短程硝化厌氧氨氧化全程硝化工艺处理焦化废水

短程硝化/厌氧氨氧化/全程硝化工艺处理焦化废水薛占强1，李玉平2，李海波2，林琳2，曹宏斌2(1．鞍钢股份有限公司化工总厂，辽宁鞍山114021;2．中国科学院过程工程研究所，北京100190)摘要:通过对短程硝化和厌氧氨氧化工艺的研究，开发了短程硝化/厌氧氨氧化/全程硝化(O1/A/O2)生物脱氮新工艺并用于焦化废水的处理。控制温度为(35±1)℃、DO为2．0～3．0mg/L，第一级好氧连续流生物膜反应器在去除大部分有机污染物的同时还实现了短程硝化。考察了HRT、DO和容积负荷对反应器运行效果的影响。结果表明，当氨氮容积负荷为0．13～0．22gNH+4－N/(L·d)时，连续流反应器能实现短程硝化并有效去除氨氮。通过控制一级好氧反应器的工艺参数，为厌氧反应器实现厌氧氨氧化(ANAMMOX)创造条件。结果表明，在温度为34℃、pH值为7．5～8．5、HRT为33h的条件下，经过115d成功启动了厌氧氨氧化反应器。在进水氨氮、亚硝态氮浓度分别为80和90mg/L左右、总氮负荷为160mg/(L·d)时，对氨氮和亚硝态氮的去除率最高分别达86%和98%，对总氮的去除率为75%。最后在二级好氧反应器实现氨氮的全程硝化，进一步去除焦化废水中残留的氨氮、亚硝态氮和有机物。O1/A/O2工艺能有效去除焦化废水中的氨氮和有机物等污染物，正常运行条件下的出水氨氮＜15mg/L、亚硝态氮＜1．0mg/L，COD降至124～186mg/L，出水水质优于A/O生物脱氮工艺的出水水质。关键词:焦化废水;生物脱氮;短程硝化;厌氧氨氧化中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1000－4602(2011)01－0015－05基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07207－003、2008ZX07208－004);国家高技术研究发展计划(863)项目(2007AA06Z327)ShortcutNitrification/AnaerobicAmmoniumOxidation/CompleteNitrificationProcessforTreatmentofCokingWastewaterXUEZhan-qiang1，LIYu-ping2，LIHai-bo2，LINLin2，CAOHong-bin2(1．GeneralChemicalPlant，AngangSteelCo．Ltd．，Anshan114021，China;2．InstituteofProcessEngineering，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China)Abstract:Thecombinedprocessofshortcutnitrification，anaerobicammoniumoxidationandcom-pletenitrificationwasdevelopedforthetreatmentofcokingwastewater．Theorganicpollutantsaremainlyremoved，andshortcutnitrificationisobtainedinthefirst-stageaerobiccontinuous-flowbiofilmreactorattemperatureof(35±1)℃andDOof2．0to3．0mg/L．TheeffectsofHRT，DOandvolumeloadontheoperationefficiencyofthereactorwereinvestigated．Theresultsshowthattheshortcutnitrificationisobtained，andammonianitrogeniseffectivelyremovedinthereactor．Theprocessparametersofthereac-torarecontrolledtoachieveanaerobicammoniumoxidationintheanaerobicreactor．Theanaerobicam-moniumoxidationreactorissuccessfullystartedupafter115daysattemperatureof34℃，pHof7．5to·51·第27卷第1期2011年1月中国给水排水CHINAWATER＆WASTEWATERVol．27No．1Jan．20118．5andHRTof33h．Whentheinfluentammonianitrogen，nitritenitrogenandtotalnitrogenare80mg/L，90mg/Land160mg/(L·d)respectively，theremovalratesofammonianitrogen，nitritenitro-genandtotalnitrogenare86%，98%and75%respectively．Thecompletenitrificationofammoniani-trogencanbeachievedinthesecond-stageaerobicreactortofurtherremovetheresidualammonianitro-gen，nitritenitrogenandorganicpollutants．Thecombinedprocesscaneffectivelyremoveammonianitro-gen，organicsandotherpollutantsfromcokingwastewater．Underthenormaloperationconditions，theef-fluentammonianitrogen，nitritenitrogenandCODarelessthan15mg/L，1．0mg/Landbetween124mg/Land186mg/Lrespectively，indicatingthattheeffluentqualityisbetterthanthatoftraditionalA/Odenitrificationprocess．Keywords:cokingwastewater;biologicaldenitrification;shortcutnitrification;anaerobicammoniumoxidation焦化废水作为钢铁行业的主要废水之一，其特点是水量大、成分复杂、可生化性差［1、2］。目前，焦化废水多采用生化法进行处理，但传统的生物脱氮工艺运行控制复杂、流程长、耗氧量大、基建投资和运行费用高。近年来，各国学者致力于开发生物脱氮新工艺来解决这些实际问题，并取得了一定进展［3］。与传统的硝化反硝化工艺相比，短程硝化反硝化工艺具有以下优点:①硝化阶段可减少25%左右的需氧量，降低了能耗;②反硝化阶段可减少40%左右的有机碳源，降低了运行费用;③占地面积小，反应器容积可减小30%～40%;④具有较高的反硝化速率;⑤污泥产量低(硝化过程可少产污泥为33%～35%，反硝化过程可少产污泥约55%);⑥投碱量少。因此，对于C/N值较低的焦化废水处理，亚硝化型反硝化具有重要的现实意义。厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺是由荷兰Delft大学开发的生物脱氮新技术，其以NH+4为电子供体、NO－2为电子受体，无需外加有机碳源，极大地节省了运行费用。但厌氧氨氧化菌的活性容易受到氧的抑制，对环境较敏感，生长缓慢且难以维持较高的浓度，导致反应器的启动周期较长，制约了在实际工程中的应用。目前ANAMMOX技术仅在市政污水处理领域有应用。由于焦化废水中的有毒物质会对厌氧氨氧化菌产生抑制作用，因此用ANAMMOX技术处理焦化废水的脱氮难度远大于处理城市生活污水的。笔者采用短程硝化/厌氧氨氧化组合技术处理焦化废水，考察了短程硝化工艺和厌氧氨氧化生物膜反应器启动的影响因素，旨在为采用该工艺处理焦化废水提供指导。1试验材料及方法1.1试验材料焦化废水取自某大型钢铁公司的焦化厂，其水质见表1。通过添加硫酸和磷酸来调整废水的pH值，按照C∶N∶P=200∶50∶1添加磷元素以调整废水的营养组成。接种污泥取自焦化废水生化处理系统的曝气池，静沉30min以除去沉降性能差的污泥及悬浮杂质。表1焦化废水水质Tab．1Qualityofcokingwastewater项目数值COD/(mg·L－1)1700～2200NH+4－N/(mg·L－1)200～500挥发酚/(mg·L－1)250～350SCN－/(mg·L－1)40～70油类/(mg·L－1)30～50pH8．5～10．51.2试验装置O1/A/O2工艺如图1所示，各单元均采用生物膜反应器。图1O1/A/O2工艺流程Fig．1FlowchartofO1/A/O2processforcokingwastewatertreatment反应器由有机玻璃加工而成，内部填装不同填料。废水分别由蠕动泵连续泵入各反应器底部，从·61·第27卷第1期中国给水排水．watergasheat．com上部出水。其中一级好氧反应器(O1)和厌氧反应器(A)的高为1000mm、直径为180mm，沿高度方向每隔100mm设置一个取样口;二级好氧反应器(O2)的高为900mm、直径为90mm，沿高度方向每隔200mm设置一个取样口。反应器温度都控制在35℃左右，pH值控制在7．5～8．5。1.3分析项目及方法pH:电极法;SS和VSS:重量法;氨氮:电极法;亚硝态氮:N－(1－萘基)－乙二胺光度法［4］;硝态氮:离子色谱法;有机物组成:气相色谱/质谱(GC/MS)法。2结果与分析2.1短程硝化工艺的参数2.1.1进水氨氮浓度对短程硝化的影响一级好氧反应器实现短程硝化后，在DO为2．0～3．0mg/L、温度为(35±1)℃、水力停留时间为27h的条件下，通过添加硫酸铵逐步将进水氨氮浓度从100mg/L左右提高到约400mg/L。结果表明，当进水氨氮为100～250mg/L时，对氨氮的去除率和亚硝态氮积累率都维持在95%以上;当进水氨氮＞250mg/L后，随着进水氨氮浓度的提高，出水氨氮浓度逐渐升高，对氨氮的去除率下降，当进水氨氮为400mg/L左右时，出水氨氮约为150mg/L，对氨氮的去除率为60%左右，在此过程中，亚硝态氮的积累率均维持在95%以上。可见，当进水氨氮＜250mg/L即容积负荷＜0．22gNH+4－N/(L·d)时系统能同时维持较高的氨氮氧化率和亚硝态氮积累率。进水氨氮浓度对短程硝化的影响一方面是由于反应器去除氨氮能力的限制，另一方面，游离氨(FA)会对硝化菌产生抑制作用。2.1.2HRT对短程硝化的影响维持一级好氧反应器的进水氨氮为250mg/L左右，通过调整蠕动泵流量来改变水力停留时间。结果表明，当水力停留时间为20和27h时，一级好氧反应器的出水氨氮＜1．0mg/L，亚硝态氮为200mg/L左右，对氨氮的去除率和亚硝态氮积累率都在85%以上;当水力停留时间调整为13h后，出水氨氮浓度逐渐增加到150mg/L左右，亚硝态氮降至100mg/L左右，亚硝态氮的积累率维持在85%以上，而对氨氮的去除率逐渐降至45%左右;当延长水力停留时间至47h后，出水氨氮及亚硝态氮浓度均接近于零，对氨氮的去除率＞99%，而亚硝态氮积累率接近于零;重新调整水力停留时间为20h，对氨氮的去除率稍有波动但仍维持在85%以上，亚硝态氮积累率则逐渐恢复到85%以上。在一级好氧反应器的生物膜中硝化菌和亚硝化菌同时生长，氨氮的氧化过程是分阶段进行的，亚硝化菌将氨氮氧化为亚硝态氮，硝化菌则将亚硝态氮氧化为硝态氮。当HRT足够长时(47h)，亚硝态氮全部被氧化为硝态氮，表现为全程硝化。将水力停留时间从47h调整为20h后，亚硝态氮的积累率提高，恢复了短程硝化。在水力停留时间为13、20、27h的条件下，反应器中氨氮的氧化能控制在亚硝化阶段。2.1.3DO浓度对短程硝化的影响