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(cháng)期以來(lái)水源污染未得到有效控制，水資源問(wèn)題已經(jīng)成為我國經(jīng)濟可持續發(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(chǎng)處理的達標排放水）綜合利用是環(huán)境保護、水污染防治的關(guān)鍵環(huán)節。

1 研究的意義

水資源問(wèn)題嚴重影響社會(huì )、經(jīng)濟發(fā)展，以城市中水綜合利用為主的污水資源化是保護水資源和使水資源增值的有效途徑，同時(shí)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)濟的發(fā)展，以污（廢）水資源化為代表的循環(huán)經(jīng)濟項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重、新鮮水資源限制等使得越來(lái)越多的企業(yè)利用中水作為工業(yè)補給水。根據我省制藥、制革和精細化工等行業(yè)集中、多數污水處理廠(chǎng)排水氨氮、總磷超標的現狀，城市中水綜合的首要任務(wù)是深度去除氨氮污染因子。

目前國內外已在使用或已實(shí)驗的污水脫氮技術(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、運行費用高、管理困難、易產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題。本項目研究采用曝氣生物流化床（ABFT）技術(shù)對城市污水處理廠(chǎng)出水進(jìn)行深度脫氮處理回用補充電廠(chǎng)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，投入運行后將減輕污水廠(chǎng)排放污水中的污染因子對太湖流域的水體影響，符合國家的節能減排政策和對太湖流域水體富營(yíng)養化的嚴格控制要求。

2 工藝研究

2.1 主要研究?jì)热?/P>

（1）構建硝化、亞硝化菌群體系。包括硝化細菌、亞硝化細菌的分離篩選、純化、富集和硝化細菌、亞硝化細菌生長(cháng)機制、動(dòng)力學(xué)參數研究。

（2）馴化硝化菌適應pH中性、低溫的生長(cháng)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nitrobacteria-II硝化菌的規�；�培養。

（3）NC-5ppi載體填料開(kāi)發(fā)。包括載體填料的材質(zhì)、內部結構，在凈水器中的流態(tài)、固定化微生物的特點(diǎn)。

（4）高負荷硝化反硝化反應裝置的研制開(kāi)發(fā)。包括符合nitrobacteria-II硝化菌優(yōu)勢生長(cháng)、填料流化狀態(tài)的反應裝置形狀、內部結構和曝氣系統，反應器水力流態(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—反硝化穩定運行控制工藝參數，確定最佳氨氮負荷、最佳水力停留時(shí)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(gè)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(kāi)發(fā)。

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

（3）ABFT工藝反應器穩定運行工藝控制要點(diǎn)。

2.3創(chuàng )新點(diǎn)

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

（2）首次實(shí)現廣譜性（適于pH中性、低水溫環(huán)境）nitrobacteria-II硝化細菌的規�；�培養技術(shù)。

（3）實(shí)現大水量深度脫氮技術(shù)高效性與經(jīng)濟性的統一。

2.4實(shí)施方案

（1）亞硝化細菌、硝化細菌群體系的構建。運用劃線(xiàn)分離法分離、純化硝化細菌和亞硝化細菌，對已經(jīng)純化的亞硝化細菌和硝化細菌進(jìn)行生長(cháng)曲線(xiàn)繪制，確定亞硝化細菌和硝化細菌的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)參數。

（2）nitrobacteria-II硝化菌規�；瘮U培技術(shù)。通過(guò)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pH中性、低溫等嚴格工藝條件，培養適應pH值范圍更寬、溫度較低環(huán)境的nitrobacteria-II硝化菌，研制可調控培養條件的菌種規�；瘮U培設備。

（3）NC-5ppi專(zhuān)用填料的開(kāi)發(fā)。利用微型聚氨酯發(fā)泡機進(jìn)行設備改造，試驗改變添加劑和原料的配比，同時(shí)投加A催化劑，產(chǎn)出彈性好、韌度強、化學(xué)性質(zhì)穩定、空隙率達5ppi的網(wǎng)狀填料。

（4）高負荷硝化反硝化反應裝置的研制開(kāi)發(fā)。通過(guò)nitrobacteria-II硝化菌生長(cháng)特性的研究，以及載體填料實(shí)現流化狀態(tài)的特點(diǎn)，設計符合硝化菌快速繁殖的反應裝置形狀和結構。

（5）高效脫氮工藝穩定運行關(guān)鍵技術(shù)。反應器實(shí)驗室系統中投加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，使用SPSS統計分析軟件通過(guò)多元回歸分析，確定影響n(yōu)itrobacteria-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。

（6）高負荷硝化反應中試研究。運用工程化手段，進(jìn)行工藝控制的放大優(yōu)化，同時(shí)應用FLUENT流態(tài)模擬軟件指導中試設備的放大設計，分別研究2.5m3，25.0m3高效脫氮實(shí)驗裝置，并在次基礎上應用FLUENT流態(tài)模擬軟件優(yōu)化工程化設備的結構。

（7）示范性工程建設。根據實(shí)驗研究獲得高效深度脫氮工藝控制要點(diǎn)及優(yōu)化設計工藝，建設示范性工程。

3 研究成果

（1）通過(guò)本項目的研究，掌握了Nitrobacteria-II硝化菌擴培技術(shù)，系統地獲得高效硝化反硝化工藝控制要點(diǎn)，處理設備及構筑物設計參數，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，適應惡劣環(huán)境能力強，結合載體流化、固定化微生物技術(shù)，可以適應低堿度、低pH值的水質(zhì)環(huán)境。

（2）開(kāi)發(fā)出NC-5ppi型專(zhuān)用填料，為網(wǎng)型寬孔高分子載體，空隙率高達97%,根據其材質(zhì)特點(diǎn)，載體骨架帶有氨基、羧基、羥基等大量親水性基團，通過(guò)與微生物肽鏈氨基酸相應基團作用形成離子鍵或共價(jià)鍵結合從而將微生物、生物酶等固定在載體上，網(wǎng)狀寬孔結構可使生物絮凝體進(jìn)入載體內部顯著(zhù)提高微生物附著(zhù)量，同時(shí)使得載體懸浮于水中，在曝氣作用下實(shí)現載體流化且所需動(dòng)力明顯小于以砂、焦炭等為載體的傳統流化床。結合反應器結構特點(diǎn)，反應器底部進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣時(shí)，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(zhù)載體后能夠及時(shí)更新保持良好的活性，載體在曝氣、污水帶動(dòng)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，容積負荷率高等特點(diǎn)，在深度脫氮應用載體中具有明顯的優(yōu)勢。

（3）研制開(kāi)發(fā)了高負荷硝化反硝化反應裝置。 反應裝置滿(mǎn)足了載體流態(tài)化、傳質(zhì)效果好，抗沖擊負荷能力強等要求。

（4）掌握了常溫及低溫條件下，應用ABFT工藝對城市污水廠(chǎng)出水進(jìn)行處理具有顯著(zhù)的脫氮效果，最佳HRT為1.5h，氨氮負荷為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(xiàn)見(jiàn)圖1所示。

圖1 水力停留時(shí)間與氨氮去除效率的關(guān)系曲線(xiàn)圖

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

圖2為調節進(jìn)水氨氮濃度即提高氨氮負荷，氨氮氨氮去除率的變化曲線(xiàn)。

圖2進(jìn)水氨氮濃度與氨氮去除率關(guān)系變化曲線(xiàn)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（平均氨氮負荷0.6 kg/m3.d）過(guò)程中，NH3-N去除率穩定高于98%。

圖3和圖4為長(cháng)興城市污水廠(chǎng)出水在秋季和冬季兩階段深度脫氮中試實(shí)驗結果，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95.2%。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.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(xiàn)圖

圖4低溫條件下NH3-N去除率變化曲線(xiàn)圖

（5）在浙江浙能長(cháng)興發(fā)電有限責任公司建立了30000m3/d城市中水綜合利用示范工程，實(shí)現市政污水資源化的目標，工程總投資2043萬(wàn)元，運行成本低于0.1元/噸。

4 ABFT工藝特點(diǎn)

（1）耐沖擊負荷能力強，受水溫、水質(zhì)、水量變化影響小，處理效果穩定，并可以間歇運行。溫度對其的影響明顯小于以生物轉盤(pán)或懸浮污泥層的反應器。

（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，結合結構特點(diǎn)適應較低水溫、pH中性的水質(zhì)環(huán)境。

（4）處理出水質(zhì)量好，運行安全可靠，可達到循環(huán)冷卻水標準或生活雜用水水質(zhì)標準。本反應器可設置多級系統（一般４到６級），在有效去除氨氮污染物的同時(shí)，對其它污染因子也有顯著(zhù)的凈化效果。

（5）水力停留時(shí)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(cháng)污泥齡與短水力停留時(shí)間之間的矛盾，占地面積小，較傳統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流化床所需動(dòng)力更小，動(dòng)力消耗比傳統硝化/反硝化工藝減少60%。

（7）調節、控制、運行操作方便，人員配置較少，減少?lài)嵥�人工成本�?/P>

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

（9）可直接在原有污水處理構筑物（生化或沉淀池）大體結構不變的基礎上直接進(jìn)行氨氮達標改造。

（10）在應用方面。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，降低了投資費用和運行成本，運行連續穩定。

5 結語(yǔ)

本項目研究的ABFT工藝系統氨氮處理負荷高、運行管理簡(jiǎn)單方便、經(jīng)濟性好，既能節約基建投資、又降低了運行成本。應進(jìn)一步加強動(dòng)力學(xué)理論研究，做好高氨氮去除率的機理研究。（煤炭科學(xué)研究總院杭州環(huán)境保護研究所）