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BAF的前置反硝化工艺研究

国内外对前置反硝化原理应用于不去生物滤池工艺的研究及应用鲜有报道,因此将BAF工艺与前置反硝化工艺结合进行了研究,研究前置反硝化BAF工艺对污水的去除效果及规律。
本项目采用预处理+缺氧BAF+好氧BAF的组合工艺,研究其去除有机物、氮、磷规律。具体工作如下:①前置反硝化工艺对COD、NN3-N、TN的去除规律;②不同的曝气强度(即气水比)对出水水质的影响;③不同的回流比对出水水质的影响;④不同的有机负荷、水力负荷对出水水质的影响;⑤考察水温、pH值、DO对出水水质的影响。

一、研究方法

前置反硝化BAF使用的研究装置见图5-4、5-5、图5-6。该装置采用上向流的BAF,从滤池底部至进气口1为承托层,从测压孔1至测压孔2为滤料层。前置反硝化工艺中,当缺氧区与好氧区的体积比为1:4时,V缺氧=15.7L,V好氧=62.8L;当缺氧区与好氧区的体积比为1:3时,V缺氧=19.6L,V好氧=58.9L。
进行前置反硝化研究的污水来源也与同步硝化反硝化工艺试验时一致,但采用如下运行方式:在BAF中部进行曝气,经过预处理的生活污水从BAF底部进入,在BAF的上部实现有机物的降解和氨氮的硝化,经过硝化的生活污水从上部回流口经过回流泵与进水混合,利用进水中的快速降解有机物进行脱氮。
在试验时。BAF试验柱采用气水同向运行,污水从装置底部的进水口进入,出水在上部出水口排出,经处理的污水在排出系统之前,一部分进行回流与原水混合,利用原水中碳源进行反硝化。实现脱氮目的。空气由填料底部的进气口2和进气口3进入,下部缺氧环境体积分别为15.7L和19.6L。选择水力负荷为1.9m/h、2.39m/h(不包括回流)。主要考察工艺对COD、NH3-N、TN的去除效果和规律;不同曝气强度(即气/水比)对出水水质的影响;不同回流比对出水水质的影响。冲击负荷对出水水质的影响;温度、DO、pH值对出水水质的影响,工艺中的生物相。

二、试脸研究结果

前置反硝化工艺试验工况及主要水质指标处理结果见表5-6。

前置反硝化工艺试验工况及主要水质指标处理结果
项目 8月10日-8月11日 8月12日-8月13日 9月29日-9月30日
流量/(L/h) 60 75 60
水力负荷/(m/h) 1.9 2.39 1.9
总停留时间/h 1.32 1.05 1.32
COD负荷/[kg/(m3·d)] 4.64 5.25 4.55
温度/℃ 26 28 26
pH值 8.06 7.08 7.29
出水溶解氧/(mg/L) 5.2 5.7 5.4
气水比 3:1 4:1 3:1
混合液回流比/% 200 200 200
V好:V缺 4:1 4:1 3:12
CODcr 进水/(mg/L) 253 229 248
出水/(mg/L) 24 22.7 29.9
去除率/% 90.5 90.1 87.9
NH3-N 进水/(mg/L) 25.6 25.6 22
出水/(mg/L) 0.275 1.1 1.38
去除率/% 98.9 95.7 93.8
TN 进水/(mg/L) 39.7 36.0 26.4
出水/(mg/L) 3.92 6.01 3.88
去除率/% 90.1 83.3 85.3

三、前置反硝化工艺对COD、NH3-N、TN的去除分析

先讨论好氧区与缺氧区的体积比V好:V缺=4:1时的情况。
1.COD随填料高度的变化规律
COD去除率与填料高度的关系见图5-13。从图中可看出,BAF下层的50cm厚填料为缺氧区(A段),该层滤料对COD的去除效率最高,当水力负荷分别为1.9m/h和2.39m/h时,出水浓度分别为35.77mg/L和42.1mg/L,COD去除效率分别高达87.82%和81.58%。该层滤料取得如此高的COD去除效果,主要有以下三个原因:①进水中的快速COD被用作前置反硝化碳源;②回流水对原水的稀释作用;③回流水携带少量溶解氧进入缺氧区,该部分溶解氧被进水中的有机体优先利用。50cm后的滤料层为好氧区(O段),污水经过缺氧区进入好氧区进行有机物的进一步降解,由于污水与回流水混合经过反硝化反应后,COD浓度已大大阵低,因而好氧区生物降解效果不明显。水力负荷从1.9m/h增加到2.39m/h,由于水力负荷的增加,加大了对填料的冲刷,使微生物的活性得到了提高,因此COD去除率仍然较高。
2.NH3-N随填料高度的变化规律

NH3-N去除率与填料高度的关系见图5-14。从图中可以看出,NH3-N在最下层缺氧区去除效率最高,当水力负荷负荷为1.9m/h和2.39m/h时,出水浓度分别为3.03mg/L,5.5mg/L,NH3-N去除效率分别高达88.16%和78.52%。这与COD在该处的去除率相似。在缺氧区内如此高的NH3-N去除率,主要原因是:①回流水的稀释作用;②氨氧化作用(NH4+ +NO3- →N2)。NH3-N被原水以及回流液中的NO3- -N作为电子供体发生氧化作用
而得到去除。50cm后的好氧区内,在硝化菌的作用下,将氨氮转化成硝态氮。因此对于NH3-N的去除,从恨本上取决于好氧区的硝化作用,同时好氧区的硝化是前置反硝化的前提。硝化作用的好坏决定着工艺反硝化性能的优劣。水力负荷从1.9m/h上升到2.39m/h时,在个个取样口NH3-N的浓度都有一定的上升,去除效率也相对要低,这表明水力负荷增高对NH3-N的去除有一定的负面影响。
3.TKN随填料高度的变化规律
TKN去除率与填料高度的关系见图5-15。在缺氧区由于回流水的稀释作用以及氮氧化作用使得TKN浓度急剧下降,在好氧区TKN中的部分有机氮被氨化放出NH3-N,同原水中的NH3-N硝化成NO3- -N。
4. TN随填料高度的变化规律

TN去除率与填料高度的关系见图5-16。从图5-16可知,TN在最下层50cm厚的缺氧区去除效率最高,当水力负荷负荷为1.9m/h和2.39m/h时,缺氧区出水浓度分别为7.5mg/L、9.09mg/L,TN去除效率分别高达81.11%和74.78%。TN包括TKN(氨氮、有机氮)、硝态氮,缺氧区TN浓度的急剧下降主要有以下几个原因:①在缺氧区原水和回流液中的硝态氮利用原水中的可生物降解有机物进行反硝化,实砚脱氮。②回流液中的TKN浓度很低,与原水混合后对原水的稀释作用使得TKN浓度急剧下降;③氮氧化作用。50cm后的好氧区内,TN的去除率有微小的上升,这可能是同步硝化反硝化作用的结果。
NO2- -N+NO3- -N浓度变化与填料高度的关系见图5-17。在BAF装置底部50cm厚的缺氧区,原水以及回流液中的NO2- -N+NO3- -N利用原水中的碳源进行反硝化;同时由氨氧化作用使得NO2- -N + NO3- -N浓度急剧降低。污水进入好氧区后,随着硝化的进行,
NO2-N+NO3- -N浓度随填料高度逐步增加。
好氧区与缺氧区的体积比改为V好:V缺=3:1,当水力负荷为1.9m/h时,原水中的COD、NH3-N、TN都取得了理想的效果。这表明上向流BAF前置脱氮工艺,好氧区与缺氧区的体积比为(3-4):1是可取的。

四、影响出水水质的因素分析

1.不同曝气强度(即气/水比)对出水水质的影响
进行了气水比的优化试脸。试验工况为:水力负衡1.9-2.39m/h;CODcr117-229mg/L;COD负荷2.15-5. 25kg/(m3·d)。温度26-33℃,pH=7.08-8.35,回流比200%;V好:V缺=4:1。不同气水比下各水质指标的去除率见表5-7。

不同气水比下各项水质指标的去除率
气水比 CODcr去除率/% NH3-N去除率/% TN去除率/% 气水比 CODcr去除率/% NH3-N去除率/% TN去除率/%
1:1 76.9 30.9 24.5 3:1 90.5 98.9 90.1
2:1 79.8 54.7 50.8 4:1 90.1 95.7 83.3

(1) COD去除效果与气水比的关系:不同气水比下COD的变化见图5-18。从图中可以看出,COD的去除效率随着气水比的增加逐步上升。当气水比从1:1增加到3:1,COD的去除率有明显的上升。但当气水比由3:1增加到4:1时,COD去除效果没有明显变化。这主要是因为气水比较低时,硝化作用较差,前置脱氮所需消耗进水中的有机物较少,有机物的区出主要在好氧区完成;当气水比较高时,硝化作用已经较为完全,有机物主要是在缺氧区被用作反硝化碳源得以去除。

(2) NH3-N去除效果与气水比的关系不同气水比下NH3-N的变化见图5-19。从图中可以看出:当气水比从1:1增加到3:1,NH3-N的去除率几乎是直线上升;当气水比为3:1时,NH3-N出水浓度为0.275mg/L,去除率高达98.93%;气水比超过3:1时,出水浓度和去除效率没有明显变化。因为此时出水中的溶解氧已经达到5.2mg/L,这足够硝化作用的发生,使NH3-N得以转化或直接从系统中去除。当气水比较低时,NH3-N的去除效果是不理想的,因此要获得理想的NH3-N去除效果,气水比需维持在3:1左右。
(3)TN去除效果与气水比的关系;不同气水比条件下TN的变化见图5-20,表明当气水比从1:1增加到3:1时,TN的去除率也几乎是直线上升,这与NH3-N去除效率随气水比变化是类似的,这进一步表明好氧硝化是前置反硝化的前提。当气水比超过3:1后,TN去除效率呈下降趋势,这可能是由于好氧区溶解氧浓度太高(达到6.2mg/L),则回流至缺氧区的熔解氧增加,反硝化作用受到影响。

2.不同回流比对出水水质的影响
在研究试验中,进行了回流比的优化试验。试验工况为:水力负荷1.75-1.9m/h,CODcr 219-253mg/L; COD负荷3.68-4.64kg/(m3·d) ;温度27-31℃;气水比3:1,V好:V缺=4:1。不同回流比下各水质指标的去除率见表。

不同回流比下各项水质指标的去除率
回流比 CODcr去除率/% NH3-N去除率/% TN去除率/% 回流比 CODcr去除率/% NH3-N去除率/% TN去除率/%
1:1 85.01 89.85 54.24 3:1 92.25 98.86 89.87
1.5:1 90.07 95.70 83.32 4:1 94.07 98.96 87.86
2:1 90.50 98.93 90.13        

由表以及图5-21--图5-23可以看出,COD和NH3-N去除率随回流比增加只有轻微的增高,当回流比为1:1时,COD和NH3-N的出水浓度分别为33.8mg/L和2.4mg/L,去除率分别高达85.01%和89.85%,当回流比超过1:1时,COD和NH3-N去除效率的提高仅有略微的变化,表明回流比对COD和NH3-N的去除效果影响不大。

当回流比从1:1上升到2:1时,TN去除率随着回流比的增加而快速增加,但是当回流比超过2:1时,TN的去除效率变化不大,甚至有轻微的下降。分析有以下两个原因:①理论研究表明当缺氧区硝酸盐浓度正好为零时的回流比为临界值,当回流比小于此临界值,随着回流量的增加硝酸盐的去除也增加,当回流比大于此临界值,回流水中的硝酸盐总量已经超过了缺氧反应器脱氮负荷,全部缺氧反应器的出水中那出水中都出现了硝酸盐,再进一步增加回流量对系统硝酸盐的下降就不会再有影响;②当回流比到达一定界限后,回流比的增加导致回流液携带至缺氧区的溶解氧增加,反硝化反应受到限制。

3.冲击负荷对出水水质的影响
由于城市生活污水随着季节的变化,其水量和水质都有较大的波动,因此有必要讨论冲击负荷对BAF工艺的影响。
(1)COD负荷和氨氮负荷对出水水质的影响;COD浓度80.6-319mg/L;NH3-N浓度21.5-36mg/L;COD负荷1.16~10.14kg/(m3·d)。NH3-N负荷0.018~1.63kg/(m3·d);水力负荷0.48-6.37m/h;温度22-36℃;pH=7.08-8.35,COD负荷与出水COD浓度的关系以及NH3-N负荷与出水NH3-N浓度的关系分别见图5-24和图5-25。
从图5-24可以看出:当COD负荷在7.704kg/(m3·d)以下时。出水COD浓度可以控制在35mg/L以下。当COD负荷超过7.704kg/(m3·d)时,出水COD浓度随着有机负荷的增加而增加。从图5-25可以看出;当NH3-N负荷在1.285kg/(m3·d )以下时,出水NH3-N维持在5mg/L以下;当NH3-N负荷超过1.285kg/(m3·d)时,出水NH3-N浓度随着NH3-N负荷的增加急剧上升。

图5-26-图5-28为在同一水力负荷1.59m/h时,各水质指标出水浓度随进水浓度的变化图。从图5-26可以看出,当进水COD浓度由80.6mg/L上升到319mg/L时,出水COD浓度维持在40mg/L以下。由图5-27和图5-28可以看出,NH3-N、TN出水浓度随进水浓度的上升呈上升趋势,去除效率下降。NH3-N浓度在32.2mg/L以下时,出水NH3-N浓度可控制在10mg/L以下。TN浓度在45.67mg/L以下时,出水TN可控制在10mg/L以下。

COD负荷与NH3-N去除率的关系见图5-29。从图中可以看出,在NH3-N去除率随着有机负荷的增加先下降后上升。这最有可能的原因是,当有机负荷较低时,其中的快速降解COD不足以作为碳源供前置反硝化所用,COD的降解主要在好氧区完成,这时硝化作用受到水中有机物浓度的限制;当有机负荷高达一定程度,足以满足前置反硝化所需的碳源时,在缺氧区一部分有机物被前置反硝化所消耗,这样进入好氧区的COD浓度相对就较低,而此时水中COD浓度对硝化作用的影响也就相对较小。
如果以进水中的有机物作为碳源,由于进水中有机物浓度的不同,因此处理效果将会有很大的变化,当进水中有机物浓度较低时,碳源便是限制因素。前置反硝化工艺进水C/N和出水TN之间的关系见图5-30。当C/N>6时可以取得较好的脱氮效果。

(2)水力负荷对出水水质的影响;图5-31为低浓度(进水COD浓度在90.6-106mg/L)时COD与水力负荷的关系。从图中可以看出,随着水力负荷的增加,COD去除率逐步上升。这主要是由于在较低浓度下水力负荷的增加加速老化生物膜的脱落、更新,保持了良好的生物活性,同时增加了水中总的可利用的有机物的数量,这对做生物降解有机物是有利的。
图5-32为高浓度(进水COD浓度在220-253mg/L)时COD与水力负荷的关系图。从图中可以看出,总体上随着水力负荷的增加,COD的去除率逐步下降。但当水力负荷小于3.185m/h时,COD仍旧可以取得理想去除效果。
从图5-33和图5-34可以看出,当水力负荷小于2.39m/h时,NH3-N和TN都可以取得理想的去除效果,当水力负荷大于2.39m/h,两者的去除效率随着水力负荷的增加有较为明显的下降。

由以上冲击负荷对出水水质的影响分析可以得出,BAF前置反硝化工艺具有较抗冲击能力。

4.温度对出水水质的影响
(1)温度对有机物去除效果的影响;温度对有机物去除的影响如图5-35所示,可以看出当气问在22-36℃的范围内变化时,虽然进水COD浓度波动较大,但是出水浓度都在40mg/L以下,去除效率均在80%以上。安徽工业大学在冬天做相关试验时,COD的去除效果也较为理想。

(2)温度对氨氮去除的影响;温度对氨氮去除的影响如图5-36所示,可以看出气温在22-36℃的范围内变化时,温度对氨氮的去除效果有一定的影响,当温度低于26℃时,氨氮去除率相对较低。马鞍山钢铁设计研究院在冬天做相关试验时,氨氮去除效果较差,因此在温度较低时要对工艺运行进行改进,例如用热空气进行曝气。
5.研究结论
BAF前置反硝化工艺具有较好的除碳、脱氮效果。当水力负荷在1.9-2.39m/h;滤层高度、缺氧区高度和好氧区高度分别为2.5m、0.5m、2.0m;水力停留时间1.05-1.32h;气水比为(3-4):1;回流比为200%的条件下,可使COD、NH3-N、TN出水浓度分别在30mg/L、2mg/L、10mg/L以下。三者去除率在90%、95%、83.3%以上。报据试验结果,BAF前置反硝化工艺,在本试验水质条件,缺氧区和好氧区体积比在1:(3-4),总填料层
高度在2.5m以上,处理可达到满意的出水水质。
前置反硝化工艺最佳气水比为3:1;最佳回流比为200%。
前置反硝化工艺具有较强的杭冲击负荷能力。COD的最大去除负荷可达7.704kg/(m3·d)、NH3-N的最大去除负荷为1.285kg/(m3·d)。当水力负荷小于3.185m/h时,COD可取得理想的去除效果。当水力负荷小于2.39m/h时,NH3-N、TN可取得理想的去除效果。
温度对COD去除效果影响较小,对NH3-N的去除效果影响相对较大,因此低温时,要对工艺进行运行改进。
出水溶解氧浓度在4mg/L以L时可使COD、NH3-N取得良好的去除效果。
原水pH值在7.08-8.35范围,对工艺的硝化反硝化影响不大。

五、前置反硝化工艺去除有机物的动力学分析

图5-37为前置反硝化BA F动力学模型,在分析时假设:①生物膜具有一致的生物膜密度和一致的生物膜厚度;②反应器进出水中不含微生物,反应器内部的生物降解主要由载体上的生物膜所致;③生物膜处于一个动态平衡,即生物膜的生长于死亡之间存在着动态平衡。
对微元dV考虑物料平衡:QS-Q(S+dS)+rdVb=aS/at*dV*e
Q=(1+R)Q`
式中,Q`为进水流量,m3/s;Q为反应器内流量,m3/s;R为回流比,%。S为水中有机物浓度(COD),mg/L; Vb为滤层中生物膜总体积。m3;e为滤层空隙率,%;r为有机物降解速率系数,g/(s·m3);dV为滤料层微元体积。
有机物代谢速率可用微生物的增长率表示:dS/dt=-1/Y*dX/dt=-μ/YX
式中,μ为微生物比增长速率,1/s;Y为微生物产率系数,g/g;X为微生物浓度,g/m3。
由Monod公式可得:μ=μm*S/Ks+S
式中,μm为微生物最大比增长速率,1/s;Ks为饱和常数,其值为μ=μm/2时的基质浓度。
由于BAF中有机物浓度较低,假设S<<Ks。
由式得:dS/dt=-μm/Y*S/Ks*X
K=μm/YKs
dS /、,S。,
式中:K为BAF反应速率常数,m3/(K·s)。
dS/dt=-KXS
可以看出,当有机物浓度较低时,有机物的降解速率与基质浓度之间满足一级动力学反应关系式,这一点与Eckenfelder的理论是一致的。
滤层中生物膜总体积计算如下。
假定定滤料为球状均匀颗粒,其直径为d,体积为π/6 d3,表面积为πd2,单位体积滤层中颗粒所占总体积为1-ε。则颗粒数为:n=6(1-ε)/πd3
考虑颗粒不规则因素,引入表面积校正系数α,则单位体积滤层中颗粒总表面积为:A=anπd2=α6(1-ε)/d
式中,A为滤料特征常数,m2/m3。
设滤层厚H,表面生物膜厚度为δ,可得:dVb=AδdV A*dh=dV
式中,A*为滤层截面积,m2;A*dh为滤层微元体积,m3。
将式代入,同时考虑微生物对有机物降解过程处于稳定状态,则有:
QdS=-KXSAδA*dh
=-AδA*KXSdh
dSS=AδA*KX/Q*dh
q=QA*
式中,q为水力负荷,m/s。
积分:lnSe/Sa=-AδKX/qH
Se=Sa exp(-AδKX/q*H)
式中,Sa为回流稀释后的浓度。
Sa=S0+RSe/1+R
考虑到反硝化需要消耗的碳源,由于原水中氮的含量比较恒定,故近似认为由于反硝化降低的有机物浓度为β。所以:Sa=Sa-β=S0+RSe/1+R-β
代入得:Se=(S0+RSe/1+R-β)exp(-AδKX/q*H)
Se=S0-β(1+R)/(1+R)exp(AδKX/q*h)-R
该式中A、H为己知量,δ、X可由相应的检测得到,只要能得到K、β的值,便可由进水浓度S0,估算出出水浓度。
本研究中用回归法求得相应的参数,计算过程如下。
(1)A=6a(1-ε)/d
其中: 6/d=1.412*103(1/m),a≈1,ε=0.5272=52.72%,所以:A=1.412*103*1*(1-52.72%)=6.68*102(m2/m3)
(3)取一定体积带有生物膜的填料,将生物膜淘洗溶于水中,用离心机进行泥水分离,去除上清液,在103-105℃下烘干至恒重,用减量法求得X=6.83*103g/m3。
将以上三个已知条件代入,得:

六、BAF的同步硝化反硝化和前置反硝化工艺比较

从前面的分析可以看出,同步硝化反硝化工艺和前置反硝化工艺对污染物质的去除,无论是在去除机理上还是在去除效果上都有很多相似的地方,也有不同之处。现对两种工艺的异同点进行一个综合评述。
1.两种工艺去除有机物比较
在同步硝化反硝化工艺中,COD去除率最高的部分为最下层50cm厚的填料层,试验中进水COD浓度为137-164mg/L;COD负荷为1.47-3.76kg/(m3·d)时,该层滤料的COD去除率为53.4%-62.20%,填料高度超过50cm后,COD去除率逐步上升,但速率变慢,尤其是滤料层超过137cm后,COD浓度几乎没有变化。其最终出水浓度在30mg/L以下,去除率在80%以上。水力负荷在1.1-2.39m/h的范围,水力负荷的变化对COD的去除影响不大。
在前置反硝化工艺中,在最下层50cm厚的缺氧区,COD的去除率最高,本试验中进水COD浓度为229- 253mg/L;COD负荷为4.64-5.25kg/(m3·d)时,污水经过该滤层COD浓度降至40mg/L左右,COD去除率在80%以上。在好氧区COD浓度投有明显的降低,最终COD出水在30mg/L以下,去除率在90%以上。
2.两种工艺去除NH3-N比较
同步硝化反硝化工艺中,NH3-N去除率随填料高度的增加而增加,最下层50cm厚滤料NH3-N去除率最高,试验中进水NH3-N浓度为25.3-28.9mg/L,水力负荷为1.1-2.39m/h时,该滤层的NH3-N去除率在40%左右,最终NH3-N出水浓度在5mg/L以下,去除率在85%以上。
前置反硝化工艺中。最下层50cm厚的缺氧区NH3-N去除效率最高,试验中进水NH3-N浓度为25.6mg/L,水力负荷为1.9-2.39m/h,该层滤料NH3-N去除率在80%以上,最终NH3-N除水浓度在2mg/L以下,去除率达95%。
3.两种工艺去除TN比较
同步硝化反硝化工艺对TN的去除效果不理想,脱氮率仅为30%左右。
前置反硝化工艺具有较好的脱氮效果,如果原水中有充足的碳源,脱氮率可达80%-90%,出水TN浓度在10mg/L以下。
综上所述,两种工艺对COD、NH3-N都具有理想的去除效果,但去除机理及规律有不同之处。由于回流作用,使得前置反硝化工艺抗冲击的能力较强,出水水质相对较好,但是这势必增加动力消耗,导致运行成本的上升。因此,如果没有脱氮要求,尤其是当原水中COD浓度较低时,建议采用同步硝化反硝化工艺。
就目前我国生产滤料的性能来看,要取得理想缺氧微环境有相当难度,即使l司步硝化反硝化工艺能够取得较好的脱氮效果,其脱氮稳定也比不上前置反硝化工艺。如果有脱氮要求,应采用前置反硝化工艺。另外,如果原水COD浓度较高。尽管没有脱氮要求,仍可选择前置脱氮工艺,因为缺氧区快速COD的降解降低了后续好氧段的负荷,同时又可实现脱氮功能,一举两得。回流水的稀释作用,使得前置反硝化工艺去除COD及NH3-N的稳定性要远远高于同步硝化反硝化工艺。

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