大孔树脂对污水处理厂尾水提标及再生液的高效脱氮处理中试研究.pdf

第一作者:陶炳池,女,1 9 9 6年生,硕士,工程师,研究方向为水污染控制。#通讯作者。*浙江省重点研发计划项目(N o.2 0 2 1 C 0 3 0 2 1);浙江省生态环境科研与成果推广项目(N o.2 0 2 2 HT 0 0 8)。大孔树脂对污水处理厂尾水提标及再生液的高效脱氮处理中试研究*陶炳池1 黄慧敏2 王宇芳3 梅荣武4#胡正峰4(1.浙江省环境工程有限公司,浙江 杭州3 1 0 0 1 2;2.浙江省环科环境认证中心有限公司,浙江 杭州3 1 0 0 0 7;3.杭州华澳环境技术有限公司,浙江 杭州3 1 0 0 1 2;4.浙江省生态环境科学设计研究院,浙江 杭州3 1 0 0 0 7)摘要 为实现污水处理厂尾水提标至 地表水环境质量标准(G B3 8 3 82 0 0 2)的类水质标准,针对已经达到 城镇污水处理厂污染物排放标准(G B1 8 9 1 82 0 0 2)一级A标准的杭州市某城镇污水处理厂尾水,采用大孔树脂吸附后出水化学需氧量(C O D)、总磷(T P)、氨氮、硝态氮、总氮(T N)平均质量浓度分别为5.8 9、0.1 0、0.1 2、0.7 4、0.9 8m g/L,达到G B3 8 3 82 0 0 2的类水质标准,相应的去除率分别为4 2.9 8%、4 4.4 4%、5 3.8 5%、9 1.7 9%、9 0.7 8%,对T N特别是硝态氮的去除效果非常明显。同时,针对含高浓度硝态氮的树脂再生液采用两级缺氧好氧工艺处理,使得出水T N平均质量浓度为3 0.0 0m g/L,C O D为1 9 1.0 0m g/L,可以返回至污水处理厂生化系统。中试的吨水成本为1.3 4元,包括电耗成本1.1 0元,药剂费0.2 4元。关键词 大孔树脂 脱氮 再生液处理 尾水提标 D O I:1 0.1 5 9 8 5/j.c n k i.1 0 0 1-3 8 6 5.2 0 2 3.0 8.0 0 5P i l o t-s c a l e r e s e a r c ho n m a c r o p o r o u sr e s i nt or a i s es t a n d a r do ft a i lw a t e rf r o ms e w a g et r e a t m e n tp l a n ta n de f f i c i e n tn i t r o g e nr e m o v a l o f r e g e n e r a t e dr e s i nd e s o r p t i o ns o l u t i o n T A OB i n g c h i1,HU ANG H u i m i n2,WANGY u f a n g3,ME IR o n g w u4,HU Z h e n g f e n g4.(1.Z h e j i a n g P r o v i n c e E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g C o.,L t d.,H a n g z h o u Z h e j i a n g3 1 0 0 1 2;2.Z h e j i a n gH u a n k eE n v i r o n m e n t a lC e r t i f i c a t i o nC e n t e rC o.,L t d.,H a n g z h o uZ h e j i a n g3 1 0 0 0 7;3.H a n g z h o uH u aa oE n v i r o n m e n t a lT e c h n o l o g yC o.,L t d.,H a n g z h o uZ h e j i a n g3 1 0 0 1 2;4.E c o-E n v i r o n m e n tS c i e n c eR e s e a r c ha n dD e s i g nI n s t i t u t eo fZ h e j i a n g,H a n g z h o uZ h e j i a n g3 1 0 0 0 7)A b s t r a c t:I no r d e rt oa c h i e v et h ei m p r o v e m e n to ft a i lw a t e rf r o ms e w a g et r e a t m e n tp l a n tt oC l a s s w a t e rq u a l i t ys t a n d a r do f“E n v i r o n m e n t a l q u a l i t ys t a n d a r d s f o r s u r f a c ew a t e r”(G B3 8 3 8-2 0 0 2),m a c r o p o r o u s r e s i nw a su s e dt oa d s o r bt h e t a i lw a t e ro f as e w a g e t r e a t m e n tp l a n t i nH a n g z h o u,w h i c hh a da l r e a d yr e a c h e dt h eP r i m a r yAs t a n d a r do f“D i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t s f o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t”(G B1 8 9 1 8-2 0 0 2).T h ea v e r a g em a s sc o n c e n t r a t i o n so fC O D,T P,a mm o n i an i t r o g e n,n i t r a t en i t r o g e na n dT Ni nt h eo u t l e t a f t e r a d s o r p t i o nw e r e5.8 9,0.1 0,0.1 2,0.7 4a n d0.9 8 m g/L,r e s p e c t i v e l y,m e e t i n g C l a s s w a t e rq u a l i t ys t a n d a r do f G B 3 8 3 8-2 0 0 2.A n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e m o v a l r a t e sw e r e4 2.9 8%,4 4.4 4%,5 3.8 5%,9 1.7 9%a n d9 0.7 8%,r e s p e c t i v e l y.T h e r e m o v a l e f f e c t o fTN,e s p e c i a l l yn i t r a t en i t r o g e n,w a s e x t r e m e l yo u t s t a n d i n g.A t t h e s a m e t i m e,t w o-s t a g eAOp r o c e s sw a su s e dt o t r e a tr e g e n e r a t e dr e s i nd e s o r p t i o ns o l u t i o n,w h i c hc o n t a i n e dh i g hc o n c e n t r a t i o no fn i t r a t en i t r o g e n.T h ea v e r a g e m a s sc o n c e n t r a t i o n so fT Na n dC O Di no u t l e tw e r e3 0.0 0a n d1 9 1.0 0m g/L,r e s p e c t i v e l y,w h i c hc o u l db er e t u r n e dt ot h eb i o c h e m i c a l s y s t e mo f t h e s e w a g e t r e a t m e n t p l a n t.T h e c o s tw a s 1.3 4y u a n f o r p e r t o no fw a t e r a t p i l o t-s c a l e,i n c l u d i n g1.1 0y u a nf o rp o w e rc o n s u m p t i o na n d0.2 4y u a nf o r c h e m i c a l c o n s u m p t i o n.K e y w o r d s:m a c r o p o r o u sr e s i n;d e n i t r i f i c a t i o n;r e g e n e r a t e ds o l u t i o nt r e a t m e n t;r a i s es t a n d a r do f t a i lw a t e r 为加强对水资源保护,各地纷纷出台各类水质排放标准和水质整治计划。2 0 1 8年底,浙江省出台了地方标准 城镇污水处理厂主要水污染物排放标准(D B 3 3/2 1 6 92 0 1 8),相较于 城镇污水处理厂污染物排放标准(G B1 8 9 1 82 0 0 2)一级A标准,化学需氧量(C O D)、氨氮、总氮(T N)、总磷(T P)4项水污染物的控制标准都有加严,其中C O D、氨氮和T P更是要求达到 地表水环境质量标准(G B3 8 3 82 0 0 2)的类水质标准。因此,污水处理厂尾水急需提标改造。氮是造成水体富营养化的重要元素1,然而目前深度脱氮仍是一个难题。城镇污水处理厂尾水中T N大部分以硝态氮的形式存在,可以利用大孔树脂中的活性基团与硝酸根离子发生交换进行深度脱氮。但是树脂的再生液6701 环境污染与防治 第4 5卷 第8期 2 0 2 3年8月仍是含高浓度T N的废水2-3,其处置也是一个难点4,从而限制了大孔树脂在污水处理厂尾水提标中的应用。本研究以有效削减污水处理厂T N并保证出水各项水质指标稳定达标为目标,采用大孔树脂对污水处理厂尾水进行处理,同时对含高浓度T N的树脂再生液采用两级缺氧好氧(AO)工艺进行中试实验,研究并论证该系统在尾水提标和树脂再生液高效脱氮应用中的可行性。1 实验内容1.1 实验用城镇污水处理厂尾水水质 以杭州市某城镇污水处理厂尾水即活性砂滤池出水作为本次中试实验的进水,主要水质指标如表1所示。污水处理厂尾水执行G B1 8 9 1 82 0 0 2一级A标准,实际上部分指标基本已达到G B3 8 3 82 0 0 2的类水质标准。1.2 实验装置 采用大孔树脂对尾水中的硝态氮进行深度脱氮,同时大孔树脂对C O D和T P也有一定的吸附效果,以确保出水水质达到D B 3 3/2 1 6 92 0 1 8要求,并使T N也达G B3 8 3 82 0 0 2的类水质标准。图1为大孔树脂对污水处理厂尾水提标的一体化中试装置,先用树脂吸附柱吸附后再用两级AO工艺高效脱除含高浓度硝态氮的树脂再生液。该中试装置的处理水量为1 0 0L/h。树脂吸附柱直径为1 0.5c m,高度为8 4c m,柱内填有交换容量不小于9 0 0m o l/m3的D 8 9 0离子交换树脂,水力停留时间为5m i n。大孔树脂每连续运行4 0h再生置换2h,用2 5L质量分数为6.0%的N a C l溶液进行反洗置换,接着用3 5L清水反洗,收集得到含高浓度硝态氮的树脂再生液。两级AO工艺设计处理水量为3 6L/d,其中一级缺氧池和好氧池的水力停留时间为2 4h,二级缺氧池和好氧池的水力停留时间为1 2h。有研究表明,投加高效反硝化或硝化菌群可提高脱氮效率5-8,因此本研究还向两级AO工艺中投加了具有高效脱氮性能的菌群,以实现对目标污染物的高效降解9。本项目通过向高效反硝化系统内加入实验室自主开发的反硝化菌剂,补充反硝化菌促生剂,优化反硝化菌群,提高反硝化效率。树脂再生液中以硝态氮为主的T N在一级缺氧池中反硝化去除,然后进入到一级好氧池中实现对氨氮的硝化和可生化C O D的降解,再进入到二级缺氧池和好氧池进一步去除。二沉池的污泥回流至一级缺氧池,二沉池出水经简单混凝沉淀后回流至污水处理厂生化系统。1.3 分析检测 采用钼酸铵分光光度法测定T P,纳氏试剂比色法测定氨氮,碱性过硫酸钾消解/紫外分光光度法测定T N,紫外分光光度法测定硝态氮。树脂吸附柱出水C O D用高锰酸盐法测定(参考高锰酸盐指数限值标准),两级A O工艺出水C O D用重铬酸钾法测定。2 结果与讨论2.1 树脂吸附柱对污水处理厂尾水的提标效果 图2给出了树脂吸附柱对污水处理厂尾水的硝态氮和T N去除效果。可以发现,大孔树脂对T N和硝态氮的去除效果很稳定,T N平均质量浓度从表1 某城镇污水处理厂尾水水质指标T a b l e1 W a t e rq u a l i t y i n d i c a t o r so f t a i lw a t e r f r o ma nu r b a ns e w a g e t r e a t m e n tp l a n t项目C O D/(m g/L)T P/(m g/L)氨氮/(m g/L)T N/(m g/L)硝态氮/(m g/L)数值3 0.0 20.5 01.0 11 4.0 01 2.0 0图1 一体化中试装置F i g.1 I n t e g r a t e dp i l o td e v i c e7701陶炳池等 大孔树脂对污水处理厂尾水提标及再生液的高效脱氮处理中试研究图2 树脂吸附柱进出水的T N和硝态氮F i g.2 T Na n dn i t r a t en i t r o g e n i n i n l e t a n do u t l e to fr e s i na d s o r p t i o nc o l u m n进水的1 0.6 3m g/L降为出水的0.9 8m g/L,硝态氮平均 质 量 浓 度 从 进 水 的9.0 1 m g/L降 为0.7 4m g/L,平均去除率都在9 0%左右,T N出水浓度几乎都达到了G B3 8 3 82 0 0 2的类水质标准(1.5m g/L)。污水处理厂尾水T P基本可以达到G B3 8 3 82 0 0 2的类水质标准,但存在不稳定的情况,图3给出了树脂吸附柱对污水处理厂尾水的T P去除效果。可以发现,由于进水T P浓度就很低,因此大孔树脂不能显示出对T P的较好去除效果,甚至出现了出水T P浓度高于进水的情况,不过平均质量浓度还是从进水的0.1 8 m g/L降为了出 水的0.1 0m g/L,使得出水可稳定达到G B3 8 3 82 0 0 2的类水质标准(0.3m g/L)。图3 树脂吸附柱进出水的T PF i g.3 T Pi n i n l e t a n do u t l e to f r e s i na d s o r p t i o nc o l u m n 从图4可知,大孔树脂对氨氮的去除率也不高,平均质量浓度从进水的0.2 6m g/L降为出水的0.1 2m g/L,主要原因是本研究所采用D 8 9 0离子交换树脂为大孔阴离子树脂。但由于污水处理厂本身的生化系统完善,尾水的氨氮质量浓度就已远低于G B3 8 3 82 0 0 2的类水质标准(1.5m g/L)。由图5可见,前期进水C O D较不稳定,大孔树脂 对 高 浓 度C O D有 较 好 的 去 除 效 果,后 期 进 水图4 树脂吸附柱进出水的氨氮F i g.4 Amm o n i an i t r o g e n i n i n l e t a n do u t l e to f r e s i na d s o r p t i o nc o l u m n图5 树脂吸附柱进出水的C O DF i g.5 C O Di n i n l e t a n do u t l e to f r e s i na d s o r p t i o nc o l u m nC O D浓度较低,大孔树脂对低浓度C O D去除效果就不再 那 么 明 显,C O D平 均 质 量 浓 度 从 进 水 的1 0.3 3m g/L降为出水的5.8 9m g/L,出水稳定达到G B3 8 3 82 0 0 2的类水质标准(1 0m g/L)。树脂吸附柱出水的C O D、T P、氨氮、硝态氮、T N平均质量浓度分别为5.8 9、0.1 0、0.1 2、0.7 4、0.9 8m g/L,都达到G B3 8 3 82 0 0 2的类水质标准,去除率分别达到4 2.9 8%、4 4.4 4%、5 3.8 5%、9 1.7 9%、9 0.7 8%,对硝态氮和T N的去除效 果明显,且对C O D和T P也有一定的去除效果,提高了出水的稳定性,完成提标目标。2.2 两级AO工艺对树脂再生液的脱氮效果 树脂吸附饱和后经N a C l溶液反洗的树脂再生液水质如表2所示。可见,树脂再生液含盐量高,碳氮比低。3 0d的两级AO工艺对树脂再生液的脱氮效果基本稳定,T N脱除效果如图6所示,去除率在9 0%左 右,出 水T N平 均 质 量 浓 度 为3 0.0 0表2 树脂再生液水质T a b l e2 W a t e rq u a l i t yo f r e g e n e r a t e dr e s i ns o l u t i o n项目T N/(m g/L)C O D/(m g/L)硝态氮/(m g/L)N a C l1)/%数值3 0 0.0 04 0 02 5 0.0 11.5 注:1)以质量分数计。8701 环境污染与防治 第4 5卷 第8期 2 0 2 3年8月m g/L。同时,出水经简单混凝沉淀后C O D平均质量浓度为1 9 1.0 0m g/L,去除率在5 0%左右(见图7)。因此,高效脱氮后的树脂再生液可以回流至污水处理厂生化系统。图6 两级A O工艺进出水的T NF i g.6 T Ni n i n l e t a n do u t l e to f t w o-s t a g eAOp r o c e s s图7 两级A O工艺进出水的C O DF i g.7 C O Di n i n l e t a n do u t l e to f t w o-s t a g eAOp r o c e s s2.3 中试成本分析 根据中试实验的设计和运行实际,不考虑设备折旧费,中试成本主要是电耗和药剂费。(1)电 耗 中试实验连续运行的情况下各设备的耗电情况见表3。根据当前工业电费0.9 0元/(kWh)计算,中试的电耗成本为2.6 3元/d,每天处理水量按2.4 0t计算,则中试实验每天的吨水电耗为1.1 0元,若进行工程化应用,通常电耗成本还能比中试实验降低4 0%1 0。表3 设备耗电情况T a b l e3 L i s to f e q u i p m e n t sp o w e r c o n s u m p t i o n设备单机功率/k W使用数量运行时间/(h/d)用电量/(k Wh/d)进水泵0.0 6 012 0.01.2 0 0反洗泵0.0 6 010.50.0 3 0搅拌电机0.0 1 537.20.3 2 4蠕动泵0.0 3 037.20.6 4 8曝气装置0.1 0 017.20.7 2 0 (2)药剂费 反硝化需要额外投加碳源,每处理1t水需投加乙酸钠6 8g,水处理用工业乙酸钠价格为7 0 0元/t,则投加碳源的成本为0.0 5元/t。大孔树脂处理每4t水后需要2 5L质量分数6.0%的N a C l溶液再生,即一共需要投加1.5k gN a C l。工业用N a C l价格为5 0 0元/t,则再生所需的N a C l成本为0.1 9元/t。综上,中试成本约为1.3 4元/t。3 结 论 (1)用大孔树脂对污水处理厂尾水进行提标处理,出水C O D、T P、氨氮、硝态氮、T N平均质量浓度分别为5.8 9、0.1 0、0.1 2、0.7 4、0.9 8m g/L,去除率分别 达 到4 2.9 8%、4 4.4 4%、5 3.8 5%、9 1.7 9%、9 0.7 8%,提标至G B3 8 3 82 0 0 2的类水质标准。(2)树脂再生液经两级AO工艺处理后出水的T N平均质量浓度为3 0.0 0m g/L,C O D为1 9 1.0 0m g/L,高效 脱 氮 后 可 以 回 流 至 污 水 处 理 厂 生 化系统。(3)中试的吨水成本为1.3 4元,包括电耗成本1.1 0元,药剂费0.2 4元。参考文献:1 金可.移动床生物膜多级A/O反应器脱氮试验研究D.重庆:重庆大学,2 0 1 3.2 方振敏.城市污水深度处理中深床反硝化滤池的应用探讨J.环境与发展,2 0 2 0,3 2(4):1 0 4-1 0 6.3 毛绍春,姚文华,方华,等.高浓度有机废水处理技术的研究进展J.云南化工,2 0 0 4,3 1(3):2 7-3 0,3 5.4 王国生.高浓度有机废水生物处理技术J.污染防 治技术,1 9 9 8,1 1(2):1 2 5-1 2 6.5 D A R B IA,V I R A R A GHAVAN T,B UT L E R R,e ta l.P i l o t-s c a l ee v a l u a t i o no f s e l e c tn i t r a t e r e m o v a l t e c h n o l o g i e sJ.J o u r-n a lo f E n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n d H e a l t h,P a r t A,T o x i c/H a z a r d o u sS u b s t a n c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g,2 0 0 3,3 8(9):1 7 0 3-1 7 1 5.6 YANJ,Z HAOQ,J I N W,e t a l.B i o a u g m e n t a t i o no f ab i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nd i t c hw i t hi n d i g e n o u sn i t r i f y i n gb a c t e r i af o ri ns i t ur e m e d i a t i o no fn i t r o g e n-r i c hs t r e a m w a t e rJ.B i o r e-s o u r c eT e c h n o l o g y,2 0 1 1,1 0 2(2):9 9 0-9 9 5.7 I VANOV V,WAN G X H,T AY T L,e ta l.B i o a u g m e n t a t i o na n de n h a n c e df o r m a t i o no fm i c r o b i a lg r a n u l e su s e di na e r o b i cw a s t e w a t e r t r e a t m e n tJ.A p p l i e dM i c r o b i o l o g y&B i o t e c h n o l-o g y,2 0 0 6,7 0(3):3 7 4-3 8 1.8 姚晓丽,梁运祥.一株反硝化细菌在景观水净化处理中的应用J.环境科学与技术,2 0 0 6,2 9(1 1):6 2-6 4.9 曲洋.耐盐异养硝化-好氧反硝化菌的筛选方法与脱氮机制及其生物强化短程硝化系统的研究D.青岛:青岛大学,2 0 1 0.1 0 黄志伟,石雷,隋军,等.3 AMB R工艺处理城市污水节能降耗的中试实验J.环境工程学报,2 0 1 7,1 1(5):2 6 9 2-2 6 9 8.编辑:陈锡超(收稿日期:2 0 2 2-0 5-1 7)9701陶炳池等 大孔树脂对污水处理厂尾水提标及再生液的高效脱氮处理中试研究