不同碳源对反硝化生物滤池运行效果影响

冯占立 ，李国辉 ，刘忠成 ，杨志超 ，张新宇 ，于丰浩 ，刁振东 ，孙大鹏

（1．鞍钢集团工程技术有限公司，辽宁 鞍山114021；2．鞍山钢铁集团有限公司安全环保部，辽宁 鞍山 114021；3．鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口 115007）

随着国家对环境污染治理及节能减排的重视程度的提升，传统的污水处理技术已经很难满足提高后的环保标准，多数污水处理厂出水脱氮效果差，总氮含量高。生物滤池是一种生物膜法污水处理工艺，其特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体［1］，能够将低浓度废水中的污染物质进一步有效脱除。20世纪70年代，我国在城市污水处理系统中引入了生物滤池［2］。在生物滤池运行过程中，随着系统截留固体悬浮物量的增加、生物膜的增长和反硝化过程气泡的积累，滤层阻力逐渐增大，滤池过水能力降低，同时出水SS浓度升高，影响系统正常运行，需要经常进行反冲洗［3-4］。反硝化生物滤池作为总氮脱除工艺的代表，多应用于市政废水处理中，利用反硝化滤池进行工业废水脱总氮的工程案例几乎没有，仅有的研究多数仍局限于试验［5］中。

鞍钢综合废水中包含焦化、炼铁、炼钢、冷轧、生活等排出的各类废水。该废水总氮含量较高、碳源不足，且对出水总氮要求较严，出水水质需达到《钢铁工业水污染物排放标准》（GB13456-2012）中的排放标准。经过多方比选后，采用了后置反硝化工艺进行综合废水处理。

1 工艺流程

综合废水处理的工艺流程示意图如图1所示。装置设计的进出水指标如表1所示。来自钢铁厂的综合废水经过提升后首先进入沉淀池，在混凝剂的作用下，废水中的胶体和细微悬浮物凝聚成絮凝体，然后予以分离去除，高效沉淀池出水进入曝气生物滤池，进行碳化及硝化反应，在降低废水化学需氧量（COD）的同时将氨氮转换为硝酸盐氮，曝气生物滤池出水后进入反硝化滤池，在反硝化滤池的缺氧环境中进行反硝化反应，从而去除水中总氮（TN）。从反硝化滤池出水后，进入砂滤池，砂滤池出水进入催化氧化池，在催化剂作用下，废水中无法生物降解的有机物被矿化，废水得到净化。

图1 综合废水处理工艺流程示意图

表1 装置设计进出水指标

2 存在问题

此综合废水处理系统中，总氮的有效脱除是系统运行的难点之一。由于原水中COD较低，为保障反硝化生物滤池总氮脱除效果，需要外加碳源。因此，碳源投加为反硝化滤池运行的关键环节。碳源投加过多，可能导致出水COD超标；碳源投加量不足，又可能导致出水硝酸盐浓度过高，出水总氮难以达到处理要求。系统运行初期，主要以葡萄糖（C6H12O6）作为系统外加碳源。以葡萄糖作为单一外加碳源的反硝化滤池运行稳定后，系统COD和总氮运行指标如图2所示，滤池反洗后系统COD和总氮变化趋势如图3所示。

图2 系统COD和总氮运行指标

图3 反洗后系统COD和总氮变化趋势

由图2可以看出，装置运行稳定后，系统出水COD没有增加，同时总氮能够降低至15 mg/L左右，但处理效果不稳定，总氮偶尔超标，且脱除效率较低。实践运行过程中，经过计算得出，外加碳源与总氮比值（C/N）为 7：1。

由图3可以看出，反洗后系统处理能力短时下降，4 h内出水总氮指标升高，4 h后反硝化能力逐渐恢复，至8 h后完全恢复。实际运行过程中，根据水头损失将反洗周期控制为16 h，系统操作压力较大。

上述结果表明，以葡萄糖作为单一外加碳源时，总氮虽然能够有效脱除，但反硝化滤池微生物增殖速度过快，出水浊度高，且水头损失严重，反洗周期短，系统操作压力大，高频率的反洗不但会造成滤料磨损严重，同时反洗后一定时间内还会影响微生物处理效果，系统运行风险较高。

3 改进措施

针对以上问题，决定开展不同碳源对反硝化生物滤池运行效果影响的研究试验，比较不同碳源投加后系统运行效果的变化。根据试验研究及报道记载，反硝化滤池可采用的碳源种类较多，如甲醇、乙醇、淀粉等［6-7］。现场利用2座反硝化滤池进行试验研究，药剂选取为乙酸（CH3COOH）和甲醇（CH3OH），以相同COD当量进行碳源投加，并与葡萄糖作为投加碳源时的情况作对比。经过一个多月驯化培养后，不同碳源投加后系统总氮脱除效果如图4所示。启动期间不同碳源投加后亚硝酸盐（NO2-N）含量变化如图5所示。

由图4可以看出，经过7天时间，原本已适应葡萄糖作为碳源的反硝化菌逐渐适应乙酸；10天后，反硝化菌开始适应甲醇；启动15天后，投加乙酸组的处理效果略优于投加葡萄糖组；投加甲醇组虽然适应较慢，但稳定后总氮脱除效果最佳。由图5可以看出，乙酸及甲醇作为碳源投入后，在启动期间，均有一段时期的亚硝酸盐积累过程，随着驯化完成，亚硝酸盐逐渐消失，葛世建等人在活性污泥系统中也得到了类似的结论［8］。

图4 不同碳源投加后系统总氮脱除效果

图5 启动期间不同碳源投加后亚硝酸盐含量变化

由于本装置为后置反硝化，进一步比较不同碳源投入后系统处理出水及反冲洗情况。反硝化过程中不同碳源消耗比例及反洗情况如表2所示。

表2 反硝化过程中不同碳源消耗比例及反洗情况

由表2可以看出，葡萄糖作为反硝化碳源，药剂消耗量大，出水浊度高，系统反洗周期最短，同时反洗水量大；乙酸和甲醇作为碳源，总氮脱除效率高，出水浊度较低，反洗水量小，但乙酸投入后会引起pH降低，见图6。

图6 乙酸投入后系统进出水pH变化

综上可以得出，乙酸和甲醇作为反硝化系统碳源的脱总氮效果优于葡萄糖，但乙酸和甲醇均属易挥发危险化学品，对运行管理的要求较高。

4 实践效果

通过对不同碳源的特点进行对比，在实现提高系统总氮处理能力及稳定性的同时，考虑经济性及操作安全性，最终决定采取混合投加的方式。由于甲醇具有毒性，且极易挥发，选择较为安全的乙酸+葡萄糖混合投加的方式，并以乙酸为主，葡萄糖为辅。根据来水水质情况，考虑反硝化过程适宜pH为6.5～7.5，采取乙酸与葡萄糖的COD当量比值约为3：1的方式进行投加实践，控制出水pH使其不低于6.8，记录一段时间的处理效果如图7所示。

由图7可以看出，系统投入混合碳源后，pH值降低幅度较小，不影响生化系统处理效果及出水水质，系统最终出水总氮稳定且≤15 mg/L，同时出水COD并未增加，达到了预期处理目标，相对于单一葡萄糖碳源，系统反洗周期延长，操作压力得到缓解。

图7 混合碳源（乙酸+葡萄糖）投加后出水COD、总氮和pH变化

5 结论

（1）在工业废水处理系统中，以葡萄糖作为反硝化滤池的单一碳源时，总氮脱除效率低，同时系统反洗频繁，操作压力大，处理效果不稳定。

（2）以乙酸、甲醇代替葡萄糖作为反硝化碳源是可行的。更换碳源后，反硝化反应重新启动时间短，投入乙酸、甲醇后，系统分别经过7天和10天后开始发挥反硝化作用；启动稳定后，在投加相同COD当量药剂的前提下，乙酸组对总氮的处理效果略优于葡萄糖组，甲醇组投入后虽然启动时间较长，但运行稳定后处理效果最优。

（3）不同碳源进行反硝化反应后出水浊度的对比：葡萄糖组＞乙酸组＞甲醇组；反洗周期以葡萄糖组最短，乙酸组居中，甲醇组最长。

（4）根据不同碳源的特性，综合考虑技术经济性及操作安全性，可以选择混合碳源投加的方式。采取乙酸+葡萄糖的混合投加方式后，与以葡萄糖为单一碳源相比，系统总氮处理效果得到了优化，系统最终出水的处理效果改善，同时操作压力变小。