一种废水去除总氮工艺的改进和应用_张腾.pdf

皮革技术-22-一种废水去除总氮工艺的改进和应用张 腾，韩 峰，杜 帅，关丽坤（石药集团新诺威制药股份有限公司，河北 石家庄 051430）摘要：降低总氮含量是环保专业咖啡因废水处理过程中的一个重要环节，本文提出了一种通过控制废水处理工艺关键点来有效降低咖啡因废水中总氮含量的方法，针对咖啡因废水中大分子长链和杂环类含氮量高的有机物进行分解和去除，最终达到降低总氮的目标。本方法可使废水中的氨氮去除率达到98.6%、总氮去除率达到91.6%，有效降低了咖啡因废水中的总氮含量，提高了环保效益。关键词：废水；总氮中图分类号：TS5 文献标志码：A DOI：10.20025/ki.CN10-1679.2022-24-07Improvement and Application of a Total Nitrogen Removal Process for Wastewater Zhang Teng,Han Feng,Du Shuai,Guan Likun(Shiyao Group Xinnover Pharmaceutical Co.,Ltd.,Shijiazhuang 051430,China)Abstract:The reduction of total nitrogen content is an important link of environmental protection professional caffeine wastewater treatment process,this paper disclosed a method to effectively reduce the total nitrogen content of caffeine wastewater treatment point,for the caffeine wastewater macromolecular long chain and organic matter with high nitrogen content,and fi nally achieve the goal of reducing the total nitrogen.This method can make the ammonia nitrogen removal rate of wastewater reach 98.6%and the total nitrogen removal rate reach 91.6%,effectively reducing the total nitrogen content of caffeine wastewater and improve the environmental benefi t.Key words:waste water;total nitrogen1我国水资源现状水是地球上一切生命赖以生存、人类生产和生活不可缺少的基本物质之一。水是生命之源、生产之要、生态之素、生活之基，人类社会的发展一刻也离不开水1。生命就是从水中发源的，同时需要依赖水才能维持生存。20世纪以来，由于工农业的快速发展和城市人口的急剧增加，使水资源短缺成为世界各地的一个主要问题，尤其是大城市缺水现况越来越严重，必须引起政府部门的关注。通常人们所关注的水资源是指可以很容易供人们利用的水量，或者说是在某一地区范围内可以逐年得到更新和循环的水资源的量。一般不含海水和两极冰川深层的地下水等。我国江河众多，流域面积在1 000平方千米以上的河流约5 800多条，但是分布很不均匀，总体分布为东部气候湿润、多雨，而西北部为内陆气候，干燥、少雨，存在大面积的无流区2。根据水利部门统计，全国多年水资源总量为28 412108 m3。水源分布的总趋势为南方多北方少，而且数量相差悬殊。此外，我国水资源的地域分布与人口、土地资源、矿藏资源的配置很不相适应。2含氮废水简介2.1来源氮是蛋白质的重要组成成分,动、植物生长都需要吸收含氮的养料。空气中虽然含有大量的氮气,但多数生物不能直接吸收氮气,只能吸收含氮的化合物。因此,需要把空气中的氮气转化成含氮化合物,才能作为动植物的养料。这种将游离态氮转变为化合态氮的方法,被称为氮的固定。在自然界,大豆、蚕豆等豆科植物的根部都有根瘤菌,能把空气中的氮气转化成含氮化合物,所以,种植这些植物时不需施用或只需施用少量氮肥。另外,在放电条件下氮气与氧气化合以及工业上合成氨等也属于氮的固定3。在自然界，通过氨的固定，使大气中游离态的氨转化为化合态的氨并进入土壤，使植物从士壤中吸收含氨化合物生成蛋白质，动物则通过食用植物得到蛋白质；动物的尸体残骸、动物的排泄物以及植物的腐败物等在土壤中被细菌分解，转化为含氨化合物，其中一部分被植物吸收；而土壤中的硝酸盐也会被细菌分解转化为氮气，这些氮气可以再排放到大气中，此过程保证了氮在自然界中的循环，其循环过程详见图1。图1自然界中的氮循环自然界中正常的氮循环不会产生高浓度的含氮废水，高浓度含氮有机废水主要来源于人工固氮过程。第一作者简介：张腾（1992-），男，本科，研究方向：医药工程.皮革技术-23-2.2特点随着我国城镇化和工业化进程的不断深入，产生了大量的生活污水和工业废水，水环境状况已经严重影响了国民经济和社会的可持续发展。根据2015年中国环境状况公告显示，2015年全国废水中氨氮的排放总量为229.9万吨，其中有相当一部分是来自于焦化、煤化工、化肥、制革、制药、屠宰、味精制造、垃圾填埋、畜禽养殖等行业产生的高浓度含氮有机废水，该部分废水的氮含量高，处理难度大，是当前水处理领域广泛研究的热点和难点4。2.3危害大量含氮废水的排放，不仅使饮用水资源地遭到不同程度的污染，威胁人畜的饮水安全，而且也会加剧水体的富营养化，破坏水生生态，危害水生生物生长繁殖，同时废水还会降低水体的溶解氧，进而影响人类健康。因此研发高效含氮废水脱氮技术已经成为国内外水环境治理的重要课题之一。3实验介绍此实验主要是探索咖啡因生产过程中含氮废水的处理工艺。咖啡因生产废水中的氮含量不但高而且形式丰富，主要有氨态氮、有机氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮等，所以需要经过氨氧化、硝化和反硝化三个阶段才能将废水中的总氮去除。首先咖啡因废水中的有机氮化合物在菌的作用下，能够分解、转化为氨态氮，这一过程称为氨氧化反应；然后再转化为氨氮，氨氮转化的过程称为硝化反应。硝化反应是在好氧状态下，因氨氮转化为硝酸盐氮需要失去电子，使氮元素化合价升高。而氧原子得到电子后其化合价会降低，从而完成氨氮转化为硝酸盐氮的过程。硝化反应是由一群自养型好氧微生物完成的，分两个阶段进行。第一阶段是由亚硝化菌将氨态氮转化为亚硝酸氮，然后在硝酸菌的作用下将亚硝酸氮进一步转化为硝酸盐氮，称为硝化反应。在硝化反应过程中，会释放出H+，使混合液中H+的浓度增加，导致其pH值降低。由于硝化菌对pH值的变化十分敏感，为了保持适宜的pH值，应当保持废水的足够碱度，所以在反应过程中要调节pH值，起到缓冲作用。最后进行反硝化反应时，硝酸氮（NO3-N）和亚硝酸氮（NO2-N）在反硝化菌的作用下，被还原成气态氮（N2）,并从水中逸出，最终从系统中去除，所以氮的最终去除是通过反硝化过程完成的。反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌，种类很多，其利用硝酸盐和亚硝酸盐被还原过程产生的能量作为能量来源，但这些反硝化菌是兼性菌，在有分子态溶解氧存在时，反硝化菌将会分解有机物获得能量而不会还原硝酸盐或亚硝酸盐。因此，反硝化过程要在缺氧状态下进行，反硝化过程分两步进行：第一步是由硝酸盐转化为亚硝酸盐，第二步是由亚硝酸盐转化为一氧化氮、氧化二氮和氮气5。氮在废水处理中的转化过程见图2。传统生物脱氮技术是含氮废水生物处理采用的最广泛的技术之一，包括好氧硝化和缺氧反硝化两个过程。通过对A/O脱氮系统的各项工艺指标进行反复探索和优化，由原来的仅在大范围控制好氧池pH值到不但能控制缺氧池的pH值，还要更精确地控制好氧池的pH值和停留时间，因而实现了对咖啡因废水总氮治理工艺的改进和治理水平的提高。同化作用水解和自身氧化反硝化有机碳O2O2有机氮（蛋白质尿素）氨氮有机氮（细菌细胞）有机氮（净增量）亚硝酸盐（NO-2）硝酸盐（NO-3）氮气（N2）细菌降解和水解图2废水处理中氮的转化过程4实验的基本原理和步骤（1）调配适合的废水浓度；（2）将废水泵入到预曝气处理系统，进行生化一级处理，并控制池水溶氧，在降低废水中COD含量的同时进行氨化；（3）将步骤（2）中的出水引入到第二级生化处理系统（A/O脱氮系统）中进行降氨氮去总氮处理，通过控制硝化段及反硝化段的pH值，控制水力停留时间，可有效降低废水中的氮含量。本方法可使废水中的氨氮去除率达到98.5%以上、总氮去除率达到91%以上,从而有效降低了咖啡因废水中的总氮含量。5实验过程中的安全事项（1）氢氧化钠溶液为无色透明液体。工业品多含杂质，主要为氯化钠及碳酸钠等，有时还有少量氧化铁。当这些物质溶解成浓液碱后，大部分杂质会上浮在液面，可分离除去。氢氧化钠溶液有极强的腐蚀性，一旦皮肤触及，应立即用清水冲洗，溅入眼内时应立即用清水或生理盐水冲洗15分钟，严重时还要送到医院治疗。（2）盐酸的性状为无色透明的液体，有强烈的刺鼻气味，具有较高的腐蚀性。人的皮肤接触后，应立即脱去污染的衣着，用大量流动清水冲洗至少15分钟，也可涂抹弱碱性物质（如碱水、肥皂水等），就医。如果眼睛接触，应立即提起眼睑，用大量流动清水或生理盐水彻底冲洗至少15分钟，就医。如果人体吸入盐酸溶液，应迅速离开现场至空气新鲜处，并保持呼吸道通畅。如果呼吸困难，需要输氧。如呼吸停止，应立即进行人工呼吸，就医。如果人体食入盐酸溶液，要用大量水漱口，或吞服大量生鸡蛋清或牛奶（禁止服用小苏打等药品），严重时要就医。表1去除总氮实验数据表/模拟A/O系统进水量（L/h）硝化段pH控制范围反硝化段pH值控制范围水力停留时间（h）氨氮去除率（%）总氮去除率（%）实验一0.387.5-8.57.5-8.592.191.185.4实验二0.388.0-8.57.0-7.592.193.588.1实验三0.488.0-8.57.0-7.572.992.386.5实验四0.488.0-8.56.8-7.572.993.789.0实验五0.588.0-8.56.8-7.560.393.388.6实验六0.588.0-8.56.5-7.560.398.691.6实验七0.688.0-8.56.5-7.551.594.189.2实验八0.688.0-8.56.5-7.251.592.386.7（下转第38页）环境保护-38-理能力显著提升，其他石化工业区可借鉴其监测点布设经验，对空气污染监测点布设方案进行优化，提升石化工业区的空气污染监测能力。4.3完善监控技术监控技术是监控点运行的依据，为优化监控点选取方案，使监控点在石化工业区充分发挥其应有作用，工作人员需完善监控技术，不断创新用于石化工业区空气污染监控的技术手段。第一，关注石化工业区环境空气污染监控技术领域最新研究成果，学习先进的监控技术，并将监控点与互联网相连接，利用信息技术的数据处理优势，快速得出石化工业区内空气质量变化曲线，深入 发掘监控点采集信息的价值；第二，将气相色谱法用于石化工业区空气污染监测，对空气中有机污染物含量进行监控，扩展空气污染监控点的监控范围，为空气污染治理人员提供更多可靠数据5。4.4重视特殊区域监控重视特殊区域的监控是优化石化工业区空气污染监控点布设方案的有效措施。监控点布设人员应识别石化工业区的特殊区域，从区域环境与区域主导产业两方面分析该区域的特殊性，根据监控区域特点调整该区域的空气污染监控点布设方案。例如，在石化工业区中近似密闭环境中布设监控点时，需充分考虑该区域的特殊性，采用区域全覆盖方式完成空气污染监控点的预设，保证监控点采集的数据可真实反映该区域的空气状况，符合特殊区域的空气污染监控需要。与此同时，监控点布设人员要尤其重视特殊区域空气污染物数据研究，了解特殊区域的空气污染特点，便于工作人员制定更为合理的监控点布设方案，不断调整特殊区域监控点预设结果，提高采集数据的质量，为空气污染治理工作高效开展提供数据支持。4.5构建空气污染监测系统信息技术发展迅速，将信息技术用于石化工业区空气污染监控点布设方案优化效果显著，布设方案的合理性提高，采集的数据具有较强的准确性，实现了远程监控空气污染情况的目标。完善的空气污染监控系统应包含环境监测、多端查询、趋势展现等多种功能，满足石化工业区的空气污染监控需要，帮助工作人员得出更加科学的监控点布设方案。与此同时，该监测系统能够储存历史监控信息，深入发掘监控点采集数据信息的潜在价值，为工作人员优化监控点布设方案提供更多参考意见。将该系统用于空气污染监控点布设优化过程中，工作人员可使用免电源的方式完成监控点布设，将采集的空气信息以无线传输的形式传递至工作人员处，支持工作人员使用多种设备查看信息，并且具有报警功能，监测到信息异常时及时告知工作人员，充分发挥空气污染监控点在石化工业区中的作用。5结语综上所述，合理选取环境空气污染监控点是解决石化工业区空气污染问题的基础，有助于改善石化工业区的环境质量，规避石化行业发展对环境造成的影响。工作人员需关注领域最新研究成果，结合石化工业区污染现状，提升自身工作能力，不断优化环境空气污染监控点的选取标准，制定更符合污染治理需要的布设方案，为环境保护贡献力量。参考文献：1马元斌.大气环境污染监测及环境保护举措研究J.清洗世界，2022，38（3）：104-106.2崔军.大气环境污染监测技术及治理方案J.皮革制作与环保科技，2022，3（4）：50-52.3梁社楼.面向数据挖掘技术下环境污染监控系统的实现J.皮革制作与环保科技，2021，2（19）：42-43.4周睿.基于大数据技术的生态环境污染在线监控数据质量模型研究J.环境科学与管理，2021，46（9）：111-114.5金淑聪.因子分析法在环境污染检测与评价中的应用研究J.低碳世界，2021，11（5）：44-45.（上接第23页）6实验步骤6.1实验所需仪器本实验所需仪器包括塑料桶（45 L）4个、电加热棒2个、搅拌仪1个、温度计2个、曝气头2个、1 000 mL的量筒2个、100 mL的量筒2个、烧杯（2 000 mL、1 000 mL、500 mL各2个）、电子流量计、玻璃棒、移液管、洗耳球、电子pH计等。6.2实验材料本实验所需的原材料有咖啡因生产废水、液碱、盐酸、污泥等。6.3实验过程（1）用烧杯取A/O系统泥水混合物35 L分别置于两个塑料桶内，其中一个塑料桶内放置搅拌仪，另一个塑料桶内放置曝气头；将生化一级处理后的咖啡因生产废水加入模拟的A/O系统内。生化一级处理后的废水加入模拟A/O系统的量分别为0.38 L/h、0.48 L/h、0.58 L/h、0.68 L/h6。（2）控制模拟A/O系统的pH值：通过控制硝化段和反硝化段的pH值来控制总氮的去除率，详细数据见实验数据表1。（3）通过控制进入模拟A/O系统的进水量控制水力停留时间。（4）检测实验出水数据，根据出水数据和过程工艺控制进行分析总结。（5）通过分析找出最高的总氮去除率。从实验表1数据来看，模拟A/O系统为进水量0.58 L/h，控制硝化段pH在8.08.5、控制反硝化段pH在6.57.5、控制水力停留时间60.3 h，废水中的氨氮去除率最高可达到98.6%、总氮去除率最高可达到91.6%。7结语因总氮含量高的废水中氮的构成复杂，同时废水总氮的去除步骤较COD的去除步骤复杂、工艺控制点位较多，因而造成废水脱氮课题成为环保业界的难题。此次改进通过对A/O脱氮系统各项工艺指标进行反复探索和优化，进一步精确控制废水脱氮工艺的中间参数，使废水中氨氮去除率达到98.6%、总氮去除率达到91.6%，随着技术的进步废水总氮的去除率能够达到更高。参考文献1唐受印，戴友芝.水处理工程师手册M.北京：化学工业出版社，2001.2买文宁.生物化工废水处理技术及工程实例M.北京：化学工业出版社，2002.3王绍文，罗志腾，钱雷.高浓度有机废水处理技术与工程应用M.北京：冶金工业出版社，2003.4周正立，张悦.污水生物处理应用技术及工程实例M.北京：化学工业出版社，2006.5张可方，李淑更.小城镇污水处理技术M.北京：中国建筑工业出版社，2008.6王郁，林逢凯.水污染控制工程M.北京：化学工业出版社，2008.