硝化。由于沒有NO2--N、NO3--N 的積累，在沉淀期內(nèi)也不會(huì)因?yàn)榉聪趸�產(chǎn)生N2影響沉淀功能。底部缺氧區(qū)在沉淀時(shí)起到了污泥選擇器的作用，能有效抑制污泥膨脹。反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，采用較低的污泥負(fù)荷，污泥齡長(zhǎng)，有利于硝化細(xì)菌的富集，且剩余污泥量少。反應(yīng)器主體與配套設(shè)備的主要參數(shù)如表2 所示。

3 多導(dǎo)流筒氣升內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的啟動(dòng)運(yùn)行

3. 1 反應(yīng)器的啟動(dòng)

罐體試水和設(shè)備調(diào)試后，開始啟動(dòng)多導(dǎo)流筒氣升內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器。由于前段有中溫UASB 反應(yīng)器，好氧反應(yīng)器接納廢水常年穩(wěn)定在28～35℃，此溫度條件有利于培菌。

采用接種少量污泥方式啟動(dòng)。將原水注入反應(yīng)器至工作高度，悶曝72 h，COd濃度從11 200 mg/L降至4 800 mg/L 后，向反應(yīng)器內(nèi)投加含水率為90%的好氧壓濾污泥約8 t，反應(yīng)器初始MLSS 為260mg/L 左右。根據(jù)控制污泥負(fù)荷的不同，將培菌過程分為異養(yǎng)菌培養(yǎng)與硝化菌培養(yǎng)兩個(gè)階段。

在溫度適宜、溶解氧充足和較高的污泥負(fù)荷等條件下，異養(yǎng)菌能夠利用廢水中的COd和氧氣快速增殖，表現(xiàn)在反應(yīng)器內(nèi)MLSS 持續(xù)增長(zhǎng)，COd含量逐步下降。采用超越部分原水的方式補(bǔ)充好氧反應(yīng)器的碳源，用于異養(yǎng)菌的培養(yǎng)與反硝化。異養(yǎng)菌培養(yǎng)期反應(yīng)器內(nèi)COD、MLSS 的濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖2 所示。接種污泥對(duì)豆制品廢水適應(yīng)良好，反應(yīng)第二天廢水的COd濃度從4 800 mg/L 降至3 500mg/L，由于接種污泥量太低，反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)負(fù)荷過高，導(dǎo)致活性污泥粘性物質(zhì)增多，反應(yīng)器產(chǎn)生大量白色泡沫，現(xiàn)場(chǎng)采用降低反應(yīng)器液位、噴淋消泡等手段消除泡沫影響，并保持曝氣充足，在第三天泡沫消失。前9 天反應(yīng)器污泥負(fù)荷始終在1kgCOD/(kgMLSS·d) 以上，9 天后超越部分原水至反應(yīng)器以維持此污泥負(fù)荷，有利于異養(yǎng)菌快速生長(zhǎng)。經(jīng)過14 天的培養(yǎng)，反應(yīng)器內(nèi)COd濃度降至400 mg/L 以下，MLSS 升高至1 500 mg/L 以上。

較高的污泥負(fù)荷滿足了異養(yǎng)菌快速增殖的條件，但是不利于硝化菌的生長(zhǎng)。從第15 天開始向反應(yīng)器內(nèi)逐步減少原水的超越量，增加厭氧處理出水量，厭氧出水COd濃度為800～1 400 mg/L、NH4+-N濃度為185～270 mg/L，污泥有機(jī)負(fù)荷控制在0．2kgCOD/(kgMLSS·d) 左右。此工況運(yùn)行情況如圖3所示。

初期MLSS 呈緩慢上升趨勢(shì)，但較長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行，至第25 天時(shí)MLSS 開始下降，而NH4+-N去除率也在此階段上升至50%，表明在較低污泥負(fù)荷下，氨氧化菌增殖至一定數(shù)量。到第30 天時(shí)，增大進(jìn)水量至設(shè)計(jì)水量并超越部分原水，污泥負(fù)荷升至0．5kgCOD/(kgMLSS·d) ，污泥濃度和NH4+-N去除率分別穩(wěn)定上升至3 947 mg/L 和96．8%。為維持反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度穩(wěn)定，降低原水的超越量，將污泥負(fù)荷控制在0．25～0．35kgCOD/(kgMLSS·d) ，MLSS 穩(wěn)定在3 000～3 500 mg/L，反應(yīng)器進(jìn)入正常運(yùn)行階段。

3. 2 反應(yīng)器的運(yùn)行分析

經(jīng)過近400 天的穩(wěn)定運(yùn)行，反應(yīng)器的最終運(yùn)行工況為: 處理水量為1 800 m3/d，進(jìn)水COd濃度為800～1 000 mg/L，NH4+-N濃度為185～270 mg/L，水溫為(31 ±3)℃，反應(yīng)器曝氣190 min，沉淀與排水50 min，曝氣時(shí)反應(yīng)器上層DO 值維持在1．5 ～2．5 mg/L，底部溶解氧濃度為0．5～1 mg/L，沉淀時(shí)DO 值約為0．5 mg/L，污泥濃度控制在3 000～3 500mg/L，污泥齡約為45 d，有機(jī)污泥負(fù)荷維持在0．16～ 0．2kgCOD/(kgMLSS·d) ，NH4+-N污泥負(fù)荷約為0．05kg NH4+-N/(kgMLSS·d) ，C/N 約為4，對(duì)COD、NH4+-N的去除率分別為70%、95%，反應(yīng)器最大氨氧化速率為6．25 mg NH4+-N /(L·h) 。在曝氣與沉淀階段，廢水中NO2--N、NO3--N 均小于0．5 mg/L，絕大部分時(shí)間未檢出，證明反應(yīng)器中進(jìn)行著同步硝化反硝化，TN 去除率約為98%。

氣升內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)功率密度為29．7 W/m3，總運(yùn)行功率約為1 884 kW，平均電耗為0．84元/m3、人工費(fèi)為0．2 元/m3、污泥處理費(fèi)為0．2 元/m3，無藥劑費(fèi)用，直接運(yùn)行費(fèi)用約為1．24 元/m3，整個(gè)廢水處理系統(tǒng)中好氧部分單位處理水量的占地面積為0．126 m2/m3。

4 總結(jié)與討論

①采用�h17 m× 15 m 的多導(dǎo)流筒氣升內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器處理1 800 m3/d豆制品廢水厭氧處理出水，經(jīng)過50 余天的調(diào)試，反應(yīng)器達(dá)到設(shè)計(jì)要求，穩(wěn)定運(yùn)行階段出水COD≤350 mg/L、NH4+-N≤10 mg/L、TN≤10 mg/L，均滿足當(dāng)?shù)亍段鬯�排入城�?zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 343—2010 ) ，氨氧化速率最高為6．25 mg NH4+-N/(L·h) ，對(duì)總氮、氨氮去除率最高達(dá)98．8%，遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

②反應(yīng)器曝氣階段和沉淀階段反應(yīng)器內(nèi)NO2--N、NO3--N濃度均小于0．5 mg/L，屬于同步硝化反硝化過程。推測(cè)原因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)部由氣提形成好氧/缺氧區(qū)并有大比例回流，但不排除微環(huán)境理論與好氧反硝化菌的作用，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

③反應(yīng)器單位處理水量占地面積為0．126m2/m3，占地面積小，采用普通風(fēng)壓風(fēng)機(jī)曝氣，處理費(fèi)用為1．24 元/m3，反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無傳動(dòng)部件，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，可在用地面不足的情況下使用。

④此項(xiàng)目將氣升式環(huán)流反應(yīng)器成功應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模的廢水脫氮處理工程，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)反應(yīng)器總氣含率、循環(huán)流量、傳質(zhì)效果等進(jìn)行研究，對(duì)反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。另外，與MBR 膜出水方式結(jié)合，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的連續(xù)進(jìn)出水運(yùn)行，用于市政污水脫氮除磷，也是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。