反硝化滤池在处理含硝态氮树脂脱附液中的研究.pdf

第36 卷第5 期2023年10 月反硝化滤池在处理含硝态氮树脂脱附液中的研究污染防治技术POLLUTION CONTROL TECHNOLOGYVol.36,No.5Oct.,2023邱玉，潘阳，于伟华，姜笔存（南京环保产业创新中心有限公司，江苏南京2 1110 6)摘要：脱附液的处理处置问题是限制离子交换树脂在水处理中应用的重要因素本研究针对含硝态氮的树脂脱附液，以乙醇为碳源，结合反硝化滤池对含硝态氮的树脂脱附液进行处理，探究了不同盐浓度和不同碳氮比对系统出水COD和TN浓度的影响。本研究首先建立反硝化小试实验装置，额外添加碳源和反硝化菌，前期培养反硝化菌,形成反硝化生物膜,再逐步提高盐浓度、调整碳氮比来优化运行条件。结果表明,耐盐反硝化菌培养成功,可以在高盐浓度下（15.0 g/L)实现COD和TN的高效去除，盐浓度为15.0 mg/L、碳氮比为3:1时效果最佳，系统出水COD和TN浓度分别为10.45 mg/L和2.2 0 mg/L,对其去除率分别为9 7.9 1%和9 7.8 0%，出水情况远低于城镇污水处理厂污染物排放标准（CB18918一2002)的一级 A标准。关键词：离子交换；脱附液；反硝化滤池；硝态氮；反硝化菌中图分类号：X703.1Research onDenitrification Biological Filter in the Treatment ofthe Desorbed Wastewater with Nitrate from ResinQIU Yu,PAN Yang,YU Weihua,JIANG Bicun(Nanjing Innovation Center for Environmental Protection Industry Co.,Ltd.,Nanjing 211106,China)Abstract:The application of ion-exchange resin in wastewater was limited by the disposition problem of resin regenerationeffluent.This article mainly aimed at the desorbed wastewater with nitrate from resin combine with denitrification biological filter.Ethyl alcohol was added as a carbon(C)source.The effluent concentrations of COD and TN in case of different concentration ofNaCl and C/N ratio were investigated.Firstly,experimental setup of denitrification biological filter was established,then,C sourceand denitrifying bacteria was added.Denitrification biofilm can improve the removal efficiency of TN.The optimization of operatingcondition was debugged by raising the concentration of NaCl step by step and adjusting C/N ratio.The results showed that the salttolerant denitrifying bacteria were successfully cultured and could effectively remove COD and TN at high salt concentration(15 000mg/L).The optimization condition was 15 000 mg/L NaCl concentration and C/N ratio 3,which achieved the high COD(10.45mg/L,97.91%)and TN(2.20 mg/L,97.80%)removal.And the TN and COD concentrations were far lower than the first-gradedischarge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant(GB 189182002).Key words:ion-exchange;desorption solution;denitrification biological filter;nitrate;denitrifying bacteria当前，随着我国城镇化和工业化的发展，产生了大量的含氮生活污水和工业废水，因此导致了水体富营养化和蓝藻水华的大规模爆发从而导致整个水生生态系统的功能受到破坏。目前大部分城镇污水处理厂仍为城镇污水处理厂污染物排放标准（CB18918一2 0 0 2）一级B或二级排放标准，为提升城市市容市貌，城镇污水处理厂的提标改造刻不容缓。目前采用的硝态氮去除技术主要包括生物脱氮法 、化学还原法、离子交换法 2 、反渗透法 3和吸附法。其中离子交换法由于其具工艺简单、操作方便、工程投资费用少等优点而被应用于污水厂文献标识码A脱氮处理过程中。但是随着离子交换树脂的使用，脱附液的处理处置问题成为限制离子交换树脂在水处理中应用的重要因素。由于脱附液色度深、有机物浓度高、含盐量高,难以处理，因此对脱附液的处置提出了新的要求。目前有研究者利用混凝的方式处理脱附液,可使脱附液CODcr去除率达到5 8%,并且使脱附液体积减少6 5%41。但该方法成本较高，不适用于大规模脱附液的处理。收稿日期：2 0 2 3.7.18作者简介：邱玉，男，19 8 9.11,山东邹城人，工程师，硕士研究生，研究方向为工业水处理；2023 年10 月反硝化滤池在处理含硝态氮树脂脱附液中的研究43反硝化滤池集过滤功能和生物脱氮功能为一体,应用于污水深度脱氮时能够有效控制水体富营养化问题并改善水质。脱氮原理是以有机碳源作为电子供体，以硝态氮或亚硝态氮作为电子受体，在多种酶的作用下将硝酸盐或亚硝酸盐还原为N25。其作用原理为以填料为载体,依靠附着在载体表面的生物膜的反硝化作用达到脱氮效果。反硝化滤池内部为缺氧环境，无需设曝气装置，与其他深度处理工艺相比,具有成本低、反冲洗率低、维护管理方便、占地面积小、脱氮效果稳定等优点 5 。其内生物膜中的优势菌种为反硝化菌，在反硝化作用中反硝化菌占据了重要地位，可以说废水中反硝化菌的量直接影响反硝化作用的进程。针对反硝化菌耐盐性的研究，目前大部分都集中于嗜盐反硝化菌的分离。郭艳丽等人 6 从处理高盐度废水的成熟活性污泥中分离出一株轻度嗜盐反硝化细菌YL一1,通过研究表明该菌株可在010%盐度中生长。另外张培玉等人 7 也分离得到一株轻度嗜盐反硝化细菌 GYL,该菌株适宜在27%盐度中生长。国内外还有一些耐盐、嗜盐反硝化菌的研究报道 8 ，但是对于反硝化生物滤池中耐盐反硝化菌的驯化鲜有报道。因此,本文使用离子交换法与反硝化生物滤池相结合的方法对硝态氮脱附液进行处理，以乙醇为碳源，考察不同盐浓度和不同碳氮比条件下的脱氮效率和运行效果，以期为含硝态氮的树脂脱附液的处理开辟新的技术途径。1材料与方法1.1树脂脱附液水质试验采用人工配水，由乙醇、硝酸钾和氯化钠配置而成。水质前期COD浓度均值为5 0 0 mg/L，后期浓度为30 0 mg/L,TN浓度均值为10 0 mg/L,保证脱附液中C：N分别为5：1和3：1。1.2试验装置试验装置如图1所示。反硝化滤池主体由有机玻璃管制成，反应器总高度为30 cm，直径为12cm,总容积为3.4L,有效容积为2.3L,承托层高为5 cm。填料层由陶粒填充，填充高度为17cm,陶粒粒径为5 8 mm，堆积孔隙率为0.55%，比表面积 10*。约占反应器容积的6 0%。底部设有进水口，顶部设有出水口，采用上流式进水方式，碳源可直接投加人进水水箱。出水门1.3反应器启动及调试试验进水为2.1中的人工配水，只含乙醇和硝酸钾,反应器调试阶段不添加氯化钠。硝酸钾作为氮源模拟脱附液水质，乙醇作为外加碳源控制进水COD/TN值为5.0,试验温度为2530。前期搭建完成反应器后，向反应器中加入反硝化菌10 ml,反硝化菌菌落总数约为3.0 10 CFUmL-l,前期流速较低,控制在0.0 15 Lh-,历时30天左右的时间,出水 COD和TN浓度保持稳定,并可观察到反应器内陶粒表面有黄色生物膜包裹，可认定挂膜完成。1.4试验方法反应器挂膜完成后，采用阶段试验方法，向反应器进水水箱中添加不同浓度的氯化钠，考察盐浓度对反硝化滤池脱氮效能的影响。氯化钠梯度为10 0 0、2 0 0 0、40 0 0、6 0 0 0、8 0 0 0、10 0 0 0、13000、15 0 0 0 m g/L。每当出水稳定后，再逐步提高氯化钠浓度。当盐浓度为15 0 0 0 mg/L时，出水稳定后，调整进水碳氮比为3：1。挂膜完成后流速调整为0.0 6 Lh,水力停留时间约为38.33 h。反应器运行期间,每日取出水水质进行TN 和COD测定。TN和 COD的测定方法分别采用重铬酸盐法(HJ8282017)和碱性过硫酸钾消解紫外风光光度法(HJ6362012），当盐浓度 10 0 0 mg/L时,COD的测定方法采用氯气校正法（HJ/T70一2001)。2结果与讨论2.1挂膜情况向反硝化生物滤池中添加乙醇和反硝化细菌，经过32 天的驯化,观察到反应器内陶粒表面有黄色生物膜包裹，表明挂膜成功。该阶段稳定后出水总氮为14.7 0 mg/L,其去除率为8 5.30%。相比之填料层进水动泵图1试验装置44下,徐佩 通过向反硝化生物滤池内接种二沉池活性污泥，2 1天挂膜成功，总氮去除率仅为70.34%。另,孙迎雪等 10 1 关于反硝化生物滤池的相关研究，总氮去除率也仅达到7 6%8 0%。条件和结构的优化会使得反硝化细菌繁殖加快，促进反硝化进程。因此,采用本研究接种反硝化菌的挂膜方式可显著提高总氮去除效率。2.2盐浓度对系统的影响2.2.1盐浓度对出水总氮的影响运行期间出水总氮浓度变化如图2 a所示。进入反硝化滤池的TN浓度维持在10 0 mg/L左右。反应器运行初期,在未投加 NaCl 的情况下,随着反应时间的延长,出水TN整体逐渐降低。由于系统搭建初期,反硝化微生物处于驯化阶段，TN去除效率并不高,随着微生物对环境适应能力的增强,TN去除率有较明显的提高。有研究表明，微生物环境由低盐到高盐，微生物有一个适应期,期间,由于盐浓度的变化可能引起微生物代谢途径的改变，菌种选择的结果使适应高盐的菌种较少,只有当微生物经培训驯化后,才能产生适应高盐的菌种,以耐受一定的盐浓度。因此盐浓度逐步提升。当盐浓度从10 0 0 mg/L至15 0 0 0 mg/L的各个阶段，总氮浓度都可低于15 mg/L，总氮浓度最低可以降到0.9 mg/L左右。每当不同程度的提高盐浓度时，出水总氮都会在小范围内升高，由于停留时间较长,这种升高现象会有一定的滞后。由于添加不同浓度的NaCl初期,环境的改变对反硝化微生物的生长造成一定的冲击,部分微生物的生长产生抑制作用,因此TN浓度会有所升高,但是一段时间后，随着每个盐度下的驯化，微生物系统抗盐度冲击的能力逐渐增强,适应高盐环境的微生物群落生殖繁衍,其呼吸、合成等新陈代谢作用可以正常进行，对污染物的降解能力恢复正常,因此TN浓度也下降。此外,进一步对 TN 去除率和 NaCl 添加浓度进行二次相关性分析,结果如图2 b 所示。TN去除率和 NaCl 添加浓度具有较高的二次相关性(Y=73.723 9+1.760 9x-0.010 0 x;R=0.942 7),证实 NaCl 的添加有利于 TN 的提升。但该分析也显示出随着NaCI浓度持续提高会导致TN去除性能的恶化。综上,当盐浓度为15 0 0 0 mg/L时,出水总氮的去除率可达到9 9.1%。表明耐盐反硝化菌驯化成功，成为优势种，系统具有优异的反硝化性能。反硝化滤池在处理含硝态氮树脂脱附液中的研究40105100(7/6w)/NI9590887570650图2 盐浓度对反硝化滤池出水TN浓度的影响（a）及二次相关性分析(b)2.2.2盐浓度对出水COD的影响由于含硝态氮的树脂脱附液中基本不含COD,故外加乙醇为反硝化微生物提供电子供体。进水COD维持在5 0 0 mg/L左右，使得进水 C：N比约为5：1。图3为反应器投加碳源后出水COD变化情况。当未加NaCl时,随着反应时间的延长，反硝化微生物的增长,COD逐渐降低,最低可降到50mg/L以下。当加人NaCl后，COD会在小范围内升高，当随着反应时间的延长,COD逐渐降低。盐浓度从1 0 0 0 mg/L至15 0 0 0 mg/L时,COD最高不超过2 0 0 mg/L。从整体看,COD的变化趋势与 TN变化趋势类似。当盐浓度为15 0 0 0 mg/L时,COD浓度最低为45.2 1mg/L，去除率为90.96%,优于孙迎雪等 10 所报道的8 0%的COD去除率。0g/L600COD浓度OCOD去除率500400300200100O0-。图3盐浓度对反硝化滤池出水COD浓度的影响第36 卷第5 期0.g/L1gL2g/L4g/L6g/L120TN浓度TN去除率100O(a)(7/6w)/NIB0604020O08g/L10g/L13g/L2060时间d(b)21g/L2g/L4g/L6g/L8g/L10g/L13g/LQO204015g/L80100Y=73.7239+1.7609x-0.0100 xR*=0.942746盐浓度/(mg/L)6080时间/d12010060堡200120工8101215gL100141008060402001201202023 年10 月2.3碳氮比对出水TN和COD的影响当进水C：N比约为5：1时,出水COD浓度较高,因此从出水COD浓度和经济性两方面考虑，将进水C：N调整约为3：1,即进水COD降低为300mg/L左右。如图4为15 0 0 0 mg/LNaCl,不同碳氮比条件下出水COD和TN浓度变化情况。当碳氮比为3：1时,经过16 天的时间,出水COD浓度可降低至10.45 mg/L，C O D 去除率达到97.91%,此时出水 TN为2.2 0 mg/L。与碳氮比为5：1比较,在不影响TN去除效率的情况下,COD去除率可提高7.10%，并且在碳源方面可降低40%的成本。在碳氮比为3：1时反硝化菌可有效的利用碳源进行脱氮反应，但是当提高碳氮比时，有一部分碳源未能被反硝化菌利用,从而导致出水COD较高,但该条件下,不影响反硝化菌的脱氮能力。相反,在王林等 的研究中,使用反硝化生物滤池处理实际废水,也探究了C/N比的变化,结果显示 C/N比为3、4和5 时,中试系统对TN的平均去除率分别为41.5%、6 7.3%和6 8.0%，表明碳源、微环境、温度、地区等因素会导致最适宜的碳氮比值发生变化。因此，在实际应用中需根据实际情况来确定最佳碳氮比。对于本反硝化滤池而言，碳氮比为3：1的情况优于碳氮比为5：1。C:N 5:1C:N 3:1100TN浓度O.TN去除率80000888888080888808080604020090400COD浓度COD去除率OO200000%10090图4C/N比对反硝化滤池出水TN和COD浓度的影响3结论对比不同盐浓度和不同碳氮比对反硝化生物滤池处理硝态氮脱附液的效果可以得出以下结论：1）通过稀释脱附液进入接种有反硝化细菌的反硝化滤池在处理含硝态氮树脂脱附液中的研究2002)的一级A标准。【1万松,李永峰,殷天名.废水厌氧生物处理工程M.哈尔滨：哈尔滨工业大学2 0 13.2 DrikasM,M Dixon,J Morran.Long term case study of MIEXpre-treatment in drinking water;understanding NOM removalJ.Water Research,2011,45(4):1539-1548.3 Salehi F,Razavi S,Elahi M.Purifying anion exchange resin(a)120880f100604020100110000:00000O0000604020+0100110时间/d45反硝化生物滤池，能够得到较好的脱氮效果，出水总氮浓度在5 mg/L以下,总氮去除效率可高至95%以上；2）采用乙醇作为碳源，反硝化菌作为接种微生物，可有效提高总氮去除率；3）梯度提高进水盐浓度（10 0 0 mg/L至15000mg/L）,可以引发微生物代谢途径的改变，使得耐盐反硝化菌成为优势种,TN去除率进一步提高5%10%,达到9 9.10%;4）当进水盐浓度为15 0 0 0 mg/L、碳氮比为3：1时,与碳氮比为5：1比较,在不影响TN去除效率的情况下,COD去除率可提高7.10%,并且在碳源方面可降低40%的成本。系统出水COD和TN浓度分别为10.45 mg/L和2.2 0 mg/L,对其去除率分别为9 7.9 1%和9 7.8 0%，出水情况远低于城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918一参考文献regeneration effluent using polyamide nanofiltration membraneJ.Desalination,2011,278(1):31-35.4徐子潇，双陈冬，姜笔存，等，阴离子交换树脂脱附液混凝处理及回用的研究 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