大孔樹脂對污水處理廠尾水提標及再生液的高效脫氮處理中試研究*

陶炳池 黃慧敏 王宇芳 梅榮武 胡正峰

(1.浙江省環(huán)境工程有限公司,浙江 杭州 310012;2.浙江省環(huán)科環(huán)境認證中心有限公司,浙江 杭州 310007;3.杭州華澳環(huán)境技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310012;4.浙江省生態(tài)環(huán)境科學設(shè)計研究院,浙江 杭州 310007)

為加強對水資源保護,各地紛紛出臺各類水質(zhì)排放標準和水質(zhì)整治計劃。2018年底,浙江省出臺了地方標準《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB33/ 2169—2018),相較于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準,化學需氧量(COD)、氨氮、總氮(TN)、總磷(TP)4項水污染物的控制標準都有加嚴,其中COD、氨氮和TP更是要求達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)的Ⅳ類水質(zhì)標準。因此,污水處理廠尾水急需提標改造。氮是造成水體富營養(yǎng)化的重要元素[1],然而目前深度脫氮仍是一個難題。

城鎮(zhèn)污水處理廠尾水中TN大部分以硝態(tài)氮的形式存在,可以利用大孔樹脂中的活性基團與硝酸根離子發(fā)生交換進行深度脫氮。但是樹脂的再生液仍是含高濃度TN的廢水[2-3],其處置也是一個難點[4],從而限制了大孔樹脂在污水處理廠尾水提標中的應用。

本研究以有效削減污水處理廠TN并保證出水各項水質(zhì)指標穩(wěn)定達標為目標,采用大孔樹脂對污水處理廠尾水進行處理,同時對含高濃度TN的樹脂再生液采用兩級缺氧好氧(AO)工藝進行中試實驗,研究并論證該系統(tǒng)在尾水提標和樹脂再生液高效脫氮應用中的可行性。

1 實驗內(nèi)容

1.1 實驗用城鎮(zhèn)污水處理廠尾水水質(zhì)

以杭州市某城鎮(zhèn)污水處理廠尾水即活性砂濾池出水作為本次中試實驗的進水,主要水質(zhì)指標如表1所示。

表1 某城鎮(zhèn)污水處理廠尾水水質(zhì)指標Table 1 Water quality indicators of tail water from an urban sewage treatment plant

污水處理廠尾水執(zhí)行GB 18918—2002一級A標準,實際上部分指標基本已達到GB 3838—2002的Ⅳ類水質(zhì)標準。

1.2 實驗裝置

采用大孔樹脂對尾水中的硝態(tài)氮進行深度脫氮,同時大孔樹脂對COD和TP也有一定的吸附效果,以確保出水水質(zhì)達到DB33/ 2169—2018要求,并使TN也達GB 3838—2002的Ⅳ類水質(zhì)標準。圖1為大孔樹脂對污水處理廠尾水提標的一體化中試裝置,先用樹脂吸附柱吸附后再用兩級AO工藝高效脫除含高濃度硝態(tài)氮的樹脂再生液。該中試裝置的處理水量為100 L/h。樹脂吸附柱直徑為10.5 cm,高度為84 cm,柱內(nèi)填有交換容量不小于900 mol/m3的D890離子交換樹脂,水力停留時間為5 min。大孔樹脂每連續(xù)運行40 h再生置換2 h,用25 L質(zhì)量分數(shù)為6.0%的NaCl溶液進行反洗置換,接著用35 L清水反洗,收集得到含高濃度硝態(tài)氮的樹脂再生液。兩級AO工藝設(shè)計處理水量為36 L/d,其中一級缺氧池和好氧池的水力停留時間為24 h,二級缺氧池和好氧池的水力停留時間為12 h。有研究表明,投加高效反硝化或硝化菌群可提高脫氮效率[5-8],因此本研究還向兩級AO工藝中投加了具有高效脫氮性能的菌群,以實現(xiàn)對目標污染物的高效降解[9]。本項目通過向高效反硝化系統(tǒng)內(nèi)加入實驗室自主開發(fā)的反硝化菌劑,補充反硝化菌促生劑,優(yōu)化反硝化菌群,提高反硝化效率。樹脂再生液中以硝態(tài)氮為主的TN在一級缺氧池中反硝化去除,然后進入到一級好氧池中實現(xiàn)對氨氮的硝化和可生化COD的降解,再進入到二級缺氧池和好氧池進一步去除。二沉池的污泥回流至一級缺氧池,二沉池出水經(jīng)簡單混凝沉淀后回流至污水處理廠生化系統(tǒng)。

圖1 一體化中試裝置Fig.1 Integrated pilot device

1.3 分析檢測

采用鉬酸銨分光光度法測定 TP,納氏試劑比色法測定氨氮,堿性過硫酸鉀消解/紫外分光光度法測定TN,紫外分光光度法測定硝態(tài)氮。樹脂吸附柱出水COD用高錳酸鹽法測定(參考高錳酸鹽指數(shù)限值標準),兩級AO工藝出水COD用重鉻酸鉀法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂吸附柱對污水處理廠尾水的提標效果

圖2給出了樹脂吸附柱對污水處理廠尾水的硝態(tài)氮和TN去除效果。可以發(fā)現(xiàn),大孔樹脂對TN和硝態(tài)氮的去除效果很穩(wěn)定,TN平均質(zhì)量濃度從進水的10.63 mg/L降為出水的0.98 mg/L,硝態(tài)氮平均質(zhì)量濃度從進水的9.01 mg/L降為0.74 mg/L,平均去除率都在90%左右,TN出水濃度幾乎都達到了GB 3838—2002的Ⅳ類水質(zhì)標準(1.5 mg/L)。

圖2 樹脂吸附柱進出水的TN和硝態(tài)氮Fig.2 TN and nitrate nitrogen in inlet and outlet of resin adsorption column

污水處理廠尾水TP基本可以達到GB 3838—2002的Ⅳ類水質(zhì)標準,但存在不穩(wěn)定的情況,圖3給出了樹脂吸附柱對污水處理廠尾水的TP去除效果。可以發(fā)現(xiàn),由于進水TP濃度就很低,因此大孔樹脂不能顯示出對TP的較好去除效果,甚至出現(xiàn)了出水TP濃度高于進水的情況,不過平均質(zhì)量濃度還是從進水的0.18 mg/L降為了出水的0.10 mg/L,使得出水可穩(wěn)定達到GB 3838—2002的Ⅳ類水質(zhì)標準(0.3 mg/L)。

圖3 樹脂吸附柱進出水的TPFig.3 TP in inlet and outlet of resin adsorption column

從圖4可知,大孔樹脂對氨氮的去除率也不高,平均質(zhì)量濃度從進水的0.26 mg/L降為出水的0.12 mg/L,主要原因是本研究所采用D890離子交換樹脂為大孔陰離子樹脂。但由于污水處理廠本身的生化系統(tǒng)完善,尾水的氨氮質(zhì)量濃度就已遠低于GB 3838—2002的Ⅳ類水質(zhì)標準(1.5 mg/L)。

圖4 樹脂吸附柱進出水的氨氮Fig.4 Ammonia nitrogen in inlet and outlet of resin adsorption column

由圖5可見,前期進水COD較不穩(wěn)定,大孔樹脂對高濃度COD有較好的去除效果,后期進水COD濃度較低,大孔樹脂對低濃度COD去除效果就不再那么明顯,COD平均質(zhì)量濃度從進水的10.33 mg/L降為出水的5.89 mg/L,出水穩(wěn)定達到GB 3838—2002的Ⅳ類水質(zhì)標準(10 mg/L)。

圖5 樹脂吸附柱進出水的CODFig.5 COD in inlet and outlet of resin adsorption column

樹脂吸附柱出水的COD、TP、氨氮、硝態(tài)氮、TN平均質(zhì)量濃度分別為5.89、0.10、0.12、0.74、0.98 mg/L,都達到GB 3838—2002的Ⅳ類水質(zhì)標準,去除率分別達到42.98%、44.44%、53.85%、91.79%、90.78%,對硝態(tài)氮和TN的去除效果明顯,且對COD和TP也有一定的去除效果,提高了出水的穩(wěn)定性,完成提標目標。

2.2 兩級AO工藝對樹脂再生液的脫氮效果

樹脂吸附飽和后經(jīng)NaCl溶液反洗的樹脂再生液水質(zhì)如表2所示。可見,樹脂再生液含鹽量高,碳氮比低。30 d的兩級AO工藝對樹脂再生液的脫氮效果基本穩(wěn)定,TN脫除效果如圖6所示,去除率在90%左右,出水TN平均質(zhì)量濃度為30.00

圖6 兩級AO工藝進出水的TNFig.6 TN in inlet and outlet of two-stage AO process

表2 樹脂再生液水質(zhì)Table 2 Water quality of regenerated resin solution

mg/L。同時,出水經(jīng)簡單混凝沉淀后COD平均質(zhì)量濃度為191.00 mg/L,去除率在50%左右(見圖7)。因此,高效脫氮后的樹脂再生液可以回流至污水處理廠生化系統(tǒng)。

圖7 兩級AO工藝進出水的CODFig.7 COD in inlet and outlet of two-stage AO process

2.3 中試成本分析

根據(jù)中試實驗的設(shè)計和運行實際,不考慮設(shè)備折舊費,中試成本主要是電耗和藥劑費。

(1) 電 耗

中試實驗連續(xù)運行的情況下各設(shè)備的耗電情況見表3。根據(jù)當前工業(yè)電費0.90元/(kW·h)計算,中試的電耗成本為2.63元/d,每天處理水量按2.40 t計算,則中試實驗每天的噸水電耗為1.10元,若進行工程化應用,通常電耗成本還能比中試實驗降低40%[10]。

表3 設(shè)備耗電情況Table 3 List of equipments power consumption

(2) 藥劑費

反硝化需要額外投加碳源,每處理1 t水需投加乙酸鈉68 g,水處理用工業(yè)乙酸鈉價格為700元/t,則投加碳源的成本為0.05元/t。

大孔樹脂處理每4 t水后需要25 L質(zhì)量分數(shù)6.0%的NaCl溶液再生,即一共需要投加1.5 kg NaCl。工業(yè)用NaCl價格為500元/t,則再生所需的NaCl成本為0.19元/t。

綜上,中試成本約為1.34元/t。

3 結(jié) 論

(1) 用大孔樹脂對污水處理廠尾水進行提標處理,出水COD、TP、氨氮、硝態(tài)氮、TN平均質(zhì)量濃度分別為5.89、0.10、0.12、0.74、0.98 mg/L,去除率分別達到42.98%、44.44%、53.85%、91.79%、90.78%,提標至GB 3838—2002的Ⅳ類水質(zhì)標準。

(2) 樹脂再生液經(jīng)兩級AO工藝處理后出水的TN平均質(zhì)量濃度為30.00 mg/L,COD為191.00 mg/L,高效脫氮后可以回流至污水處理廠生化系統(tǒng)。

(3) 中試的噸水成本為1.34元,包括電耗成本1.10元,藥劑費0.24元。