前置反硝化-硝化生物滤池工艺物料平衡分析.pdf

前置反硝化 － 硝化生物滤池工艺物料平衡分析 * 江洁珊 1 洪俊明 1 董文艺 2 黄中华 3 李坚 3 1． 华侨大学化工学院， 福建 厦门 361021; 2． 哈尔滨工业大学深圳研究生院， 广东 深圳 518055; 3． 厦门水务中环污水处理有限公司， 福建 厦门 361000 摘要 针对前置反硝化 DN－ 硝化 CN 生物滤池工艺进行碳 COD 、 氮、 磷平衡分析， 建立了该工艺的物料衡算方 法。分析结果表明 DN 池中反硝化的碳源主要是甲醇， 占 DN 池反硝化碳源量的 70. 8 。入流总氮中有 13. 7 通过 CN 池的同步硝化反硝化过程去除; 入流 COD 中有 46. 4 通过 CN 池中异养菌的好氧氧化去除; 入流磷总量约有 75. 9 被微生物利用。CN 池中硝化过程耗氧量为 29. 0 ， 占供氧量的比例最大。 关键词 物料平衡; 前置反硝化 － 硝化生物滤池; 曝气生物滤池 MATERIAL BALANCES ANALYSIS OF PRE- DENITRIFICATION AND NITRATION BIOLOGICAL FILTER PROCESS Jiang Jieshan1Hong Junming1Dong Wenyi2Huang Zhonghua3Li Jian3 1． College of Chemical Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China;2． Shenzhen Graduate School，Harbin Institute of Technology，Shenzhen 518055，China;3． General Water of Xiamen Sewage Co． ，Ltd，Xiamen 361000，China AbstractCarbon COD ，nitrogen and phosphate material balances of the process of pre-denitrification and nitration biological filter were investigated． The s for calculating material balances of the process were established． The results indicated that the methanol was the main carbon source for denitrification in DN filter，which accounted for 70. 8 of the total carbon source consumed in the denitrification process of DN filter． 13. 7 of the influent total nitrogen was removed by SND process of CN filter． 46. 4 of the influent COD was removed by the aerobic oxidation of the heterotrophic bacteria in CN filter． 75. 9 of the influent total phosphate was utilized by microorganisms． The oxygen consumed in the nitrification process of CN filter accounted for 29. 0 ，which occupied the largest ratio of the oxygen supply． Keywordsmaterial balance;pre-denitrification and nitration biological filter;biological aerated filter * 国家 “十一五” 水体污染控制与治理重大专项 2008ZX07317- 02 ; 厦 门科技计划项目 3502Z2009302 。 曝气生物滤池结合了生物接触氧化和给水处理 中快滤池的设计理念， 集生物吸附、 物理截留和生物 氧化为一体 ［1］， 是一种发展较快的新型生物处理技 术， 具有占地面积小、 出水水质好、 投资省、 运行灵活 方便、 易于管理、 抗冲击能力强等特点 ［2］， 可用于污 水的二级、 三级处理和微污染水源水预处理等 ［3］。 对污水处理工艺进行碳 COD 、 氮、 磷物料平衡 分析是评价城市污水处理厂运行状况的有效方法。 朱五星等 ［4］通过物料衡算对倒置 AAO 工艺物料及能 量流向进行分析。Barker 等 ［5］研究了活性污泥工艺 的物料平衡情况。葛士建等 ［6］分析了改良 UCT 分段 进水试验装置稳态条件下各指标的物料分布情况。 基于城市污水处理厂的物料平衡分析， 可以提出节约 污水处理 成 本的 有 效途 径， 还 可 为 工 艺 优 化 提 供 参考。 本文以某城市污水处理厂的前置反硝化 － 硝化 生物滤池工艺为研究对象， 分析了工艺中碳 COD 、 氮和磷的物料平衡， 建立了平衡分析的衡算方法， 并 且以 20092010 年冬季稳态条件下的运行数据为基 础， 分析评价了该工艺的处理效果和运行状况。 1前置反硝化 － 硝化生物滤池工艺简介 南方 某 污 水 处 理 厂 采 用 法 国 得 利 满 公 司 的 BIOFOR 前置反硝化 － 硝化 DN CN 生物滤池处理 工艺， 处理规模为 30 万 t/d， 工艺流程见图 1。前处 理出水、 回流水、 甲醇在混合池内快速混合均匀， 混合 池出水流入前置反硝化生物滤池 DN ， DN 池出水 13 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 均匀分配至池数为其 2 倍的曝气生物滤池 CN ， CN 池处理后出水。出水水质达 GB 189182002城镇 污水处理厂污染物排放标准 中的一级 B 排放标准。 图 1 DN CN 生物滤池工艺流程 以每 48 h 为 1 个运行周期， 每组 DN CN 池的 流量为每周期42 893. 6 m3， 回流比为 92 ， DN 池反 冲洗周期 12 h， CN 池反冲洗周期 48 h， 反冲洗总水量 为每周期7 257. 4 m3， 每组 DN CN 池的甲醇投加量 为每周 期 2 057 L， 标 况 下 每 个 CN 池 的 曝 气 量 为 900 m3/h， 溶解氧浓度为7. 0 mg/L。 2平衡分析方法 2. 1平衡分析的假定 假设系统处于“稳态” ， 每天流入系统的污水流 量为定值， 入流污水每天的水质组成基本一致; 为避 免水质数据波动对平衡分析的影响， 平衡分析时所使 用的数据为冬季平均值。 反冲洗污泥中的氮主要以有机氮的形式存在。 同时忽略曝气对氨的吹脱损失。 2. 2COD 平衡分析方法 COD 的去除途径有 CN 池氧化的 COD; DN 池反 硝化消耗的 COD; CN 池生物膜缺氧区反硝化消耗的 COD。 每组 DN CN 池的 COD 平衡示意图见图 2。 图 2DN CN 生物滤池系统 COD 物料平衡 DN CN 系统的物料平衡关系式为 Mnit， NO－ 3 Mdinit， NO－ 3 QSNO－ 3， e － QSNO－ 3， i 1 Mnit， O2 4. 57Mnit， NO－ 3 2 MCOD， aer AOTVaer－ Mnit， O2 AOTVaer－ 4． 57 Mdinit， NO－ 3 QSNO－ 3， e － QSNO－ 3， i 3 式中 Mnit， NO－ 3 为 硝 化 作 用 生 成 的 硝 酸 盐 氮 量， g; Mdinit， NO－ 3 为反硝化消耗的硝酸盐氮量， g; Mnit， O2为硝化 作用耗去的 O2量， g; MCOD， aer为 CN 池氧化的 COD 量， g; Q 为 DN 池的入流水量， m3; SNO－ 3 ， e为 CN 池出水 硝酸盐氮浓度， mg/L; SNO－ 3 ， i为 DN 滤池进水的硝酸盐 氮浓度， mg/L; A 为 DN CN 生物滤池工艺系统的运 行周 期， h，为 48 h; OT为 CN 滤 池 内 耗 氧 速 率， mg/ L h ; Vaer为 CN 池体积， m3。 反硝化过程氧化的 COD 量通过电子传递计量来 确定。 Mdinit， NO－ 3 QSTN， i－ QSTN， e－ Mwas， N 4 Mdinit， COD 2. 86Mdinit， NO－ 3 － MCH3OH， COD 5 式中 Mwas， N为 DN 和 CN 池反冲洗污泥的含氮总量， g， Mdinit， COD为系统反硝化消耗的 COD 量， g; MCH3OH， COD 为通过投加甲醇引入系统的 COD 量， g; STN， e为 CN 滤 池出水总氮浓度， mg/L; STN， i为 DN 池进水总氮浓度， mg/L。 因此， 系统输出的 COD 量 g 为 MCOD， out Meffl， COD Mwas， COD， DN Mwas， COD， CN Maer， COD Mdinit， COD QeSCOD， e Mwas， COD， DN Mwas， CON， CN AOTVaer－ 4. 57 QSTN， i－ QSTN， e－ Mwas， N QSNO－ 3， e － QSNO－ 3， i 2． 86 QSTN， i － QSTN， e－ Mwas， N－ MCH3OH， COD 6 Qe Q － Qr 7 进入系统的 COD 量 g 为 MCOD， in QiSCOD， i 8 式中 Qi、 Qe、 Qr分别为 入流、 出流、 回流水量， m3; SCOD， i、SCOD， e为 入 流、出 流COD浓 度，mg/L; Mwas， COD， DN、 Mwas， COD， CN分别为 DN、 CN 池反冲洗污泥含 碳量， g。 COD 平衡率为 η MCOD， out/MCOD， in 100 9 2. 3氮平衡分析方法 每组 DN CN 生物滤池的氮平衡如图 3 所示。 DN CN 生物滤池系统反硝化作用途径 DN 滤 池反硝化和 CN 滤池同步硝化反硝化 SND 。 23 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 图 3DN CN 生物滤池系统氮物料平衡 DN 滤池 Mdinit， DN QSNO－ 3， i， DN － QSNO－ 3， e， DN 10 式中 Mdinit， DN为 DN 池反硝化消耗的硝酸盐氮的量， g; SNO－ 3 ， e， DN为 DN 滤 池 出 水 硝 酸 盐 氮 浓 度， mg/L; SNO－ 3 ， i， DN为 DN 滤池进水硝酸盐氮浓度， mg/L。 CN 滤池 ΔTKN QSTKN， i， CN－ QSTKN， e， CN 11 ΔNO－ x MNO－ x， i， CN － MNO－ x， e， CN QSNO－ 3， i， CN － QSNO－ 3， e， CN QSNO－ 2， i， CN － QSNO－ 2， e， CN 12 MSND， N ΔTKN－ ΔNO－ x － Mwas， TN， CN 13 式中 ΔTKN为 CN 池 总 凯 氏 氮 变 化 量， g; STKN， i， CN、 STKN， e， CN分别为 CN 池进水、 出水总凯氏氮浓度， mg/ L; ΔNO－ x 为 CN 池 中 NO － x -N 变 化 量，g;MNO－ x ， i， CN、 MNO－ x ， e， CN分 别 为 CN 池 进 水、出 水 NO － x -N 量，g; SNO－ 3 ， i， CN、 SNO－ 3 ， e， CN分别为 CN 滤池进水、 出水硝酸盐 氮浓度， mg/L; SNO－ 2 ， i， CN、 SNO－ 2 ， e， CN分别为 CN 滤池进 水、 出水亚硝酸盐氮浓度， mg/L; MSND， N为 CN 池通过 SND 现象除去的氮量， g; Mwas， TN， CN为 CN 滤池反冲洗 污泥含氮量， g。 离开系统的总氮量 g 为 MN， out Meffl， TN Mwas， TN， DN Mwas， TN， CN Mdinit， DN MSND， N 14 系统出水的总氮量 g 为 Meffl， TN QeSTN， e 15 进入系统的总氮量 g 为 MN， in QiSTN， i 16 N 平衡率 η MN， out/MN， in 100 17 式中 STN， i表示进水中总氮的浓度， mg/L， STN， e表示出 水中总氮的浓度， mg/L; Mwas， TN， DN为 DN 滤池反冲洗 污泥的含氮量， g。 2. 4磷平衡分析方法 进入系统的磷等于出水磷及反冲洗污泥的磷之 和。系统磷平衡如图 4 所示。 图 4DN CN 生物滤池系统磷物料平衡 磷的平衡式为 MP， in QiSTP， i 18 Meffl， TP QeSTP， e 19 MP， out Meffl， TP Mwas， TP， DN Mwas， TP， CN 20 式中 MP， in、 STP， i分别为进入系统的磷量 g 、 进水总 磷浓度 mg/L ; MP， out、 Meffl， TP、 STP， e分别为排出系统的 磷量 g ; 系 统 出 水 的 磷 量 g ; 出 水 总 磷 浓 度 mg/L ; Mwas， TP， DN、 Mwas， TP， CN分别为 DN 滤池、 CN 滤 池反冲洗污泥含磷量 g 。 因此， P 平衡率 η MP， out/MP， in 100 21 2. 5CN 池供气平衡分析方法 CN 滤池气量平衡关系如图 5 所示。 图 5 CN 滤池工艺供气量平衡 CN 滤池单元的供气量计算有以下关系式 Mtrans， gas 29BAp RT － 0. 5DQ 0. 21 － 0. 5Maer， COD 0. 21 － 0. 5Mnit， O2 0. 21 22 式中 Mtrans， gas为逸出气量， g; B 为标况下每个 CN 池 的曝气量， m3/h; A 为 CN 池的运行周期， h; p 为标准 大 气 压，101. 3 kPa; R为 摩 尔 气 体 常 数， 8. 314 J/ mol K ; T 为标准状态下的温度， 273 K; D 为 CN 池溶解氧浓度， mg/L。 33 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 3物料平衡分析 3. 1COD 平衡分析 表 1 为 DN CN 池系统水质数据的冬季平均值。 根据 COD 物料衡算式 1～ 式 9 计算其物料平衡， 计算结果如表 2 所示。 表 1DN CN 池系统水质平均值 mg/L 入流 ρ COD CN 出水 ρ COD DN 进水 ρ TN CN 出水 ρ TN DN 进水 ρ NO － 3 CN 出水 ρ NO － 3 162. 5628. 6729. 9117. 967. 2815. 33 表 2DN CN 池系统 COD 物料平衡 项目 输入输出 MCOD， inMeffl， CODMwas， COD， DNMwas， COD， CNMaer， CODMdinit， COD COD 量 /g6 972 783. 11 229 616. 41 014 427. 2494 453. 63 235 709. 31 168 163. 8 质量分数 /100 17. 614. 57. 146. 416. 8 总量 /g6 972 783. 1 7 142 370. 4 COD 平衡率 /102. 43 输出 /输入 由表 2 可以看出 通过物料平衡分析， 在 DN CN 池系统中， COD 的去除主要靠 CN 池中异养菌的 好氧氧化， 这个过程去除的 COD 占流入系统 COD 的 46. 4 ， 整个工艺系统通过反硝化作用利用的 COD 占流入系统 COD 的 16. 8 。流入系统的 COD 约有 21. 6 用于微生物生长， 这部分 COD 通过排泥过程 排出。剩余的 17. 6 的 COD 随着出水外排。COD 在该工艺系统中的物料平衡率为 102. 43 ， 可能是 污泥含碳量分析中 TOC 的误差所致。 DN 滤池中大部分的反硝化碳源主要依靠外加 碳源， 投加的甲醇占 DN 滤池反硝化过程水泵的碳源 总量的 70. 8 ， DN 滤池反硝化过程对进水 COD 的 利用量占该反硝化过程利用碳源量的 29. 2 ， 这主 要是因为该污水处理厂进水中， 在缺氧条件下可被反 硝化微生物直接利用的 COD 含量较少。可被反硝化 过程直接利用的 COD 占进水 COD 的 7. 1 ， 因此反 硝化过程需要的大部分碳源通过甲醇投加来补充。 在 DN 滤池中污泥生长利用的碳源为 14. 5 ， 这部分 COD 通过反冲洗排泥过程去除。 对于 CN 滤池， 进水 COD 中约有 46. 4 通过好 氧过程去除， 这部分 COD 主要是通过微生物的代谢 过程转化为 CO2和 VOC 进入大气。CN 滤池中也存 在明显的同步硝化反硝化过程， 这个过程利用的碳源 占进水 COD 的 9. 7 ， 可见在好氧过程中可将部分 慢速生物降解 COD 通过污泥的降解， 转化为反硝化 过程中可以利用的 COD， 这部分 COD 在同步硝化反 硝化过程中得到利用。好氧过程污泥去除的 COD 量 占 7. 1 。 3. 2氮平衡分析 DN CN 生物滤池工艺数据的冬季平均值如表 3 所示。根据式 10～ 式 17 分别计算各部分氮的 转化关系， 计算结果如表 4 所示。 表 3DN 与 CN 池工艺水质平均值 mg/L 项目 系统入流 ρ TN 进水 ρ TN 出水 ρ TN 进水 ρ NO － 3 出水 ρ NO － 3 进水 ρ NO － 2 出水 ρ NO － 2 进水 ρ TKN 出水 ρ TKN DN 生物滤池40. 02 29. 9121. 477. 281. 200. 030. 2922. 5919. 98 CN 生物滤池 21. 4717. 961. 2015. 330. 290. 0719. 982. 56 表 4DN CN 池系统氮物料平衡 项目 输入输出 MN， inMeffl， TNMwas， TN， DNMwas， TN， CNMdinit， DNMSND， N 含氮量 /g1 716 795. 9 770 369. 0138 671. 818 005. 9500 937. 2235 375. 2 质量分数 /100 44. 98. 11. 029. 213. 7 总量 /g1 716 795. 9 1 663 359. 1 N 平衡率 /96. 89 输出 /输入 从表 4 可以看出 通过物料平衡分析， 对于 DN CN 生物滤池系统， 通过反硝化作用去除了进水总氮 量的 42. 9 ， 约有 9. 1 的氮用于微生物生长， 剩余 44. 9 的氮随出水外排。该工艺对总氮的去除率为 55. 1 。出水能够达 GB 189182002 中一级 B 排放 标准。在该工艺系统中氮的物料平衡率为 96. 89 ， 43 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 存在 3. 11 的余差误差， 原因可能是在本平衡分析 方法中， 忽略了曝气对氨的吹脱作用。 DN 滤池中， 通过反硝化去除的氮约占 29. 2 ， 这部分氮 以氮 气 的 方 式 排 出 系 统。DN 滤 池 中 约 8. 1 的入流总氮用于微生物生长， 这部分氮通过反 冲洗排泥作用去除。 CN 滤池中， 在滤料上生物膜通过 SND 作用去除 的氮占 13. 7 ， 可见在曝气生物滤池工艺虽然没有 缺氧段， 但是由于滤料生物膜中存在着一定的缺氧 区， 因此在 CN 滤池进行的 SND 作用也是不可忽略 的。CN 滤池中约 1. 0 的入流总氮用于微生物生 长， 这部分氮也是通过反冲洗排泥去除。 3. 3磷平衡分析 DN CN 生物滤池系统工艺数据的冬季平均值 如表 5 所示。根据磷的物料衡算式 18～ 式 21 计 算其物料平衡情况， 计算结果如表 6 所示。 表 5DN CN 池系统水质平均值及污泥组分 入流 ρ TP / mg L － 1 DN 进水 ρ TP / mg L － 1 CN 出水 ρ TP / mg L － 1 DN 滤池单 位质量干污 泥含磷量 / g g － 1 CN 滤池单位 质量干污泥 含磷量 / g g － 1 2. 671. 940. 810. 01260. 0161 表 6DN CN 池系统磷物料平衡 项目 输入输出 MP， inMeffl， TPMwas， TP， DNMwas， TP， CN 含磷量 /g117 619. 5 35 829. 253 562. 635 708. 4 质量分数 /10030. 5 45. 530. 4 总量 /g117 619. 5 125 100. 1 P 平衡率 /106. 36 输出 /输入 DN CN 生物滤池系统对磷的去除主要靠微生 物生长利用， 并通过系统的排泥过程排出。从表 6 中 可见， 流入系统的磷总量约有 45. 5 用于 DN 滤池微 生物生长， 约有 30. 4 用于 CN 滤池微生物生长， 这 两部分磷通过系统反冲洗排泥作用去除。物料衡算 中磷平衡率为 106. 36 ， 有 6. 36 的误差， 可能是因 为截留污泥的含 P 量取的是估算值而导致。 从表 5 污泥组分可知， CN 滤池单位干污泥的含 磷量高于 DN 滤池单位干污泥的含磷量， 这可能是在 CN 滤池中存在好氧聚磷现象， 这部分聚磷菌通过好 氧滤池中存在的局部厌氧区， 实现了厌氧释磷过程。 3. 4供气量平衡分析计算 根据碳平衡分析结果和式 22 计算空气转化关 系， 对 CN 池工艺的有关供气平衡计算， 结果见表 7。 表 7 CN 池工艺供气平衡分析 项目 输入输出 供气逸出溶解 COD 氧 化消耗 硝化作 用消耗 气量 /g55 913 737. 5 30 623 314. 4 1 372 595. 17 704 069. 816 213 758. 2 质量分数 /10054. 8 2. 513. 829. 0 总量 /g55 913 737. 5 55 913 737. 5 从 表 7 可 知 CN 滤 池 氧 气 的 总 体 利 用 率 为 45. 2 ， CN 滤池的硝化过程消耗的氧气量占供给氧 气量的比例最大， 达 29. 0 ， 可见在生物滤池中硝化 过程是利用氧气的主要途径， 其次是 COD 氧化过程， COD 氧化过程的异养菌利用的氧气量占供给氧总量 的 13. 8 ; 出水带出的氧气量占 2. 5 。 4结论 1 通过对 DN CN 生物滤池工艺的碳 COD 、 氮、 磷转化途径进行理论分析， 建立了 DN CN 生物 滤池工艺的物料衡算方法， 为评价污水处理工艺的处 理效果和运行状况提供参考。 2 DN 滤池中反硝化过程利用的碳源 70. 8 主 要是甲醇， 对入流 COD 的利用量仅占入流 COD 总量 的 7. 1 ; 入流 COD 中有 46. 4 通过 CN 滤池好氧氧 化去除; 同步硝化反硝化过程去除的氮量占入流总氮 量的 13. 7 。 3 入流的磷总量约 75. 9 被生物滤池的微生物 利用， 这 部 分 磷通 过 系统 的 反 冲 洗 排 泥 作 用 得 到 去除。 参考文献 ［1］鞠保轩， 于青， 崔宪文， 等． 曝气生物滤池工艺在水处理中的应 用［J］． 青岛建筑工程学院学报， 2005， 26 4 52- 55. ［2］马军， 邱立平． 曝 气 生 物 滤 池 及 其 研 究 进 展［J］． 环境工程， 2002， 20 3 7- 11. ［3］张杰， 曹相生， 孟雪征． 曝气生物滤池的研究进展［J］． 中国给 水排水， 2002， 18 8 26- 29. ［4］朱五星， 汪诚文， 施汉昌． 倒置 AAO 工艺中物料及能量流向的 研究［J］． 环境工程学报， 2007， 1 3 50- 54. ［5］Barker P S， Dold P L． COD and nitrogen mass balance in activated sludge systems［J］． Water Research， 1995， 29 2 633- 643. ［6］葛士建， 彭永臻， 张亮， 等． 改良 UCT 分段进水脱氮除磷工艺性 能及物料平衡［J］． 化工学报， 2010， 61 4 1009- 1017. 作者通信处洪俊明361021福建省厦门市集美区集美大道 668 号华侨大学厦门校区化工学院 E- mailjmhong hqu． edu． cn 2011 － 02 － 23 收稿 53 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期