氣升環流反應器處理高氨氮豆制品廢水
近年來，國內外對SHARON工藝、SND(同步硝化反硝化)等新型脫氮工藝的機理及實驗室研究較多，但由于溫度、溶解氧等控制參數要求苛刻，工程應用仍鮮見報道。
氣升環流反應器由于其結構簡單、占地面積小、能耗低、無需機械攪拌等特點，在生物、化工領域應用廣泛，其在水處理領域的應用與研究也逐步展開。但其受高徑比設計方式單一和曝氣方式等因素的限制，使得目前氣升式環流反應器用于實際工程的很少。
本項目將總容積為3400m3的多導流筒氣升環流反應器應用于處理規模為1800m3/d的高NH4+-N豆制品廢水處理工程改造，取得了良好的效果。反應器高為15m，直徑為17m，占地面積約254m2(含基礎面積)，內含204根導流筒，反應器總高徑比＜1，反應器連續進水，實現了同步硝化反硝化，幾乎無NO2-與NO3-積累，TN去除率最高達98．8%，出水COD、NH4+-N等指標均達標。
1工程概況
杭州某豆制品廠在大豆煮漿、深加工等生產各類豆制品的過程中產生1800m3/d高COD、高有機氮廢水，原有設計水量為1500m3/d的調節池+UASB的廢水處理系統出水水質已不能達到當地《污水排入城鎮下水道水質標準》(CJ343—2010)，必須進行改造。
原系統運行情況及排放標準如表1所示。
原廢水處理系統中UASB反應器在水溫為(37±1)℃、容積負荷為4～6kgCOD/(m3·d)條件下，對COd的去除率穩定在90%以上，厭氧出水COD為800～1000mg/L，VFA(揮發性脂肪酸)為3～5mmol/L，CaCO3堿度為4200mg/L左右，沼氣產量為6000～7000m3/d。原UASB反應器對NH4+-N、有機氮幾乎沒有去除效果，UASB出水NH4+-N高達210～270mg/L。由于廠區用地緊張，環保可用地僅為約360m2，新增的好氧系統需能去除廢水中殘余COd并脫氮。
2多導流筒氣升內循環反應器結構原理
采用自行開發的多導流筒氣升環流反應器，工作微元示意見圖1。反應器內部包含204個工作微元，罐體為鋼結構，內涂環氧樹脂防腐，總高為15m，直徑為17m，總容積為3400m3，有效容積為3000m3，占地面積為227m2，微孔曝氣軟管伸入導流筒頂端約1m，曝氣使導流筒內含氣率升高，與筒外形成密度差，使反應器內沿導流筒自發形成內循環，內循環量與表觀氣速、降流區總直徑等因素有關。反應器采用PLC控制器自動控制連續進水、間歇曝氣、間歇出水，曝氣、沉淀、出水時間均可在中控計算機或現場觸摸屏調節，自動化程度高，運行過程與CASS(循環式活性污泥法)工藝類似，但無需污泥回流設備，并有大比例回流稀釋，反應器耐沖擊能力更強。反應器沉淀時表面負荷為0．33m3/(m2·h)，連續進水對沉淀過程中泥水分離幾乎沒有影響。
利用變頻技術及調整曝氣支管上的蝶閥開度來控制溶解氧。在曝氣區，異養菌利用氧氣將廢水中可降解有機物氧化為CO2和H2O，硝化菌將NH4+-N氧化為NO2--N或NO3--N，廢水循環向下至底部與原水混合時呈缺氧狀態，菌膠團中的反硝化細菌利用原水中的COd為碳源，將NO2--N、NO3--N反硝化為N2，剩余的COd和NH4+-N沿導流筒向上進入好氧區，實現整個反應器中的同步硝化反硝化。由于沒有NO2--N、NO3--N的積累，在沉淀期內也不會因為反硝化產生N2影響沉淀功能。底部缺氧區在沉淀時起到了污泥選擇器的作用，能有效抑制污泥膨脹。反應器穩定運行時，采用較低的污泥負荷，污泥齡長，有利于硝化細菌的富集，且剩余污泥量少。反應器主體與配套設備的主要參數如表2所示。
3多導流筒氣升內循環反應器的啟動運行
3.1反應器的啟動
罐體試水和設備調試后，開始啟動多導流筒氣升內循環反應器。由于前段有中溫UASB反應器，好氧反應器接納廢水常年穩定在28～35℃，此溫度條件有利于培菌。
采用接種少量污泥方式啟動。將原水注入反應器至工作高度，悶曝72h，COd濃度從11200mg/L降至4800mg/L后，向反應器內投加含水率為90%的好氧壓濾污泥約8t，反應器初始MLSS為260mg/L左右。根據控制污泥負荷的不同，將培菌過程分為異養菌培養與硝化菌培養兩個階段。
在溫度適宜、溶解氧充足和較高的污泥負荷等條件下，異養菌能夠利用廢水中的COd和氧氣快速增殖，表現在反應器內MLSS持續增長，COd含量逐步下降。采用超越部分原水的方式補充好氧反應器的碳源，用于異養菌的培養與反硝化。異養菌培養期反應器內COD、MLSS的濃度隨時間的變化關系如圖2所示。接種污泥對豆制品廢水適應良好，反應第二天廢水的COd濃度從4800mg/L降至3500mg/L，由于接種污泥量太低，反應器內有機負荷過高，導致活性污泥粘性物質增多，反應器產生大量白色泡沫，現場采用降低反應器液位、噴淋消泡等手段消除泡沫影響，并保持曝氣充足，在第三天泡沫消失。前9天反應器污泥負荷始終在1kgCOD/(kgMLSS·d)以上，9天后超越部分原水至反應器以維持此污泥負荷，有利于異養菌快速生長。經過14天的培養，反應器內COd濃度降至400mg/L以下，MLSS升高至1500mg/L以上。
較高的污泥負荷滿足了異養菌快速增殖的條件，但是不利于硝化菌的生長。從第15天開始向反應器內逐步減少原水的超越量，增加厭氧處理出水量，厭氧出水COd濃度為800～1400mg/L、NH4+-N濃度為185～270mg/L，污泥有機負荷控制在0．2kgCOD/(kgMLSS·d)左右。此工況運行情況如圖3所示。
初期MLSS呈緩慢上升趨勢，但較長時間低負荷運行，至第25天時MLSS開始下降，而NH4+-N去除率也在此階段上升至50%，表明在較低污泥負荷下，氨氧化菌增殖至一定數量。到第30天時，增大進水量至設計水量并超越部分原水，污泥負荷升至0．5kgCOD/(kgMLSS·d)，污泥濃度和NH4+-N去除率分別穩定上升至3947mg/L和96．8%。為維持反應器內污泥濃度穩定，降低原水的超越量，將污泥負荷控制在0．25～0．35kgCOD/(kgMLSS·d)，MLSS穩定在3000～3500mg/L，反應器進入正常運行階段。
3.2反應器的運行分析
經過近400天的穩定運行，反應器的最終運行工況為:處理水量為1800m3/d，進水COd濃度為800～1000mg/L，NH4+-N濃度為185～270mg/L，水溫為(31±3)℃，反應器曝氣190min，沉淀與排水50min，曝氣時反應器上層DO值維持在1．5～2．5mg/L，底部溶解氧濃度為0．5～1mg/L，沉淀時DO值約為0．5mg/L，污泥濃度控制在3000～3500mg/L，污泥齡約為45d，有機污泥負荷維持在0．16～0．2kgCOD/(kgMLSS·d)，NH4+-N污泥負荷約為0．05kgNH4+-N/(kgMLSS·d)，C/N約為4，對COD、NH4+-N的去除率分別為70%、95%，反應器最大氨氧化速率為6．25mgNH4+-N/(L·h)。在曝氣與沉淀階段，廢水中NO2--N、NO3--N均小于0．5mg/L，絕大部分時間未檢出，證明反應器中進行著同步硝化反硝化，TN去除率約為98%。
氣升內循環反應器運行時功率密度為29．7W/m3，總運行功率約為1884kW，平均電耗為0．84元/m3、人工費為0．2元/m3、污泥處理費為0．2元/m3，無藥劑費用，直接運行費用約為1．24元/m3，整個廢水處理系統中好氧部分單位處理水量的占地面積為0．126m2/m3。
4總結與討論
①采用17m×15m的多導流筒氣升內循環反應器處理1800m3/d豆制品廢水厭氧處理出水，經過50余天的調試，反應器達到設計要求，穩定運行階段出水COD≤350mg/L、NH4+-N≤10mg/L、TN≤10mg/L，均滿足當地《污水排入城鎮下水道水質標準》(CJ343—2010)，氨氧化速率最高為6．25mgNH4+-N/(L·h)，對總氮、氨氮去除率最高達98．8%，遠優于標準要求。
②反應器曝氣階段和沉淀階段反應器內NO2--N、NO3--N濃度均小于0．5mg/L，屬于同步硝化反硝化過程。推測原因為反應器內部由氣提形成好氧/缺氧區并有大比例回流，但不排除微環境理論與好氧反硝化菌的作用，有待進一步驗證。
③反應器單位處理水量占地面積為0．126m2/m3，占地面積小，采用普通風壓風機曝氣，處理費用為1．24元/m3，反應器內部結構簡單，無傳動部件，自動化程度高，運行穩定，可在用地面不足的情況下使用。
④此項目將氣升式環流反應器成功應用于工業規模的廢水脫氮處理工程，應進一步對反應器總氣含率、循環流量、傳質效果等進行研究，對反應器優化設計提供理論依據。另外，與MBR膜出水方式結合，實現反應器的連續進出水運行，用于市政污水脫氮除磷，也是進一步研究的重點。
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