大孔树脂对污水处理厂尾水提标及再生液的高效脱氮处理中试研究*

陶炳池 黄慧敏 王宇芳 梅荣武 胡正峰

(1.浙江省环境工程有限公司,浙江 杭州 310012;2.浙江省环科环境认证中心有限公司,浙江 杭州 310007;3.杭州华澳环境技术有限公司,浙江 杭州 310012;4.浙江省生态环境科学设计研究院,浙江 杭州 310007)

为加强对水资源保护,各地纷纷出台各类水质排放标准和水质整治计划。2018年底,浙江省出台了地方标准《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB33/ 2169—2018),相较于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准,化学需氧量(COD)、氨氮、总氮(TN)、总磷(TP)4项水污染物的控制标准都有加严,其中COD、氨氮和TP更是要求达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅳ类水质标准。因此,污水处理厂尾水急需提标改造。氮是造成水体富营养化的重要元素[1],然而目前深度脱氮仍是一个难题。

城镇污水处理厂尾水中TN大部分以硝态氮的形式存在,可以利用大孔树脂中的活性基团与硝酸根离子发生交换进行深度脱氮。但是树脂的再生液仍是含高浓度TN的废水[2-3],其处置也是一个难点[4],从而限制了大孔树脂在污水处理厂尾水提标中的应用。

本研究以有效削减污水处理厂TN并保证出水各项水质指标稳定达标为目标,采用大孔树脂对污水处理厂尾水进行处理,同时对含高浓度TN的树脂再生液采用两级缺氧好氧(AO)工艺进行中试实验,研究并论证该系统在尾水提标和树脂再生液高效脱氮应用中的可行性。

1 实验内容

1.1 实验用城镇污水处理厂尾水水质

以杭州市某城镇污水处理厂尾水即活性砂滤池出水作为本次中试实验的进水,主要水质指标如表1所示。

表1 某城镇污水处理厂尾水水质指标Table 1 Water quality indicators of tail water from an urban sewage treatment plant

污水处理厂尾水执行GB 18918—2002一级A标准,实际上部分指标基本已达到GB 3838—2002的Ⅳ类水质标准。

1.2 实验装置

采用大孔树脂对尾水中的硝态氮进行深度脱氮,同时大孔树脂对COD和TP也有一定的吸附效果,以确保出水水质达到DB33/ 2169—2018要求,并使TN也达GB 3838—2002的Ⅳ类水质标准。图1为大孔树脂对污水处理厂尾水提标的一体化中试装置,先用树脂吸附柱吸附后再用两级AO工艺高效脱除含高浓度硝态氮的树脂再生液。该中试装置的处理水量为100 L/h。树脂吸附柱直径为10.5 cm,高度为84 cm,柱内填有交换容量不小于900 mol/m3的D890离子交换树脂,水力停留时间为5 min。大孔树脂每连续运行40 h再生置换2 h,用25 L质量分数为6.0%的NaCl溶液进行反洗置换,接着用35 L清水反洗,收集得到含高浓度硝态氮的树脂再生液。两级AO工艺设计处理水量为36 L/d,其中一级缺氧池和好氧池的水力停留时间为24 h,二级缺氧池和好氧池的水力停留时间为12 h。有研究表明,投加高效反硝化或硝化菌群可提高脱氮效率[5-8],因此本研究还向两级AO工艺中投加了具有高效脱氮性能的菌群,以实现对目标污染物的高效降解[9]。本项目通过向高效反硝化系统内加入实验室自主开发的反硝化菌剂,补充反硝化菌促生剂,优化反硝化菌群,提高反硝化效率。树脂再生液中以硝态氮为主的TN在一级缺氧池中反硝化去除,然后进入到一级好氧池中实现对氨氮的硝化和可生化COD的降解,再进入到二级缺氧池和好氧池进一步去除。二沉池的污泥回流至一级缺氧池,二沉池出水经简单混凝沉淀后回流至污水处理厂生化系统。

图1 一体化中试装置Fig.1 Integrated pilot device

1.3 分析检测

采用钼酸铵分光光度法测定 TP,纳氏试剂比色法测定氨氮,碱性过硫酸钾消解/紫外分光光度法测定TN,紫外分光光度法测定硝态氮。树脂吸附柱出水COD用高锰酸盐法测定(参考高锰酸盐指数限值标准),两级AO工艺出水COD用重铬酸钾法测定。

2 结果与讨论

2.1 树脂吸附柱对污水处理厂尾水的提标效果

图2给出了树脂吸附柱对污水处理厂尾水的硝态氮和TN去除效果。可以发现,大孔树脂对TN和硝态氮的去除效果很稳定,TN平均质量浓度从进水的10.63 mg/L降为出水的0.98 mg/L,硝态氮平均质量浓度从进水的9.01 mg/L降为0.74 mg/L,平均去除率都在90%左右,TN出水浓度几乎都达到了GB 3838—2002的Ⅳ类水质标准(1.5 mg/L)。

图2 树脂吸附柱进出水的TN和硝态氮Fig.2 TN and nitrate nitrogen in inlet and outlet of resin adsorption column

污水处理厂尾水TP基本可以达到GB 3838—2002的Ⅳ类水质标准,但存在不稳定的情况,图3给出了树脂吸附柱对污水处理厂尾水的TP去除效果。可以发现,由于进水TP浓度就很低,因此大孔树脂不能显示出对TP的较好去除效果,甚至出现了出水TP浓度高于进水的情况,不过平均质量浓度还是从进水的0.18 mg/L降为了出水的0.10 mg/L,使得出水可稳定达到GB 3838—2002的Ⅳ类水质标准(0.3 mg/L)。

图3 树脂吸附柱进出水的TPFig.3 TP in inlet and outlet of resin adsorption column

从图4可知,大孔树脂对氨氮的去除率也不高,平均质量浓度从进水的0.26 mg/L降为出水的0.12 mg/L,主要原因是本研究所采用D890离子交换树脂为大孔阴离子树脂。但由于污水处理厂本身的生化系统完善,尾水的氨氮质量浓度就已远低于GB 3838—2002的Ⅳ类水质标准(1.5 mg/L)。

图4 树脂吸附柱进出水的氨氮Fig.4 Ammonia nitrogen in inlet and outlet of resin adsorption column

由图5可见,前期进水COD较不稳定,大孔树脂对高浓度COD有较好的去除效果,后期进水COD浓度较低,大孔树脂对低浓度COD去除效果就不再那么明显,COD平均质量浓度从进水的10.33 mg/L降为出水的5.89 mg/L,出水稳定达到GB 3838—2002的Ⅳ类水质标准(10 mg/L)。

图5 树脂吸附柱进出水的CODFig.5 COD in inlet and outlet of resin adsorption column

树脂吸附柱出水的COD、TP、氨氮、硝态氮、TN平均质量浓度分别为5.89、0.10、0.12、0.74、0.98 mg/L,都达到GB 3838—2002的Ⅳ类水质标准,去除率分别达到42.98%、44.44%、53.85%、91.79%、90.78%,对硝态氮和TN的去除效果明显,且对COD和TP也有一定的去除效果,提高了出水的稳定性,完成提标目标。

2.2 两级AO工艺对树脂再生液的脱氮效果

树脂吸附饱和后经NaCl溶液反洗的树脂再生液水质如表2所示。可见,树脂再生液含盐量高,碳氮比低。30 d的两级AO工艺对树脂再生液的脱氮效果基本稳定,TN脱除效果如图6所示,去除率在90%左右,出水TN平均质量浓度为30.00

图6 两级AO工艺进出水的TNFig.6 TN in inlet and outlet of two-stage AO process

表2 树脂再生液水质Table 2 Water quality of regenerated resin solution

mg/L。同时,出水经简单混凝沉淀后COD平均质量浓度为191.00 mg/L,去除率在50%左右(见图7)。因此,高效脱氮后的树脂再生液可以回流至污水处理厂生化系统。

图7 两级AO工艺进出水的CODFig.7 COD in inlet and outlet of two-stage AO process

2.3 中试成本分析

根据中试实验的设计和运行实际,不考虑设备折旧费,中试成本主要是电耗和药剂费。

(1) 电 耗

中试实验连续运行的情况下各设备的耗电情况见表3。根据当前工业电费0.90元/(kW·h)计算,中试的电耗成本为2.63元/d,每天处理水量按2.40 t计算,则中试实验每天的吨水电耗为1.10元,若进行工程化应用,通常电耗成本还能比中试实验降低40%[10]。

表3 设备耗电情况Table 3 List of equipments power consumption

(2) 药剂费

反硝化需要额外投加碳源,每处理1 t水需投加乙酸钠68 g,水处理用工业乙酸钠价格为700元/t,则投加碳源的成本为0.05元/t。

大孔树脂处理每4 t水后需要25 L质量分数6.0%的NaCl溶液再生,即一共需要投加1.5 kg NaCl。工业用NaCl价格为500元/t,则再生所需的NaCl成本为0.19元/t。

综上,中试成本约为1.34元/t。

3 结 论

(1) 用大孔树脂对污水处理厂尾水进行提标处理,出水COD、TP、氨氮、硝态氮、TN平均质量浓度分别为5.89、0.10、0.12、0.74、0.98 mg/L,去除率分别达到42.98%、44.44%、53.85%、91.79%、90.78%,提标至GB 3838—2002的Ⅳ类水质标准。

(2) 树脂再生液经两级AO工艺处理后出水的TN平均质量浓度为30.00 mg/L,COD为191.00 mg/L,高效脱氮后可以回流至污水处理厂生化系统。

(3) 中试的吨水成本为1.34元,包括电耗成本1.10元,药剂费0.24元。