DNBF 滤池在焦化废水深度脱氮中的研究

剧盼盼， 刘洪泉， 刘 斌， 陈卫江

(河北协同水处理技术有限公司，石家庄市焦化水处理技术创新中心，河北省焦化水污染物控制与资源化创新中心， 河北 石家庄 050000)

0 引言

焦化废水含氮污染物质量浓度高 （200 ～450 mg/L）且成分复杂，主要包含氨氮、硫氰、氰化物等无机氮和含氮杂环等少量有机氮[1,2]。 目前焦化废水脱氮工艺较多的采用一级前置反硝化，因受碳源、硝化液回流量等因素限制[3-4]，TN 去除率存在极限值，出水难以满足现有GB 16171—2012《炼焦化学工业污染物排放标准》要求，在目前焦化产能置换和废水零排的双重压力下，TN 达标成为必不可少的一环[5]。除了对现有一级脱氮工艺的强化改进， 提高总氮转化率和去除率，新增深度脱氮工艺成为有效保障措施。

目前很多学者对适用于城市污水处理厂处理TN 的反硝化生物滤床进行了较为深入的研究及工程应用[6-9]，但是对工业废水的脱氮，尤其焦化废水的深度脱氮相对欠缺。 本文中自主开发的DNBF 滤池主要用于去除焦化废水一级生化出水剩余的部分TN，其开发参考了常规滤池的优势，并根据40 多家焦化企业水质特点、 工艺及运营经验进行了针对性的升级改造，相较于传统二级AO 工艺，其脱氮负荷更高、投资较小，占地面积更少，自动化精准控制，运营成本更低；与国外下向流滤池技术相比，其主体滤料及布水形式有所改进，纳污能力更强，可短期承受较高SS 水质，该技术的应用势必会促进焦化企业废水深度脱氮技术的进步。

本文以2 家焦化企业废水为研究对象， 组建了小试及2 m3/h 规模的中试示范装置， 考察了DNBF滤池的最佳运行工况及处理效果， 为DNBF 滤池的大规模应用提供数据支持， 促进焦化企业总氮达标改造和DNBF 滤池的设备产业化。

1 材料与方法

1.1 试验用水

DNBF 小、 中试废水取自不同焦化企业污水处理站二沉出水， 接种污泥为对应焦化企业污水站生化二沉污泥，主要水质指标见表1。

表1 试验用水水质指标

1.2 试验装置

DNBF 滤池小试装置材质为有机玻璃， 有效体积为6 L，填料为特种火山岩陶粒，粒径为2 ～4，4 ～6 mm，配套有进水计量泵、反洗气泵、反洗水泵等。

DNBF 滤池中试装置材质为碳钢， 内部环氧沥青漆防腐，外形尺寸为1.0 m×1.0 m×2.7 m，有效体积为2.4 m3， 填料为特种火山岩陶粒， 粒径为2 ～4和4 ～6 mm，采用上向流进水，配套有进水泵、流量计、进水缓冲箱、出水箱、加药系统、循泵、反洗水泵、电磁流量计、反洗气源及空气涡轮流量计等，最大处理规模为2 m3/h，具体中试流程见图1。

图1 DNBF 滤池中试流程图

1.3 分析方法

主要检测指标及分析方法[10]：COD 采用重铬酸钾法； 氨氮采用纳氏试剂光度法；NO3--N 采用铬变酸法（哈希）；NO2--N 采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；TN 采用过硫酸钾氧化法；pH 值采用雷磁PHS-25pH 计；DO 采用哈希溶氧仪。

1.4 试验方法

小试试验主要包含污泥驯化和实际运行2 个阶段，重点考察了DNBF 滤池的停留时间及处理效果，为中试试验提供设计参数。

通过小试不能精准考察的参数需要依靠中试试验摸索获取，中试试验主要包含污泥驯化、效果验证和参数的优化调整几个阶段， 重点确定滤池的极限负荷、 反冲周期及反冲强度等工况参数及效果，为DNBF 滤池的产业化应用提供设计参数。

2 结果与讨论

2.1 DNBF 滤池小试装置启动运行

在DNBF 滤池内接种二沉污泥培养驯化， 采用连续进出水方式，初期进水保持较长的停留时间24 h， 并严格控制进水pH 值和反应器内溶解氧等参数，由于二沉出水可利用碳源较低，以外加葡萄糖作为做为电子供体，ρ（C）/ρ（N）控制在5 左右，监测反应器产气量、挂膜情况及进出水TN 等指标的变化。

稳定运行1 周时间后， 出水TN 去除率稳定在80%以上， 另外还可以看出反应器内壁上附着大量气泡， 气泡的多少可直观地反应出反硝化性能的优异性。 传统滤池脱氮多采用石英砂、天然海砂，孔隙率低导致比表面积较小， 随之而来的微生物生存空间也小、微生物少，而该装置采用特种火山岩陶粒填料从材料选型和粒径级配均进行了优化， 并表现出挂膜生物量大、挂膜时间短的优势。

经过污泥的驯化培养，微生物活性较高，连续进出水并逐渐短缩水力停留时间20，15，10，7.5，4 和2 h，考察该装置的脱氮效果， 不同停留时间条件下进出水TN 平均浓度及去除率见图2。

图2 DNBF 滤池小试进出水TN 及去除率

由图2 可以看出， 设定小试装置的初始停留时间为20 h，考察进出水TN 情况，待稳定后逐步缩短停留时间， 直至出水TN 质量浓度接近标准值25 mg/L，初步确定小试的停留时间为2 h。

2.2 DNBF 滤池中试的启动

小试确定初步效果后， 需要通过中试装置进一步优化、确定运行参数。 待中试设备安装、调试结束后开始挂膜启动，其具体过程参照小试启动方式，仍以二沉污泥接种，以葡萄糖为碳源，投加量ρ（C）/ρ（N），短期闷曝后开始小水量连续运行，通过产气量及进、出水TN 浓度变化来判断滤池的挂膜启动情况，具体见表2。

表2 DNBF 滤池中试启动

以0.2 m3/h 小水量连续进出水， 稳定运行2 d后，滤池表面可以看到有明显气泡产生，待出水效果稳定后提升水量至0.4 m3/h，当进、出水NO3--N 去除率保持在90%以上， 预示DNBF 滤池挂膜启动成功，且从时间及进出水效果来看，该装置挂膜时间较短、启动较快。

2.3 DNBF 滤池中试运行

2.3.1 脱氮极限负荷的确定

启动成功后，提高进水量分别为0.4，0.8，1.2 和1.6 m3/h，且每个水量条件下稳定一段时间，监测不同负荷条件下进出水TN 和NO3--N 浓度，具体数据见表3。

表3 不同进水量条件下进、出水指标

由表3 可以看出， 在滤料体积为1.6 m3不变的情况下，NO3--N 去除率随着负荷的提升而降低，在进水量为0.4，0.8 和1.2 m3/h 时，NO3--N 去除率均在95%以上；当水量提升到1.6 m3/h 时，NO3--N 去除率陡降至79.8%， 说明此时进水NO3--N 浓度超过了DNBF 反硝化滤池的处理能力， 因此将DNBF 反硝化滤池的极限滤料负荷定为2.0 kg/（m3·d）。

在实验过程中可以看出DNBF 滤池负荷较二级AO 具有明显优势， 首先高比表面积的填料为微生物提供大量的附着空间， 生物量的增长提高了池容负荷，降低了深度脱氮的土建投资和占地面积，为现有受场地限制的提标改造项目创造了极大便利；相较于传统反硝化滤池， 即使在进水NO3--N 质量浓度100 mg/L 以上且2.0 kg/（m3·d）高负荷运行时，出水NO3--N 质量浓度也能稳定在5 mg/L 以下， 得益于特种填料的筛选及粒径级配的优化， 避免了常规滤池上层滤料阻塞传质不好， 下层滤料纳污能力未能充分利用的现象。

2.3.2 进出水TN 成分的变化

对DNBF 滤池进水、出水TN 成分进行分析，具体见图3。进水TN 中NO3--N 质量浓度高于100 mg/L，占比约86.6%， 焦化废水深度脱氮浓度远远高于市政污水，除高含量NO3--N 外，还含有少量硫氰、氰化物和有机氮类等非硝态氮，其占比约13.4%，出水中NO3--N 质量浓度为5 mg/L，其他含氮物质占比约70.6%。

图3 进、出水TN 变化

DNBF 滤池主要去除TN 中的NO3--N 成分，对NO3--N 基本能实现全部的去除，而对其他成分的含氮物质基本无降解，因此采用DNBF 滤池深度脱氮，需要保证一级生化的稳定正常运行， 保证TN 的转化率， 如在TN 质量浓度≤140 mg/L 的条件下，其NO3--N 占比必须高于85%。

2.3.3 反洗周期及强度的确定

中试试验过程为更直观的观察DNBF 反硝化滤池内悬浮物的堵塞情况，在缓冲布水区设置侧压管，通过观察侧压管读数和出水的检测指标来判断滤池是否需要反冲洗。经过中试试验数据的累积，当侧压管液位高于滤池出水口1.2 m 时，DNBF 反硝化滤池需要进行反冲洗，反冲洗周期为48～72 h，填料极高的纳污能力，使系统反冲洗水量减少，这无疑也是本产品的一大优势。

DNBF 反硝化滤池反冲洗方式为气水联合反冲洗，反冲洗强度太低滤料冲洗效果不理想；反冲洗强度过高时， 滤池恢复周期变长同时滤料也会造成一定损失。 因此气洗强度和水洗强度需要在一个合理的范围，经过中试试验过程中不断调整，确定DNBF滤池反冲洗水洗强度宜为12 m3/h，气洗强度宜为60 m3/h， 且根据中试实验证明DNBF 滤池可短期承受较高的SS 水质冲击， 经反冲后不影响滤池运行效果，DNBF 滤池抗SS 冲击能力的增强也为该技术在焦化行业的工程应用创造了条件。

2.3.4 DNBF 滤池稳定运行

DNBF 滤池确定参数后，稳定运行一段时间，并正常进行反冲洗，其进、出水TN 和NO3--N 浓度及去除率情况见图4 和图5。 由图4 和图5 可以看出，在进水量1.2 m3/h 条件下连续运行20 d 左右， 当进水TN 质量浓度在109 ～127mg/L 时， 出水TN 质量浓度稳定在20 mg/L 以内， 去除率维持在83.7%～89.2%，NO3--N 去除率维持在94.8%～99.7%，进、出水COD 基本稳定，出水未出现明显增高现象。

图4 进、出水TN 浓度及去除率

图5 NO3--N 进、出水浓度及去除率

该系统在20 d 的稳定运行过程中，共处理水量近600 m3，且处理效果稳定可靠，该系统良好运行离不开产品开发过程中材料的优化和结构的创新，但参数的准确控制也是工艺优势发挥的有效保证，在实际工程项目中，建议采用精准复合环路控制系统，节省后端曝气池的投资， 并能有效避免药剂浪费及出水超标， 该产品的应用既能解决焦化企业污水处理的现有问题，也符合焦化企业向集约、智能方向发展的趋势。

3 结论及建议

（1）焦化废水TN 浓度较高，采用一级前置反硝化， 出水难以满足现有排放需求， 在保证一级生化TN 转化率的条件下，可采用DNBF 滤池深度脱除一级生化出水中的NO3--N，项目采用DNBF 滤池小中试处理不同焦化废水，其对NO3--N 的去除率分别达到94.8%～99.7%，TN 去除率达到83.7% ～89.2%，且COD 无明显变化，实现TN 稳定达标。

（2）在焦化行业，相较于传统二级AO 及常规滤池，DNBF 滤池滤池采用特种火山岩陶粒填料及上向流反硝化滤池结构，整体具有较强的纳污能力，反冲周期长且可短期承受较高的SS 冲击，容积负荷在2.0 kg/（m3·d）的高负荷下也能保证较低的出水要求，在实际工程中建议采用精准复合环路控制系统，后端无需再设置曝气生物滤池，有利于节省投资、占地面积和碳源成本， 该产品即能够满足焦化企业污水处理现有深度脱氮需求，也符合其未来的发展趋势。