论文部分内容阅读
摘?要 在采用SBR工艺处理煤化工工业废水时，通过考察研究废水的不同投加方式，跟踪分析了COD、NH3-N、NO2--N、NO3--N、PH、DO、碱度及碳源消耗。通过对比确定了最佳废水的投加方式达到了节约碱度、碳源消耗的目的，大大降低了运行成本。
关键词 SBR；煤化工工艺废水；碱度；碳源
中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）111-0178-02
SBR（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）是序批间歇式活性污泥法污水处理工艺的简称，是一种按照时间顺序改变活性污泥生长环境的污水处理技术，又称序批式活性污泥法，是一种比较成熟的污水处理工艺。它的主要特征是在时间上的有序和空间上的无序，各阶段的运行工况可以根据具体的污水性质和出水功能要求等灵活变化。SBR工艺一个运行周期中进水、反应、沉淀、出水和闲置5个基本工序都在一个设有曝气或搅拌的反应器内依次完成的。进水时间、曝气方式、搅拌时间可以根据具体的进水水质、污泥状况灵活改变。
笔者通过试验研究了在一个运行周期内分别采用不同的进水方式下PH、COD、NH3-N、NO2--N、NO3--N、DO的变化规律，通过对比确定了最佳废水的投加方式，达到了节约碱度消耗、减少外加碳源，降低处理成本的目的。
1 试验部分
1.1 废水的来源与水质
某煤化工工业，以煤为原料采用鲁奇气化工艺将煤加压气化为煤气，供企业和居民使用。在煤气洗涤过程中产生大量污水。污水水质见表1：
1.2 试验装置
试验装置由一组四个尺寸相同的SBR反应器组成，反应器为长55.5米、宽14米、有效水深5.6米。在反应器内装有微孔曝气器及潜水推流搅拌器；采用鼓风机曝气，离心泵进水，滗水器出水，进水由电磁流量计计量，整个系统由一套PLC自动程序控制装置操作运行。每一工作阶段，如进水、缺氧搅拌、曝气、沉淀和排水等工艺参数可根据需要设定。
1.3 分析项目及方法
进水和出水水样的分析项目及分析方法见表2。
2 试验结果与讨论
2.1 冲击性进水非限制性曝气方式
一次性快速向SBR反应池中加入200 m3原污水，好氧曝气去除有机物并进行硝化反应，硝化完成后投加甲醇进行反硝化，跟踪分析一个周期内水中残余COD、NH3-N、NO2--N、NO3--N、PH、DO变化情况见图1。
图1
由图1可以看出：
1）Do的变化规律：在进水阶段，因去除有机物的反应，异养菌的耗氧速率大于供氧速率，因此DO呈下降趋势。当COD接近其难去除浓度时，异养菌的耗氧速率迅速降低，供氧远远大于异养菌的耗氧速率，因此DO急剧上升，随着COD的降低及DO浓度的升高，异养菌因缺少底物而失去竞争力，系统内的硝化菌开始大量的进行新陈代谢。在氨氮去除的过程中，虽然自养菌的耗氧速率较大，由于曝气量比较充分，因此硝化反应过程中DO不断上升，到硝化反应后期，氨氮浓度大大降低，耗氧速率大大减小，DO上升到较高的浓度。在反硝化阶段DO为零。
2）PH的变化规律：在反应初期，PH不断下降。这是因为去除有机物过程中，异养菌对有机底物进行分解代谢产生大量CO2，CO2溶解在水中导致PH下降，及硝化反应过程消耗一定的碱度导致PH下降速度较大，最低达5.32，在厌氧阶段PH会迅速上升，这是由于反硝化菌进行反硝化过程中产生部分碱度。反应式如下：
有机物去除过程：
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O
硝化反应：
第一步：2NH3 + 3O2 亚硝化菌 2NO2- +2H+ +2H2O
第二步：2NO2- + O2 硝化菌 2NO3-
总反应：NH3 + 2O2 NO3- + H+ + H2O
反硝化反应：以甲醇为电子供体：
第一步：3NO3- + CH3OH 反硝化菌 3NO2- + 2H2O + CO2
第二步：2H+ + 2NO2- + CH3OH 反硝化菌 N2 + 3H2O + CO2
总反应：6H+ + 6NO3- + 5CH3OH 3N2 + 13H2O + 5CO2
3）加碱消耗：由于PH对硝化细菌影响较大，在PH中性或微碱性环境下其生物活性最强，硝化过程迅速。当酸性环境中，当PH<7.0时硝化作用速度减慢，PH<5.0时硝化作用速率显著减慢，为此在反应初期COD去除过程及硝化反应过程PH降低较快过程中需要补充碱度维持硝化菌所需的PH的环境。本实验补充碱度440 Kg（CaCO3）。
4）投加碳源的消耗：为了达到较好的反硝化效果，本实验中投加了甲醇178 kg。
2.2 连续进水限制曝气方式下
小流量在曝气时间段连续向SBR反应池中加入200 m3原污水，好氧曝气去除有机物并进行硝化反应，硝化完成后投加甲醇进行反硝化，跟踪分析一个周期内水中残余NH3-N、NO2--N、NO3--N、PH、DO变化情况见图2。
图2
从图2可以看出：
1）在好氧条件下，连续进水3小时内氨氮浓度并未随着进水量的增加而同等比例的增大，而是缓慢的增加，也并未发现NO3--N和NO2--N浓度大幅度增加现象，说明在这一阶段既发生了好氧硝化，也发生了好氧反硝化（即同步硝化反硝化）。
2）溶解氧浓度直接影响到SBR工艺的硝化反硝化程度，首先，溶解氧浓度应满足碳有机物的氧化以及硝化反应的需要；其次，溶解氧浓度又不宜过高，以保证SBR工艺中的缺氧厌氧微环境的形成，同时使系统中碳有机物不至于降解过快而影响反硝化碳源。在实验中溶解氧浓度控制在2 mg/L-4 mg/L时其同步硝化反硝化现象明显。本实验消耗甲醇明显减少，仅为冲击进水的41%。 3）在反应初期，微生物对有机物和含氮化合物的降解，引起水中的pH值下降速度较快，随着氨氮经硝化作用转化为亚硝酸盐氮进入反硝化阶段，由于反硝化不断产生碱度，pH值下降过程变慢，然后快速上升。从而大大降低了碱度的消耗，本实验补充碱度230 Kg（CaCO3）。
2.3 二次等量连续进水限制曝气方式下的结果
第一次向SBR反应器内加入污水进行曝气去除有机物及氨氮，硝化完成后再加等量污水作为后续反硝化所需的碳源，反硝化完成后再进行曝气，使后加污水中氨氮全部转化为硝态氮，然后停气启动搅拌投加甲醇进行彻底反硝化，结果反应完成时间比一次进水缩短了10%，增加甲醇量为冲击进水的23%。
2.4 二次不等量连续进水限制曝气方式下的结果
进水与曝气、停气搅拌时间同2.3，不同的是两次进水量不等。第一次与第二次进水量比为3：2，结果添加甲醇量仅为冲击进水的12%。
从上述实验可以看出，原污水中碳源充足的情况下，连续小流量进水比冲击性进水消耗的碳源及碱度要少。在保证原污水中有机物碳源充足的情况下进水次数越多，进水比例越大需投加的碳源（甲醇）越少，因此可以在测得废水的碳氮比后通过调整进水次数及比例，从而充分利用污水中原有碳源减少甚至取消外加碳源，运行成本大大降低。
3 结论
1）通过进水方式的改变跟踪分析一个周期内水中残余COD、NH3-N、NO2--N、NO3--N、PH、DO变化情况，得出不同进水方式的PH、DO的变化规律。
2）小流量连续进水，控制DO2-3mg/l，可以实现短程硝化反硝化，大大节约碳源及碱度的消耗。
3）在测得废水的碳氮比后通过调整进水次数及比例，从而充分利用污水中原有碳源减少甚至取消外加碳源，运行成本大大降低。
参考文献
[1]高景峰，彭永臻，王淑莹.SBR法去除有机物、硝化和反硝化过程中PH变化规律[J].环境工程，2001，19（5）：21-24.
[2]周利，李凌云，杨庆，杨岸明，彭永臻.脉冲式SBR法深度脱氮工艺及其控制[J].工业水处理，2008，28（2）32-35.
[3]高大文，彭永臻，郑庆柱.SBR工艺中短程硝化反硝化的过程控制[J].中国给水排水，2002，18（11）：13-17.
作者简介
田楠（1970—），女，学士，高级工程师，河南台前人，毕业于河南师范大学化学系环保专业，研究方向：水处理的运行管理及控制。
崔凤霞（1971—），女，学士，高级工程师。
关键词 SBR；煤化工工艺废水；碱度；碳源
中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）111-0178-02
SBR（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）是序批间歇式活性污泥法污水处理工艺的简称，是一种按照时间顺序改变活性污泥生长环境的污水处理技术，又称序批式活性污泥法，是一种比较成熟的污水处理工艺。它的主要特征是在时间上的有序和空间上的无序，各阶段的运行工况可以根据具体的污水性质和出水功能要求等灵活变化。SBR工艺一个运行周期中进水、反应、沉淀、出水和闲置5个基本工序都在一个设有曝气或搅拌的反应器内依次完成的。进水时间、曝气方式、搅拌时间可以根据具体的进水水质、污泥状况灵活改变。
笔者通过试验研究了在一个运行周期内分别采用不同的进水方式下PH、COD、NH3-N、NO2--N、NO3--N、DO的变化规律，通过对比确定了最佳废水的投加方式，达到了节约碱度消耗、减少外加碳源，降低处理成本的目的。
1 试验部分
1.1 废水的来源与水质
某煤化工工业，以煤为原料采用鲁奇气化工艺将煤加压气化为煤气，供企业和居民使用。在煤气洗涤过程中产生大量污水。污水水质见表1：
1.2 试验装置
试验装置由一组四个尺寸相同的SBR反应器组成，反应器为长55.5米、宽14米、有效水深5.6米。在反应器内装有微孔曝气器及潜水推流搅拌器；采用鼓风机曝气，离心泵进水，滗水器出水，进水由电磁流量计计量，整个系统由一套PLC自动程序控制装置操作运行。每一工作阶段，如进水、缺氧搅拌、曝气、沉淀和排水等工艺参数可根据需要设定。
1.3 分析项目及方法
进水和出水水样的分析项目及分析方法见表2。
2 试验结果与讨论
2.1 冲击性进水非限制性曝气方式
一次性快速向SBR反应池中加入200 m3原污水，好氧曝气去除有机物并进行硝化反应，硝化完成后投加甲醇进行反硝化，跟踪分析一个周期内水中残余COD、NH3-N、NO2--N、NO3--N、PH、DO变化情况见图1。
图1
由图1可以看出：
1）Do的变化规律：在进水阶段，因去除有机物的反应，异养菌的耗氧速率大于供氧速率，因此DO呈下降趋势。当COD接近其难去除浓度时，异养菌的耗氧速率迅速降低，供氧远远大于异养菌的耗氧速率，因此DO急剧上升，随着COD的降低及DO浓度的升高，异养菌因缺少底物而失去竞争力，系统内的硝化菌开始大量的进行新陈代谢。在氨氮去除的过程中，虽然自养菌的耗氧速率较大，由于曝气量比较充分，因此硝化反应过程中DO不断上升，到硝化反应后期，氨氮浓度大大降低，耗氧速率大大减小，DO上升到较高的浓度。在反硝化阶段DO为零。
2）PH的变化规律：在反应初期，PH不断下降。这是因为去除有机物过程中，异养菌对有机底物进行分解代谢产生大量CO2，CO2溶解在水中导致PH下降，及硝化反应过程消耗一定的碱度导致PH下降速度较大，最低达5.32，在厌氧阶段PH会迅速上升，这是由于反硝化菌进行反硝化过程中产生部分碱度。反应式如下：
有机物去除过程：
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O
硝化反应：
第一步：2NH3 + 3O2 亚硝化菌 2NO2- +2H+ +2H2O
第二步：2NO2- + O2 硝化菌 2NO3-
总反应：NH3 + 2O2 NO3- + H+ + H2O
反硝化反应：以甲醇为电子供体：
第一步：3NO3- + CH3OH 反硝化菌 3NO2- + 2H2O + CO2
第二步：2H+ + 2NO2- + CH3OH 反硝化菌 N2 + 3H2O + CO2
总反应：6H+ + 6NO3- + 5CH3OH 3N2 + 13H2O + 5CO2
3）加碱消耗：由于PH对硝化细菌影响较大，在PH中性或微碱性环境下其生物活性最强，硝化过程迅速。当酸性环境中，当PH<7.0时硝化作用速度减慢，PH<5.0时硝化作用速率显著减慢，为此在反应初期COD去除过程及硝化反应过程PH降低较快过程中需要补充碱度维持硝化菌所需的PH的环境。本实验补充碱度440 Kg（CaCO3）。
4）投加碳源的消耗：为了达到较好的反硝化效果，本实验中投加了甲醇178 kg。
2.2 连续进水限制曝气方式下
小流量在曝气时间段连续向SBR反应池中加入200 m3原污水，好氧曝气去除有机物并进行硝化反应，硝化完成后投加甲醇进行反硝化，跟踪分析一个周期内水中残余NH3-N、NO2--N、NO3--N、PH、DO变化情况见图2。
图2
从图2可以看出：
1）在好氧条件下，连续进水3小时内氨氮浓度并未随着进水量的增加而同等比例的增大，而是缓慢的增加，也并未发现NO3--N和NO2--N浓度大幅度增加现象，说明在这一阶段既发生了好氧硝化，也发生了好氧反硝化（即同步硝化反硝化）。
2）溶解氧浓度直接影响到SBR工艺的硝化反硝化程度，首先，溶解氧浓度应满足碳有机物的氧化以及硝化反应的需要；其次，溶解氧浓度又不宜过高，以保证SBR工艺中的缺氧厌氧微环境的形成，同时使系统中碳有机物不至于降解过快而影响反硝化碳源。在实验中溶解氧浓度控制在2 mg/L-4 mg/L时其同步硝化反硝化现象明显。本实验消耗甲醇明显减少，仅为冲击进水的41%。 3）在反应初期，微生物对有机物和含氮化合物的降解，引起水中的pH值下降速度较快，随着氨氮经硝化作用转化为亚硝酸盐氮进入反硝化阶段，由于反硝化不断产生碱度，pH值下降过程变慢，然后快速上升。从而大大降低了碱度的消耗，本实验补充碱度230 Kg（CaCO3）。
2.3 二次等量连续进水限制曝气方式下的结果
第一次向SBR反应器内加入污水进行曝气去除有机物及氨氮，硝化完成后再加等量污水作为后续反硝化所需的碳源，反硝化完成后再进行曝气，使后加污水中氨氮全部转化为硝态氮，然后停气启动搅拌投加甲醇进行彻底反硝化，结果反应完成时间比一次进水缩短了10%，增加甲醇量为冲击进水的23%。
2.4 二次不等量连续进水限制曝气方式下的结果
进水与曝气、停气搅拌时间同2.3，不同的是两次进水量不等。第一次与第二次进水量比为3：2，结果添加甲醇量仅为冲击进水的12%。
从上述实验可以看出，原污水中碳源充足的情况下，连续小流量进水比冲击性进水消耗的碳源及碱度要少。在保证原污水中有机物碳源充足的情况下进水次数越多，进水比例越大需投加的碳源（甲醇）越少，因此可以在测得废水的碳氮比后通过调整进水次数及比例，从而充分利用污水中原有碳源减少甚至取消外加碳源，运行成本大大降低。
3 结论
1）通过进水方式的改变跟踪分析一个周期内水中残余COD、NH3-N、NO2--N、NO3--N、PH、DO变化情况，得出不同进水方式的PH、DO的变化规律。
2）小流量连续进水，控制DO2-3mg/l，可以实现短程硝化反硝化，大大节约碳源及碱度的消耗。
3）在测得废水的碳氮比后通过调整进水次数及比例，从而充分利用污水中原有碳源减少甚至取消外加碳源，运行成本大大降低。
参考文献
[1]高景峰，彭永臻，王淑莹.SBR法去除有机物、硝化和反硝化过程中PH变化规律[J].环境工程，2001，19（5）：21-24.
[2]周利，李凌云，杨庆，杨岸明，彭永臻.脉冲式SBR法深度脱氮工艺及其控制[J].工业水处理，2008，28（2）32-35.
[3]高大文，彭永臻，郑庆柱.SBR工艺中短程硝化反硝化的过程控制[J].中国给水排水，2002，18（11）：13-17.
作者简介
田楠（1970—），女，学士，高级工程师，河南台前人，毕业于河南师范大学化学系环保专业，研究方向：水处理的运行管理及控制。
崔凤霞（1971—），女，学士，高级工程师。