生物活性氮在制浆造纸工业废水处理中的应用

肖 鹏 孙胤轶 朱友良 江淦福 胡 冲

(普罗生物技术(上海)有限公司,上海，201201)

制浆造纸工业废水是我国主要的污染水源之一,目前,处理制浆造纸工业废水的主要方法仍以活性污泥法居多。制浆造纸工业废水存在营养单一 、氮和磷营养缺乏的问题,而氮是构成微生物体的重要元素,菌体蛋白质、核酸等分子中都含有氮元素,氮可占菌体干质量的10%。在活性污泥法处理制浆造纸工业废水过程中,主要以投加尿素、氨水和铵盐作为氮源[1]。

尿素作为传统的氮源,广泛用于制浆造纸废水处理系统。作为氮源,尿素优点为单价便宜,固体运输方便；缺点为被微生物吸收利用的效率低,用量大,还需要专用的溶解罐,占用劳动力及电能。尿素投加至生化系统中,在脲酶的作用下转化为氨态氮形态,在中性或碱性环境下,氨态氮会分解易挥发的氨气,在曝气的情况下,容易形成氮气流失。在农业研究中,尿素单独使用时,挥发损失大,利用率仅为30%左右[2]。

生物制剂是近年来出现的营养源,比如生物活性磷、生物营养剂等[3-5]。生物活性氮(Super Nitro,简称SN)是普罗生物技术(上海)有限公司研发的一款液态氮源产品，它由多种氮形态构成,属于生理肥料的新产品，同时通过微碳技术植入有机酸小分子片段,主要作用是增强氮的输送能力,提高微生物对氮的吸收利用,再结合产品中的微量元素,达到营养均衡的效果。本文介绍了SN用于某制浆造纸废水处理系统的实践，对SN与传统氮源尿素的应用特点进行了全面分析和总结，实验研究了SN替代尿素的效果。

1 材料与方法

1.1试验药剂

生物活性氮(SN)：密度为1.30 mg/L，总氮含量约为30%，淡黄色液体，无毒无害。

尿素(Urea)：密度为1.335 mg/L，总氮含量约为46.7%，白色晶体，无毒无害。

1.2使用方法

进行试验的制浆企业产能100万t/a,商品浆产能40万t/a。制浆原料主要为木材、废纸和芦苇。废水处理系统的运行工艺流程为：废水→初沉池→冷却塔→选择池→厌氧池→好氧池→二沉池→深度处理(超效浅层气浮系统)→达标排放。该企业好氧系统长期稳定运行时,二沉池出水CODCr稳定在250 mg/L以下。

废水处理系统进水CODCr保持在1250 mg/L,BOD/COD为0.45,每天进水量为45000 m3,进水总氮值为2 mg/L,需要补充氮磷营养,经计算每天需要投加1012 kg氮源,换算成尿素为2154 kg,实际每天尿素用量为2100 kg。

在废水处理不同时期,SN可发挥不同形态氮的协同效应,显著提高氮的利用率。为了确定SN能够高效地替代尿素,在产品开发阶段,以废水处理系统为研究对象,使用SN替代尿素,在废水中含有相同量的BOD时,尿素用量按照理论营养需求m(BOD)∶m(N)∶m(P)=100∶ 5∶1计算,经计算,最终确定本试验的SN总用量为原尿素用量的1/3(以尿素质量计)[6-7]，即SN总用量为2100 kg×1/3=700 kg。

试验中使用SN时,采取逐步替代尿素的方法,即分三个阶段在选择池投加SN和尿素，最终使SN完全替代尿素。由于SN是液态,可直接泵入选择池；尿素则需要先在尿素罐中溶解,再泵入选择池。表1为三个阶段中SN和尿素的用量。

表1 SN和尿素在三个阶段的用量(以45000 t/d废水量计)

2 检测方法

SN作为一类新型氮源药剂,无毒无害,能够高效少量地替代传统氮源。目前评判SN的高效性和安全性主要为二沉池出水的氨氮浓度、二沉池出水CODCr、好氧池末端SV30(污泥沉降比)和生物相。

本试验取样地点为初沉池出口、选择池出口、好氧池出口、二沉池。水质检测项目、检测频次和检测方法见表2。

表2 检测项目与方法

3 结果与讨论

3.1氨氮浓度

氨氮是指水中以游离氨(NH3)和铵离子(NH4+)形式存在的氮,是微生物和水体生态植物等最易吸收利用的氮源。当水体中氨氮浓度过高时,会导致水体富营养化,对鱼类及某些水生生物有害,所以工业废水处理后需要达到一定的限值才能排放。该制浆造纸企业废水处理氨氮浓度排放标准依据GB/T 3544—2008中现有企业排放限值为10 mg/L[8],结合当地环保部门的规范,实际排放限值为8 mg/L。

图1为在使用SN期间废水处理生化系统进、出水的氨氮浓度。从图1可以看出,SN逐步替代尿素时,在不同替代阶段,其氨氮浓度呈现不同的规律。第一阶段,用233 kg的SN替代中试前尿素用量中的1/3(即700 kg尿素),其他氮源仍为尿素,在此阶段,选择池出水氨氮浓度比较低,平均为7.9 mg/L,二沉池出水氨氮浓度波动较大。出现此类规律的原因主要为：①此阶段SN仅替代了中试前尿素用量中的1/3尿素,而SN中含有部分氨态氮,剩下的为其他形态的氮,再加上初沉池废水中的氨氮含量,导致选择池出水氨氮浓度较初沉池废水更高,随着SN逐步替代尿素,选择池出水氨氮也逐渐增大,最终趋于稳定。②SN为液体氮源,其中氮形态丰富,使用它替代尿素时,系统需要短暂的适应期,从而导致二沉池出水氨氮浓度波动较大。第二阶段,用466 kg的SN替代中试前尿素用量中的2/3(即1400 kg尿素),其他氮源仍为尿素,在此阶段,选择池出水氨氮浓度均值为8.9 mg/L,二沉池出水氨氮浓度波动较小,呈下降的趋势,主要原因在于系统逐步适应了SN作为氮源。第三阶段,用700 kg SN完全替代中试前尿素用量(即2100 kg尿素),在此阶段,选择池出水氨氮浓度均值高达12.2 mg/L,高氨氮含量的主要来源为SN中的氨态氮及初沉池废水中的氨态氮。但在此阶段,二沉池出水氨氮浓度平稳,均值仅为1.8 mg/L,远远低于排放限值标准。其结果表明，SN能够安全地替代尿素,用量仅为原尿素用量的1/3时，二沉池出水达到排放标准。系统出水氨氮浓度稳定,即SN能够很好地被微生物利用。

图1 使用SN期间生化系统进、出水氨氮含量

3.2CODCr去除效率

CODCr是废水处理厂运行管理中一个重要的有机物污染指标。图2为使用SN中试期间,废水处理系统CODCr的去除情况。

图2 使用SN期间生化系统CODCr去除效率

从图2可以看出,该制浆企业废水处理系统初沉池CODCr在1100～1350 mg/L,波动不大,说明该企业废水处理系统废水水质比较稳定,系统不会受到水力负荷冲击,在此情况下使用SN,避免了水力负荷冲击的影响。从二沉池出水CODCr曲线可以看出,使用SN逐步替代尿素的过程中,第一阶段和第二阶段系统CODCr稍有偏高,但总体趋于稳定。当系统外加氮源全部为生物活性氮时,废水处理系统CODCr完全低于250 mg/L,期间最高为248 mg/L,最低为220 mg/L,平均值为238.1 mg/L。就CODCr去除效果而言,第三阶段,即系统外加氮源全部为SN时,CODCr去除率为80.5%,高于第一阶段的79.9%和第二阶段的79.4%,说明外加SN作为废水处理系统的氮源,能够安全地替代尿素,且能够提高系统的处理效率。

3.3SV30

SV30是分析活性污泥沉降性最简便的方法,SV30值越小,污泥沉降性能越好,SV30值越大,沉降性能越差,以致出现活性污泥膨胀现象。废水处理系统中营养比例相当重要,一般细菌营养比例为m(BOD5)∶m(N)∶(P)=100∶ 5∶ 1。如果氮营养缺乏时,可能会产生膨胀现象。因为若缺氮,微生物新陈代谢过程中,不能充分利用碳源合成细胞物质,过量的碳源将被转化为多糖类胞外贮存物,这种贮存物是高度亲水型化合物,易形成结合水,从而影响污泥的沉降性能,产生高黏性的污泥膨胀[9]。当用SN替代尿素,用量仅为尿素用量的1/3时,从总氮含量上,SN总氮含量低于尿素总氮含量；但从吸收效率上看,SN更加容易被利用。

图3为逐步使用SN过程中,好氧池活性污泥的SV30变化情况。从图3中可以看出,在第一阶段,SV30与中试前的SV30(为33%)相当；当进行第二阶段时,SV30偏高,但没有出现活性污泥膨胀现象。出现SV30偏高的原因主要是活性污泥处于适应SN作为氮营养的一个过程,数据显示,第二阶段末期,SV30恢复为35%。当SN完全替代尿素时,SV30一直稳定在30%～35%,与只用尿素时相比,SV30没有发生太大的变化。总之,尿素和SN这两类氮营养物质,作为微生物营养时,都能够满足微生物的营养需求,只是SN能够高效少量地替代尿素。

图3 使用SN期间好氧池SV30的变化

3.4生物相

在使用SN逐步替代尿素期间,每天观察好氧池活性污泥的生物相,结果为：菌胶团结构较密实,没有发现太多从菌胶团中伸出的丝状菌；能够观察到活跃的原生动物和后生动物,其中数量较多的原生动物为钟虫、累枝虫和楯纤虫,数量较多的后生动物为轮虫。由生物相可以反映出生物处理系统运行正常,即说明SN能够安全稳定地替代尿素。

4 结 论

选用生物活性氮(SN)部分替代尿素作为氮营养，应用于某制浆造纸企业的废水处理系统，分析和总结了SN与尿素的应用特点。

4.1SN作为一种新的液态氮源,完全能够替代传统氮源尿素。当SN用量仅为尿素用量的1/3(质量计)时，CODCr去除效果良好,二沉池出水氨氮浓度低于标准限值排放,SV30波动不大。

4.2SN能够高效地替代尿素,主要归结于SN中携带的有机酸小分子片段,这些有机酸小分子片段充当运输载体,运送氮源至细胞体内,促进氮源的高效吸收。

4.3SN为液态氮源,投加方便,可节省溶解尿素的电力成本,适合大量投加氮源的废水处理厂。

参 考 文 献

[1] XU Ya-tong, XIE Bing. The Operation and Management of Biological Wastewater Treatment[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2009.

徐亚同, 谢 冰. 废水生物处理的运行与管理[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2009.

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GB/T 3544—2008. 制浆造纸工业水污染物排放标准[S]. 2008.

[9] DING Feng, PENG Yong-zhen, XU Xue-qing. Influences of Petrochemical Wastewater on Sludge Bulking Due to N & P Nutrient Shortage[J]. Industrial Water Treatment, 2000(20): 12.