高浓度氨氮废水生物脱氮最佳运行条件控制刘俊新

第28卷第5期1995年10月哈尔滨建筑大学学报Vol.28NosJournalofHarbinUnivesrityofArehiteetuerandEngineeringOet.1995高浓度氨氮废水生物脱氮最佳运行条件控制刘俊新李伟光王宝贞金承基(水处理研究室)摘要进行了分析,关键词分类号本文以试脸结果为基础,对高浓度氨氮废水生物处理过程中的主要影响因素提出了最佳运行条件.煤气废水;焦化废水;生物脱氮X703O前言在煤气、焦化和氮肥等工业废水中,通常含有高浓度的氨氮。物脱氮工艺处理这些废水时,氨氮的去除过程可用下式表示:ll]NH了+1.502~NO牙+ZH十+H夕NO牙+0.50:~NO子采用缺氧一好氧生l()(3)((2)’)NO牙+3H(氢供给体ND丁十5(H氢供给体一有机物卜合、+H。+。H-一有机物卜合NZ+ZH。+。H-式(l)和(2)在好氧条件下进行,而式(3)和(4)则在缺氧条件下进行。因此,为了有效地从废水中除氨氮和有机物,需要将各段运行条件控制在最佳范围内。本文根据煤气废水和焦化废水生物脱氮小试和生产试验研究成果,对影响生物脱氮过程的主要因素进行了考察,并提出了最佳运行条件。试验条件本试验采用缺氧一好氧(Ao/)改进式生物脱氮工艺,其工艺流程见图1。缺氧段采用半软性填料,好氧段采用悬浮污泥或半软性填料.小试装置用有机玻璃制成,缺氧段容积为.74L,好氧段容积为16L,并根据原水需要可调整容积。生产试验装置利用工厂原有生物处理设施改造而成,缺氧池、好氧池和收稿日期:l卯4一06一27回流污泥好氧卜叫沉淀卜尸一出水.回流水…!试脸工艺流程示意图刘俊新男38岁副教授Z哈尔滨建筑大学环境工程系(15峨叉))1)70哈尔滨建筑大学学报第28卷沉淀池的有效容积分别为20m,、6om,和38m,。试验水水质情况见表1。在小试中,为了考察各影响因素,对原废水进行了稀释。在生产试验中,试验水即生产废水.生产废水水质变化较大。煤气废水和焦化废水中均缺磷,为保证微生物生长的需要,向废水中加人适量的磷盐.表1试验水水质统计表废废水来源源pHHHCODDDBOD,,酚酚卜任王厂NNN有机氮氮SCN---CN---(((((口吸飞)))(m目工)))(叱凡)))(爬压)))(吨几)))(nlg凡)))(mg瓜)))(口唱压)))煤煤气废水水9.2221驯力力l]的的4500084555]62222777777(((小试)))))))))))))))))))焦焦化废水水9.00012田田7300040003幻幻766618444。.叫叫(((小试)))))))))))))))))))焦焦化废水水8.5557077733000130002]0008000150000333(((生产试脸)))~1000一汾1000~13田田ee41000eelX(均均一25888~36888~93332好氧硝化反应的最佳控制条件.21pH和碱度由式(l)一(4)可知,在硝化过程中将产生酸,因此消耗水中的碱度,而在反硝化过程中则产生碱度。根据理论计算,每硝化19氨氮约需7.579的碱度(以Na厂03计);每反硝化lgNOZ一N或NO3一N可产生3.789的碱度。因此,对于生物脱氮工艺,如果反硝化完全,则每去除gl氨氮约需加碱3.789。在实际运行中,由于废水中含有一定量的碱度,而且部分氨氮在曝气池被吹脱,因此实际加碱量与理论值并不完全相符,通常需要根据曝气池内的碱度来确定投碱量。图2是试验运行期间监测的曝气池出水中氨氮浓度与剩余碱度的关系。由图2可见,为保证出水中氨氮浓度低于巧mg/L(国家排放标准),剩余碱度应大于80mg压。pH值对硝化的影响主要表现为对水中氨和碳酸存在形态的影响。氨在水中以两种形态存在,即游离氨(NH3)和固定氨(N比),它们之间的平衡式为:ǎū劝日à侧每奄殡出水氨氮(吨刀)图2曝气池出水中氨氮与碱度的关系NH3+H十#NH了(5)由式(5)可见,当pH值升高时,平衡向左移动,NH3比例增大。生物硝化是硝化菌对N壬公进行反应,NH3高时对硝化反应有抑制作用。根据式(5)以及氨的电离常数可计算出,在水温为20一30oC、pH为.80时,水中总氨中NH3所占比例为.38%一.75%;当pH上升到.90时,NH。的比例上升到28%一45%。假如控制曝气池出水中氨氮浓度为巧mgL/,如果pH二8刀,则水中NH。的浓度为0.57一1.12mg/L;当pH=9.0时,NH、浓第5期刘俊祈等:高浓度氛氮度水生物脱氮最佳运行条件控制71度为.42一.675mg压。据研究报导,当卜旧3浓度大于1乃mg/L后对硝酸菌有抑制作用,水中出现NO:一N累积;当NH3浓度大于10rng压后,则对亚硝酸菌产生抑制作用。因此,为了保证硝化反应进行,而且硝化产物为NO,一N,避免出现NOZ一N累积,则pH值应小于8.0。根据碳酸平衡理论,碳酸在水中以三类不同的化合形态存在,即H厂q、HCO--3和co圣一。生物脱氮中所利用的诚度是HCO子形态的碱度。当pH二.65一10时,水中的碳酸主要以HCO三形态存在,有利于硝化反应的进行【刀。图3是试验中测定的曝气池出水中剩余碱度与pH的关系.由图可见,剩余碱度80mg瓜时对应的pH为.65。综上所述,为了保证硝化反应顺利进行,pH应控制在.65一.80之间,碱度应大于80mg/L,但碱度不宜过高,否则将使处理成本增高,而且造成浪费。.22污泥龄毛,琳厂巴“0「--一万侧};孟了舒__l/一;书为r/!`}护}O】~~甲.we勺ee.`otseleese几566578出水pH图3曝气池出水中碱度与pH值的关系许多研究成果表明,污泥龄对硝化菌的生长和氨氮的去除效率具有较大的影响,因为硝化菌的世代增殖时间远长于普通细菌。在许多脱氮工艺的运行中,采用少排或不排污泥的运行方式来延长污泥龄。表2是本试验中水温为20一3o0C时考察的污泥龄对氨氮去除率影响结果.由表2可知,为了保证氨氮去除率在99%以上,需要控制污染龄大于50天。表2污泥岭与氮氮去除率的关系污泥龄(天)氮氮去除率(%)署+条益糕米剿蓄石.23温度与氨氮负荷温度对硝化菌的影响比对一般去除有机物的细菌要大,一般认为硝化菌最适宜生长冲a3l气乙al.0.,的急洲à但妈喊减ǎ瞬à哥告粼减城印七--一曰`一一一二.一_15加25刃3540水沮ec)图4沮度与氮盆去除率的关系卜氮氮负荷小于.0]5;2氮氮负荷0.15~0.3;3一氮氮负荷大于.03k吵爪gNlkg、..d0Ll5水沮o()C图5沮度与氮氮负荷的关系1一氮氮去除率如%以上2一氛氮去除率95%以上3一拭氮去除率99%以上刀哈尔滨建筑大学学报第28卷的温度在3O0C左右,低于1o5C,硝化速率显著下降131.本试验结果表明,温度对氨氮去除效率的影响与氨氮负荷有关。图4是水温与氨氮去除率变化的试验结果.由图4可见,温度对氨氮去除率的影响随氨氮负荷的增加而增大。图5是保证氨氮去除率在99%、95%或90%以上时温度与氨氮负荷之间关系的试验结果.由图5可见,为了保证一定的氨氮去除率,当温度改变时,氨氮负荷也必须做相应的调整。.24水力停留时间(HRT)由图4和图5可看出,在一定的温度条件下,氨氮去除率受负荷的影响,负荷增加则去除率有所下降。而负荷的大小关系到处理构筑物的HRT.对于高浓度氨氮废水,印40ǎ月à20卜苗忿耳软碳源通常不足,大部分有机物在缺氧池内进行反硝化时已被利用,进人曝气池的有机物浓度较低。因此,曝气池的HRT主要取决于氨氮浓度。图6是本试验中水温3JC左右时,保证处理后出水中氨氮浓度小于巧mgL/条件下原水中氨氮浓度与曝气池HRT的关系试验结果。曝气池HRT按原水流量计算。由图6可知,当原水中氨氮浓度增加时,曝气池的壬刃民T也需要相应延长,以保证出水水质达到排放标准。-一岛一一~J卜,~~-J`.~-~jO岌幻喇刀以洲)8加原水NH3一N浓度(姚刀)图6原水中氨氮浓度与曝气池HRT的关系3缺氧反硝化反应的最佳控制条件3.1碳氮比反硝化反应是在缺氧池内进行。由式(3)和(4)可知,为了保证反硝化反应的顺利进行,需要有足够的有机物做为反硝化菌还原硝态氮时的碳源。本试验工艺是利用原水中的有机物做碳源,因此,进水中有机物的多少将直接关系到脱氮效率的高低。对于高浓度氨氮废水,碳氮比通常偏低,能否满足生物脱氮的要求是需要研究的问题之一。图7是本试验工艺中缺氧反硝化池进水中BODSN/OT一N的变化对反硝化率影响的试验结果。由图7可知,当缺氧池进水中BOD州q一N大于4时,反硝化率可达90%以上.再增大BoD州OT一N的比值,反硝化率提高不大.的907080印5060soǎ岁à哥牟汗以叼`图7缺氧池进水中46u`时。BoD州o士一NCOD汀NBOD。加认一N与反硝化率的关系图8原水中COD厂N与总拟去除率的关系第5期刘俊街等:高浓度氛氮度水生物脱氮最佳运行条件拉钊73在实际应用中,往往根据原水中碳氮比来判断碳源是否充足。为此,在试验中对原水中COD爪N与总氮(TN)去除率的关系进行了考察。其中,TN包括氨氮以及可转化为氨氮的有机氮、SCN一和CN一。试验结果见图8。根据试验结果,当回流比、硝态氮负荷和水温都在适当的范围内时,原水中COD厂N大于4.5后,本试验工艺总氮去除率可达80%以上。.32硝态氮负荷硝态氮负荷也是影响缺氧池反硝化效率的因素之一。根据试验结果,见图9。对于本试验工艺,硝态氮负荷小于.07kgNoT一N八11场时,反硝化率在90%以上,超过.0k7gNQ「一N加1d3后,反硝化率明显下降。因本试验工艺缺氧池内填装了半软性填料,所以硝态氮负荷采用容积负荷。3.3回流比ǎ岁à滚侧探50占图9Nor一N负荷k(gm/,二犷硝态氮负荷与反硝化率的关系回流比是缺氧一好氧生物脱氮工艺的重要运行参数之一。通过回流,将硝态氮返回到缺氧池进行反硝化,达到脱氮的目的。因此,总氮去除率与回流比的大小有关。图10是回流比与总氮去除率之间关系的理论和试验结果。由图10可看出,由于碳氮比、硝态氮负荷和温度等多方面的原因,在同一回流比条件下实际脱氮效率往往低于理论值,而且在回流比大于4之后,再增大回流比,相应的总氮去除率提高的幅度逐渐变小。而回流比的增加将导致系统动力消耗的增加,使处理成本相应增加。因此,最佳回流比的确定应根据具体情况综合考虑。在整个脱氮系统硝化和反硝化效果较好的情况下,可用下式控制脱氮系统的回流比(R):.—理论值,—试验值叱.1.料…ǎ术à荆舞菠Zó图10sor回流比回流比与总氮去除率的关系困H3一州,一困H3一冈2困OT一冈一1(6)式中:困H3一州,—原水中氨氮及在工艺中可转化为氨氮的物质的浓度,mg压;困H。一N]2—出水中允许的氨氮浓度,mg瓜;困OT一冈—出水中允许的硝态氮浓度,mg瓜;4结论根据本试验结果,采用缺氧一好氧生物脱氮工艺处理高浓度氨氮废水的最佳控制条件如下:屯l好氧硝化反应pH为.65一8.;0碱度大于8m0gL/;污泥龄大于50天;温度加一3o5C;氨氮负荷47哈尔滨建筑大学学报第82卷小于o.15kg瓜g仪d..42缺组反硝化反应原水中COD厂rN大于.4;5硝态氮负荷小于0.7kg/m,d;回流比应根据具体情况确定,一般可控制在4一.62参考文献汇日]宗宫功编著.张荪楠,吴之丽译.污水除磷脱氮技术.北京:中国环境科学出版社,1987汤鸿付.用水废水化学基础.北京:中国建筑工业出版社,1982C.W.Randall,DavidBuht,NitriteBuild一upinAetivatedSludgeR韶ultingfromTemPeratureEfl泛cts,Joumal丫犷PCF,1984:56(9):1039一1044TheControlofOPtimumConditionsofBiologicalRemovalofNitrogenfromHighStrengthAmmoniaWastewaterLiuJunxinIJiWeiguangWangBaozhenJinCh