供水廠污泥資源化利用處理高總氮污水的研究

文/盛大春 池俊杰

（1.合肥供水集團(tuán)有限公司；2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司）

一、引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，飲用水需求量日益提高，供水廠的數(shù)量及產(chǎn)能因此不斷增加，導(dǎo)致水處理過(guò)程中所產(chǎn)生的污泥量激增，若將不經(jīng)處理的污泥直接排入水體，會(huì)嚴(yán)重污染自然生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)的污泥處理方式如焚燒和填埋等，均未能有效利用污泥的資源價(jià)值，在造成資源浪費(fèi)的同時(shí)容易引發(fā)更多的社會(huì)問(wèn)題[1]。如何有效地對(duì)污泥進(jìn)行資源化處理，是當(dāng)前環(huán)境領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一[2]。同時(shí)，傳統(tǒng)的污水反硝化技術(shù)在應(yīng)對(duì)低化學(xué)需氧量（COD）、高總氮類(lèi)（低C/N 比）廢水時(shí)，需要額外添加大量的有機(jī)碳源，導(dǎo)致處理成本較高且存在處理效率低、耐沖擊負(fù)荷能力差以及亞硝酸鹽累積等問(wèn)題[3]。

本研究根據(jù)供水廠污泥的成分特點(diǎn)，利用供水廠污泥與自然界中廣泛存在的廉價(jià)易得的硫鐵礦等共同制備出新型自養(yǎng)脫氮填料，用于反應(yīng)器中穩(wěn)定處理低C/N 比類(lèi)廢水，旨在解決污水處理過(guò)程中實(shí)際問(wèn)題的前提下實(shí)現(xiàn)供水廠污泥的資源化利用。

二、試驗(yàn)部分

1.試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的污泥來(lái)自合肥市某供水廠，污泥經(jīng)過(guò)105℃烘干過(guò)200 目篩處理，采用EDS 能譜分析其元素構(gòu)成，見(jiàn)表1。其化學(xué)元素主要為碳（C）、鐵（Fe）、硅（Si）和鋁（Al）等，化學(xué)活性較低。其中，Al 的含量占比為14.58%，F(xiàn)e 的含量占比為3.77%。

表1 污泥的元素構(gòu)成

將污泥與同樣經(jīng)過(guò)研磨過(guò)篩處理的硫鐵礦按照6:4 的比例混合，制備新型自養(yǎng)脫氮填料，脫氮填料的粒徑為4～6 mm，堆積密度為0.98～1.12 t/m3，填放于三相內(nèi)循環(huán)生物反應(yīng)器的降流區(qū)中，如圖1 所示。反應(yīng)器主要由升流區(qū)（營(yíng)造好氧環(huán)境）、降流區(qū)（營(yíng)造厭氧/缺氧環(huán)境）、脫氣區(qū)構(gòu)成，使用鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行鼓氣，同時(shí)利用密度差，帶動(dòng)廢水在反應(yīng)器的升流區(qū)和降流區(qū)之間形成環(huán)流，依次經(jīng)過(guò)升流區(qū)的接觸氧化池和降流區(qū)的新型自養(yǎng)脫氮填料，完成污染物的高效深度降解。

圖1 三相內(nèi)循環(huán)生物反應(yīng)器

反應(yīng)器為亞克力材質(zhì)，有效反應(yīng)容積為60 L，反應(yīng)區(qū)高80 cm，直徑為40 cm。降流區(qū)直徑為15 cm，脫氣沉淀區(qū)高為18 cm，水力停留時(shí)間（HRT）為6 h，pH為自然情況，溫度為室溫，曝氣量為0.7 m3/h，降流區(qū)的新型自養(yǎng)脫氮填料體積占反應(yīng)區(qū)有效容積的20%～25%。

2.試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)取自安徽省內(nèi)某人流量較大段高速服務(wù)區(qū)的污水，進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2。此類(lèi)污水屬于典型的低C/N 比廢水。

表2 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)

三、結(jié)果與討論

1.化學(xué)需氧量的變化情況

反應(yīng)器在前期馴化培養(yǎng)掛膜約20 d 之后，開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定期。反應(yīng)器穩(wěn)定后，設(shè)備在運(yùn)行期間進(jìn)出水的化學(xué)需氧量（COD）變化情況如圖2 所示。在反應(yīng)器正常運(yùn)行的60 d 內(nèi)，COD 的進(jìn)水濃度約為65 mg/L，出水濃度均穩(wěn)定在15 mg/L 以下，反應(yīng)器對(duì)COD 有很好的去除效果，同時(shí)也表明體系中可以用來(lái)作為碳源的有機(jī)質(zhì)含量有限，依賴(lài)體系中的有機(jī)碳源已經(jīng)不能夠完全滿(mǎn)足脫氮的需求。

圖2 反應(yīng)器進(jìn)出水COD 變化情況

2.反應(yīng)器的脫氮效果

反應(yīng)器的脫氮效果如圖3 所示。反應(yīng)器進(jìn)水的總氮和硝態(tài)氮的平均濃度分別約為80.1 mg/L 和52.8 mg/L，在反應(yīng)器未外加有機(jī)碳源的情況下，反應(yīng)器運(yùn)行期間的出水的總氮及硝態(tài)氮濃度分別穩(wěn)定于10 mg/L 及5 mg/L 以下，去除率能夠達(dá)到90%以上，表明此新型自養(yǎng)脫氮填料具有優(yōu)良的反硝化脫氮效果。出現(xiàn)上述情況的原因，一方面是因?yàn)樘盍现泄┧畯S污泥的主要成分含有鋁鹽和鐵鹽，能夠有效地使微生物群落集聚，同時(shí)污泥中還含有大量的微量元素為微生物生長(zhǎng)提供能源；另一方面，硫鐵礦可以作為電子供體，硝態(tài)氮為電子受體，發(fā)生式（1）所示的化學(xué)反應(yīng)，能保障其在無(wú)須外加有機(jī)碳源的情況下高效完成反硝化脫氮過(guò)程[4]。

圖3 反應(yīng)器進(jìn)出水總氮和硝態(tài)氮的變化情況

3.反應(yīng)器NO2-N 的累積情況

亞硝態(tài)氮NO2--N 是生物反硝化過(guò)程中的中間產(chǎn)物，其作為一種致癌物質(zhì)在水體中的累積情況受到廣泛的關(guān)注，利用有機(jī)碳源進(jìn)行的傳統(tǒng)反硝化，容易反應(yīng)不完全而導(dǎo)致亞硝態(tài)氮的積累，對(duì)環(huán)境造成一定的危害[5]。α 值通常用于表明其累積情況，即進(jìn)出水中NO2--N 的濃度差值與NO2--N 的去除量比值，α 值越大說(shuō)明NO2--N 累積越多[6]。

如圖4 所示，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)器中α 值由最初的0.1 逐漸降低至0,表明反應(yīng)器中沒(méi)有硝態(tài)氮的累積，分析原因可能是因?yàn)殡S著反應(yīng)時(shí)間的進(jìn)行，體系中微生物群落自養(yǎng)反硝化優(yōu)勢(shì)菌種逐漸富集，反硝化反應(yīng)高效完全，因此不會(huì)造成硝態(tài)氮的累積。

圖4 反應(yīng)器中α 值的變化情況

四、結(jié)論

1.本文提出的新型自養(yǎng)脫氮填料具有性能優(yōu)勢(shì)。該填料充分利用供水廠污泥以及硫鐵礦的自身特點(diǎn)，可有效促進(jìn)功能性微生物聚集至載體平臺(tái)，同時(shí)為自養(yǎng)反硝化提供充足的硫源，能夠高效深度處理低C/N比類(lèi)廢水，在無(wú)須外加有機(jī)碳源的情況下出水總氮穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)省了處理成本。

2.本文提出的新型自養(yǎng)脫氮填料具有市場(chǎng)推廣的優(yōu)勢(shì)。該填料制備工藝簡(jiǎn)單穩(wěn)定，能夠?qū)⒃牧现苯雍铣蔀榫嗖牧希瑸楣┧畯S污泥以及礦山尾礦的資源化處理提供了新途徑，實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”的同時(shí)也解決了工程實(shí)際應(yīng)用中存在的傳統(tǒng)反硝化所面對(duì)的難題。