污泥回流比對2段進(jìn)水A/O工藝處理重油加工污水效果

　　氮是石油中的主要雜原子元素，含量約在0.1%~0.6%，主要以有機氮的形態(tài)存在。在石油煉制過(guò)程中，這些有機氮化物會(huì )轉化成無(wú)機氮，溶解到水相中形成含氮污水。石油煉制污水總氮處理負荷一般在60~80 mg·L−1，其中氨氮70%~90%，硝態(tài)氮5%~15%，有機氮5%~10%，亞硝態(tài)氮含量很低。絕大多數石油煉制企業(yè)污水脫氮采用傳統的A/O工藝，排水總氮濃度30~40 mg·L−1，基本滿(mǎn)足《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》(GB 31570-2015)總氮排放限值要求。但是，隨著(zhù)國家對環(huán)保工作重視程度的提高，污水總氮的排放標準越來(lái)越嚴，尤其是我國部分地區已執行總氮小于15 mg·L−1或10 mg·L−1排放限值要求，未來(lái)石油煉制企業(yè)污水處理領(lǐng)域總氮提標將是大勢所趨。如何利用現有污水處理的硬件設施，通過(guò)制定科學(xué)的設計參數和運行參數，簡(jiǎn)單地改變工藝運行條件，進(jìn)行原位強化總氮深度脫除，是當前研究的重要任務(wù)。分段進(jìn)水A/O生物脫氮工藝無(wú)需硝化液內循環(huán)，污泥、污水、污染物停留時(shí)間長(cháng)，碳源利用率高，脫氮效率高，相比于傳統的A/O工藝，更有利于有機污染物和氮污染物的深度脫除。從機理上分析，分段進(jìn)水A/O工藝會(huì )適用于優(yōu)質(zhì)碳源較低、有機污染物和氮污染物處理負荷較大的石油煉制污水處理，但是相關(guān)的研究報道較少。因此，本研究以石油煉制污水處理領(lǐng)域達標難度最大的重油加工污水為研究對象，基于傳統的A/O脫氮工藝設計參數，構建了以2段進(jìn)水A/O工藝為主體的生化脫氮工藝和參數，并在現場(chǎng)開(kāi)展了側線(xiàn)實(shí)驗研究，考察了污泥回流比r值對系統的脫碳、脫氮能力的影響，以期為重油加工污水氮與碳協(xié)同深度達標提供依據。

　　1 材料與方法

　　1.1 材料和儀器

　　實(shí)驗污水：某典型重油加工企業(yè)污水場(chǎng)水解酸化裝置出水，實(shí)驗期間進(jìn)水COD、TN、氨氮、硝態(tài)氮、有機氮均值分別為379、60、51、6.0、1.5 mg·L−1。

　　器材及儀器：紫外分光光度計，L6，上海儀電分析儀器有限公司;TN/TOC分析儀，TOC-L，島津;可見(jiàn)分光光度計，7230G，上海精科儀器有限公司;便攜式水質(zhì)分析儀，U-50，日本HORIBA;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，101-0A，上海葉拓。

　　1.2 分析項目及方法

　　COD分析參照GB/T 11914-1989中的方法，NH4+−N分析參照HJ636-2012中的方法，NO3−−N分析參照HJ/T 346-2007中的方法，MLSS和SVI的測定方法參照文獻中的方法。TN采用島津TOC-L分析儀測定，DO、溫度采用HORIBA U-50分析儀測定。

　　1.3 實(shí)驗條件及方法

　　實(shí)驗工藝及設備：模擬現場(chǎng)硬件設施，根據前期研究成果，構建現場(chǎng)側線(xiàn)實(shí)驗工藝，如圖1所示。2段進(jìn)水A/O反應器總有效容積為2 160 L，各段容積比為VA1:VO1:VA2:VO2=1:2.6:1.4:2.2，其中好氧池均分成3個(gè)格室，沉淀池有效容積150 L，BAF池有效容積150 L。3臺隔膜計量泵分別控制進(jìn)水及污泥回流，空壓機為好氧格室曝氣，機械攪拌器為缺氧區提供攪拌。A1in和A2in分別為反硝化單元的進(jìn)水采樣點(diǎn)，A1、A2、O12、O13、O22、O23的采樣點(diǎn)均在相應單元出水側液面下10 cm處，O11和O21在出水側距池底20 cm處設置的取樣口采樣。

　　圖1 2段進(jìn)水A/O生物脫氮工藝流程圖

　　實(shí)驗裝置啟動(dòng)及運行：取某重油加工企業(yè)污水處理場(chǎng)CASS池活性污泥1.5 m3，接種到2段進(jìn)水A/O工藝，控制實(shí)驗溫度為(33±2) ℃，進(jìn)水流量720 L·d−1，2段進(jìn)水A/O反應器水力停留時(shí)間72 h，污泥沉淀池停留時(shí)間為5 h。按照前期研究成果，2段進(jìn)水A/O反應器工藝參數：流量分配比系數a1為0.7，a2為0.3，缺氧段采用20 r·min−1低速攪拌控制溶解氧在0.2~0.4 mg·L−1，好氧段控制溶解氧在3.5~4.5 mg·L−1，污泥回流比r值1.0，定期排泥控制泥齡25~30 d，兩級A/O無(wú)硝化液回流。裝置運行至第7天，出水水質(zhì)穩定在總氮質(zhì)量濃度20~24 mg·L−1，COD質(zhì)量濃度50 mg·L−1，NH4+−N質(zhì)量濃度低于1 mg·L−1，完成啟動(dòng)穩定3 d開(kāi)始實(shí)驗。改變污泥回流比r值(0.60、0.75、1.0、1.25、1.50)，考察不同r值下對系統運行條件及處理效果的影響，每隔7 d改變一次污泥回流比，共計35 d，污泥回流比r值在不考察時(shí)以1.0運行。

　　2 結果與討論

　　2.1 污泥回流比對運行條件的影響

　　2.1.1 對各段水力停留時(shí)間的影響

　　不同污泥回流比下各段的HRT變化如表1所示。當回流比加大，各段的污水水力停留時(shí)間在減少，同時(shí)污水的污染物濃度也在稀釋�；亓鞅容^低的時(shí)候，增加回流比，污水的停留時(shí)間可以滿(mǎn)足活性污泥對污染物的去除速率，那么回流比越大，去除效果越好。但是當回流比較高的時(shí)候，污水的停留時(shí)間過(guò)短，污染物還沒(méi)有完全降解就會(huì )被排出裝置外，所以污泥的回流比存在一個(gè)最佳的操作區間。

　　表1 不同污泥回流比下各單元的水力停留時(shí)間的變化

　　2.1.2 對各段MLSS的影響

　　污泥回流比對各段MLSS的影響如圖2所示�；亓鞅冗^(guò)低，污泥濃度會(huì )偏高，HRT延長(cháng)，污泥處理負荷會(huì )降低，最終導致活性污泥性狀變差;回流比過(guò)高，污泥濃度會(huì )偏低，HRT縮短，污染物的降解效果會(huì )變差。對比第1段和第2段發(fā)現，回流比對第1段的活性污泥濃度影響更大�；钚晕勰嗷亓鬟^(guò)高，大量的非反硝化型異養菌可能會(huì )和反硝化菌在A(yíng)1段競爭碳源底物，降低反硝化效率;同樣在O1段，大量的異養菌的存在，可能會(huì )抑制硝化過(guò)程，不利于氨氮的氧化。

　　圖2 污泥回流比對各段MLSS的影響

　　2.1.3 對沉淀池活性污泥沉降指數的影響

　　污泥回流比r值的改變會(huì )影響沉淀池水力負荷和污泥負荷。實(shí)驗期間活性污泥的SVI在110~125 mL•g−1，考察r值對沉淀池活性污泥沉降指數的影響，結果如圖3所示。r值從0.60增大到1.50，沉淀池活性污泥沉降指數略有小幅升高，但是污泥沉降性能依然良好。這一現象與王偉等在研究污泥回流比對分段進(jìn)水A/O工藝處理生活污水的影響的過(guò)程中得出的結論基本一致，即在系統污泥沉降性能較好時(shí),r值對二沉池泥水分離效果影響不大。

　　圖3 污泥回流比對活性污泥沉降指數的影響

　　2.1.4 對反硝化區溶解氧和回流能耗的影響

　　污泥回流比r值的增加會(huì )引起反硝化區A1和A2的溶解氧濃度的小幅增加(數據未列出)。A1區的溶解氧由均值0.22 g·L−1增加到0.31 mg·L−1左右，A2區的溶解氧由均值0.27 g·L−1增加到0.34 mg·L−1左右。分段進(jìn)水工藝從源頭上避免了硝化液的回流，利于反硝化區域的溶解氧控制。且由于硝化液回流量的減少，相應的電耗也可以得到消減，根據通用的潛水排污泵能耗核算，每減少100 m3的硝化液回流，可以減少約7~11 kWh的電耗。以1個(gè)年加工量1 000萬(wàn)t的煉廠(chǎng)為例，按每加工1 t原油產(chǎn)生污水量0.50 m3計算，如果不回流硝化液1年可以節約電耗35萬(wàn)~55萬(wàn) kWh。

　　2.2 污泥回流比對處理效果的影響

　　2.2.1 對COD去除效果的影響

　　r值的改變對COD去除效果的影響結果見(jiàn)圖4。2段進(jìn)水A/O工藝對重油加工污水中的有機污染物取得了良好的去除效果，r值的變化對有機污染物的去除最終效果影響較小。第1段A/O單元完成了對70%有機污染物負荷的快速降解，第2段A/O單元完成了剩余30%有機污染物負荷以及降解周期較長(cháng)的有機污染物的深度降解，裝置出水COD在48~51 mg·L−1。

　　圖4 污泥回流比對COD去除效果的影響

　　對比r值變化對第1段和第2段A/O工藝中有機污染物降解的影響，發(fā)現r值變化對第1段A/O影響較大。r值越大，A1進(jìn)水的有機污染物濃度因水量稀釋越低，但是隨著(zhù)反應的進(jìn)行，影響越來(lái)越小，說(shuō)明2段進(jìn)水A/O系統對水量負荷有較好的適應能力。相比于傳統的A/O工藝(硝化液回流比1~2)，無(wú)硝化液回流的分段進(jìn)水工藝，有機污染物的停留時(shí)間延長(cháng)了近50%，利于對重油加工污水中降解周期較長(cháng)的有機污染物的深度降解。

　　2.2.2 對TN去除效果的影響

　　回流比對2段進(jìn)水A/O工藝的TN去除效果影響見(jiàn)圖5。r值0.60~1.50對應的O13出水TN分別為23.8、20.1、17.7、16.5、18.8 mg·L−1，去除率分別為61.61%、67.58%、71.45%、73.38%、69.67%。r=1.0和r=1.25時(shí)，2段進(jìn)水A/O工藝取得了70%以上的總氮去除率，在未投加碳源和未進(jìn)行硝化液回流的條件下，脫氮率已經(jīng)略高于常規的A/O生化脫氮工藝，說(shuō)明該工藝適用于低碳氮比重油加工污水脫氮。理論核算脫氮率，如果A1和A2單元都實(shí)現完全反硝化，r值0.60~1.50對應的脫氮率在80%~88%，與實(shí)際脫氮率對比發(fā)現，TN去除率還有近20%的提升空間。具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖5 污泥回流比對總氮去除效果的影響

　　2.2.3 對氨氮去除效果的影響

　　污泥回流比對氨氮的處理效果的影響見(jiàn)圖6。在r值由0.60增大到1.50的過(guò)程中，2段進(jìn)水A/O工藝側線(xiàn)中試裝置在短期內基本保障了氨氮的高效去除，出水氨氮均小于1 mg·L−1，去除率均達到了98%以上。但是，對于各段氨氮出水水質(zhì)分析發(fā)現，回流比過(guò)低和回流比過(guò)高都不利于對氨氮的去除，r=1.0和r=1.25時(shí)，各段的硝化效果較好，且r=1.0的硝化效果略好。

　　圖6 污泥回流比對氨氮去除效果的影響

　　分析第1段A/O的脫氨效果，隨著(zhù)回流比的增加，A1的氨氮濃度因為稀釋原因明顯降低。當r=1.50時(shí)，A1的進(jìn)水氨氮濃度最低，但是隨著(zhù)O1好氧降解時(shí)間的延長(cháng)，氨氮濃度開(kāi)始高于回流比為0.75、1.0、1.25條件下的出水氨氮濃度，說(shuō)明在此條件下，O1的氨氮氧化能力在下降，其原因主要是回流引起的污泥濃度降低和污水停留時(shí)間減少所致。當r=0.60時(shí)，相同的進(jìn)水氨氮處理負荷，O1污泥濃度最高，氨氮污染物停留時(shí)間最長(cháng)，但是O1出水氨氮濃度也高于r值為0.75、1.0、1.25條件，表明硝化過(guò)程受到了抑制，分析原因可能是自養硝化細菌與異養菌存在競爭關(guān)系，并處于劣勢。分析第2段A/O的脫氨效果，回流比的增加對第2段氨氮的去除效果影響并不明顯，A2進(jìn)水的氨氮濃度升高主要是第1段A/O未完全硝化的氨氮所致。

　　2.2.4 對硝態(tài)氮去除效果的影響

　　如圖7所示，在r值從0.60增大到1.25的過(guò)程中，增大回流比有助于提高系統的硝態(tài)氮的去除效果。O23在r=1.50時(shí)，O23出水硝態(tài)氮突然升高，主要原因是回流比過(guò)大，導致O13出水存在未完全降解的氨氮，在O23氧化成硝態(tài)氮。分析各段出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度發(fā)現，回流比過(guò)低和回流比過(guò)高都不利于對硝態(tài)氮的去除，r=1.0和r=1.25時(shí)，系統的反硝化效果較好，且r=1.25的反硝化效果最好。

　　圖7 污泥回流比對硝態(tài)氮去除效果的影響

　　分析第1段A/O的脫硝效果，A1單元在r由0.60增加到1.50的過(guò)程中，A1硝態(tài)氮去除量在逐漸增加，在r=1.50時(shí)達到最大值，為0.75 g·h−1，說(shuō)明A1的反硝化效能沒(méi)有得到充分利用，可以適度增加A1硝酸鹽處理負荷，以充分利用第1段缺氧區反硝化能力。研究還發(fā)現，較低的回流比會(huì )導致污泥濃度過(guò)高，會(huì )對反硝化段的碳源產(chǎn)生惡性的競爭，r=0.60時(shí)，A1的CCOD降/CN降(降解COD與降解硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度比值)為3.69，硝態(tài)氮去除量為0.51 g·h−1，而r=1.0時(shí)，A1的CCOD降/CN降為3.43，硝態(tài)氮去除量為0.62 g·h−1，就證明了這一點(diǎn)。

　　分析第2段A/O的脫硝效果，A2單元在r值從0.60增大到1.5的過(guò)程中，硝態(tài)氮去除量基本沒(méi)有變化，出存在殘留硝態(tài)氮7.78~11.0 mg·L−1，主要原因是A2反硝化碳源不足。核算A2的CCOD降/CN降，r=0.60時(shí)，A2的CCOD降/CN降=3.39;r=1.0時(shí)，A2的CCOD降/CN降=3.27。A2單元的CCOD降/CN降的變化趨勢與A1基本一致，表明在A(yíng)2單元同樣存在碳源競爭。但是相比A1單元，A2的CCOD降/CN降值略低，說(shuō)明A2單元碳源利用率更高。

　　3 結論

　　1)2段進(jìn)水A/O工藝中,污泥回流比從小增大時(shí)，會(huì )增加系統的水量負荷，導致污水、污泥、污染物的停留時(shí)間縮短，減少系統對進(jìn)水中污染物的降解時(shí)間。

　　2)在一定范圍內提高污泥回流比，可以提升系統硝化和反硝化效果，尤其是第1段缺氧區硝酸鹽氮去除的量會(huì )明顯增加，但當污泥回流比過(guò)高時(shí)，系統硝化、反硝化效果會(huì )明顯降低，最大污泥回流比不宜超過(guò)1.25。

　　3)相對于傳統的A/O工藝，分段進(jìn)水A/O工藝污染物的停留時(shí)間更長(cháng)，更有利于污水中降解周期較長(cháng)的有機污染物的去除。

　　4)為進(jìn)一步提高2段進(jìn)水A/O工藝脫總氮效果，可以考慮增加第1段A/O內循環(huán)硝化液回流比，補充A2單元所缺碳源。(來(lái)源：環(huán)境工程學(xué)報 作者：李長(cháng)剛)