我國屬于水資源貧弱國，長期以來水源污染未得到有效控制，水資源問題已經(jīng)成為我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的制約因素。研究污水的再生和利用尤其是城市中水（本文中城市中水是指經(jīng)二級城市污水廠處理的達標(biāo)排放水）綜合利用是環(huán)境保護、水污染防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 研究的意義

水資源問題嚴(yán)重影響社會、經(jīng)濟發(fā)展，以城市中水綜合利用為主的污水資源化是保護水資源和使水資源增值的有效途徑，同時也能大大地緩解我國水資源的緊缺。國家政策提倡循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，以污（廢）水資源化為代表的循環(huán)經(jīng)濟項目受到國家的鼓勵和政策上的支持，另外環(huán)太湖流域水資源面臨緊缺和污染嚴(yán)重、新鮮水資源限制等使得越來越多的企業(yè)利用中水作為工業(yè)補給水。根據(jù)我省制藥、制革和精細(xì)化工等行業(yè)集中、多數(shù)污水處理廠排水氨氮、總磷超標(biāo)的現(xiàn)狀，城市中水綜合的首要任務(wù)是深度去除氨氮污染因子。

目前國內(nèi)外已在使用或已實驗的污水脫氮技術(shù)主要可分為物化處理技術(shù)（如汽提、反滲透等）、生物脫氮法(生物膜法、泥法等)，較多存在投資大、運行費用高、管理困難、易產(chǎn)生二次污染等問題。本項目研究采用曝氣生物流化床（ABFT）技術(shù)對城市污水處理廠出水進行深度脫氮處理回用補充電廠循環(huán)冷卻水，該技術(shù)包括兩大核心技術(shù)，一是NC-5ppi型微生物載體，二是廣譜性（適于pH中性、低水溫環(huán)境）Nitrobacteria-II型硝化菌種。建立了30000m3/d城市中水綜合利用示范工程，投入運行后將減輕污水廠排放污水中的污染因子對太湖流域的水體影響，符合國家的節(jié)能減排政策和對太湖流域水體富營養(yǎng)化的嚴(yán)格控制要求。

2 工藝研究

2.1 主要研究內(nèi)容

（1）構(gòu)建硝化、亞硝化菌群體系。包括硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌的分離篩選、純化、富集和硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌生長機制、動力學(xué)參數(shù)研究。

（2）馴化硝化菌適應(yīng)pH中性、低溫的生長環(huán)境，篩選、富集能適宜更寬pH范圍、較低溫度的nitrobacteria-II硝化菌，實現(xiàn)nitrobacteria-II硝化菌的規(guī)�；囵B(yǎng)。

（3）NC-5ppi載體填料開發(fā)。包括載體填料的材質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在凈水器中的流態(tài)、固定化微生物的特點。

（4）高負(fù)荷硝化反硝化反應(yīng)裝置的研制開發(fā)。包括符合nitrobacteria-II硝化菌優(yōu)勢生長、填料流化狀態(tài)的反應(yīng)裝置形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和曝氣系統(tǒng)，反應(yīng)器水力流態(tài)對nitrobacteria-II硝化菌篩選和分布的影響。

（5）深度脫氮技術(shù)中試研究。研究硝化—反硝化穩(wěn)定運行控制工藝參數(shù)，確定最佳氨氮負(fù)荷、最佳水力停留時間、最適溫度、溶解氧濃度、pH值范圍。

（6）城市中水深度脫氮綜合利用技術(shù)示范工程建立。針對城市中水建立一個高效深度脫氮技術(shù)示范工程： 30000m3/d城市中水綜合利用工程。

2.2技術(shù)關(guān)鍵

（1）NC-5ppi生物流化填料的成功開發(fā)。

（2）廣譜性（適于pH中性、低水溫環(huán)境）nitrobacteria-II硝化細(xì)菌的規(guī)�；囵B(yǎng)技術(shù)。

（3）ABFT工藝反應(yīng)器穩(wěn)定運行工藝控制要點。

2.3創(chuàng)新點

（1）首次開發(fā)了空隙高、化學(xué)性能穩(wěn)定的NC-5ppi生物流化填料。

（2）首次實現(xiàn)廣譜性（適于pH中性、低水溫環(huán)境）nitrobacteria-II硝化細(xì)菌的規(guī)�；囵B(yǎng)技術(shù)。

（3）實現(xiàn)大水量深度脫氮技術(shù)高效性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一。

2.4實施方案

（1）亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌群體系的構(gòu)建。運用劃線分離法分離、純化硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌，對已經(jīng)純化的亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌進行生長曲線繪制，確定亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的生長動力學(xué)參數(shù)。

（2）nitrobacteria-II硝化菌規(guī)�；瘮U培技術(shù)。通過對硝化菌生理特性的研究，控制特定的工藝條件，馴化硝化菌適應(yīng)pH中性、低溫等嚴(yán)格工藝條件，培養(yǎng)適應(yīng)pH值范圍更寬、溫度較低環(huán)境的nitrobacteria-II硝化菌，研制可調(diào)控培養(yǎng)條件的菌種規(guī)�；瘮U培設(shè)備。

（3）NC-5ppi專用填料的開發(fā)。利用微型聚氨酯發(fā)泡機進行設(shè)備改造，試驗改變添加劑和原料的配比，同時投加A催化劑，產(chǎn)出彈性好、韌度強、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、空隙率達5ppi的網(wǎng)狀填料。

（4）高負(fù)荷硝化反硝化反應(yīng)裝置的研制開發(fā)。通過nitrobacteria-II硝化菌生長特性的研究，以及載體填料實現(xiàn)流化狀態(tài)的特點，設(shè)計符合硝化菌快速繁殖的反應(yīng)裝置形狀和結(jié)構(gòu)。

（5）高效脫氮工藝穩(wěn)定運行關(guān)鍵技術(shù)。反應(yīng)器實驗室系統(tǒng)中投加nitrobacteria-II硝化菌，分別配置不同氨氮濃度和pH值的實驗進水，在不同Do、環(huán)境溫度、回流比以及不同的回流位置進行正交試驗，使用SPSS統(tǒng)計分析軟件通過多元回歸分析，確定影響nitrobacteria-II硝化菌脫氮效率的最重要因素及確定最佳的工藝控制參數(shù)。

（6）高負(fù)荷硝化反應(yīng)中試研究。運用工程化手段，進行工藝控制的放大優(yōu)化，同時應(yīng)用FLUENT流態(tài)模擬軟件指導(dǎo)中試設(shè)備的放大設(shè)計，分別研究2.5m3，25.0m3高效脫氮實驗裝置，并在次基礎(chǔ)上應(yīng)用FLUENT流態(tài)模擬軟件優(yōu)化工程化設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

（7）示范性工程建設(shè)。根據(jù)實驗研究獲得高效深度脫氮工藝控制要點及優(yōu)化設(shè)計工藝，建設(shè)示范性工程。

3 研究成果

（1）通過本項目的研究，掌握了Nitrobacteria-II硝化菌擴培技術(shù)，系統(tǒng)地獲得高效硝化反硝化工藝控制要點，處理設(shè)備及構(gòu)筑物設(shè)計參數(shù)，形成了成熟的硝化反硝化深度脫氮技術(shù)體系。Nitrobacteria-II型優(yōu)勢硝化菌種，適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強，結(jié)合載體流化、固定化微生物技術(shù)，可以適應(yīng)低堿度、低pH值的水質(zhì)環(huán)境。

（2）開發(fā)出NC-5ppi型專用填料，為網(wǎng)型寬孔高分子載體，空隙率高達97%,根據(jù)其材質(zhì)特點，載體骨架帶有氨基、羧基、羥基等大量親水性基團，通過與微生物肽鏈氨基酸相應(yīng)基團作用形成離子鍵或共價鍵結(jié)合從而將微生物、生物酶等固定在載體上，網(wǎng)狀寬孔結(jié)構(gòu)可使生物絮凝體進入載體內(nèi)部顯著提高微生物附著量，同時使得載體懸浮于水中，在曝氣作用下實現(xiàn)載體流化且所需動力明顯小于以砂、焦炭等為載體的傳統(tǒng)流化床。結(jié)合反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特點，反應(yīng)器底部進行鼓風(fēng)曝氣時，使污水、空氣和生物膜進行充分接觸傳質(zhì)，生物膜大量附著載體后能夠及時更新保持良好的活性，載體在曝氣、污水帶動下互相碰撞有效割切空氣泡成微氣泡，增加了氧氣的利用率，可減小曝氣量。因此本載體具有比表面積大、空隙率高、掛膜容易，容積負(fù)荷率高等特點，在深度脫氮應(yīng)用載體中具有明顯的優(yōu)勢。

（3）研制開發(fā)了高負(fù)荷硝化反硝化反應(yīng)裝置。 反應(yīng)裝置滿足了載體流態(tài)化、傳質(zhì)效果好，抗沖擊負(fù)荷能力強等要求。

（4）掌握了常溫及低溫條件下，應(yīng)用ABFT工藝對城市污水廠出水進行處理具有顯著的脫氮效果，最佳HRT為1.5h，氨氮負(fù)荷為0.6kgNH3-N/(m3.d)，平均NH3-N去除率高于95%。

HRT與NH3-N去除率之間的關(guān)系曲線見圖1所示。

圖1 水力停留時間與氨氮去除效率的關(guān)系曲線圖

從圖1可以看出有效水力停留時間1.5h時，NH3-N去除率仍能穩(wěn)定在95%以上。

圖2為調(diào)節(jié)進水氨氮濃度即提高氨氮負(fù)荷，氨氮氨氮去除率的變化曲線。

圖2進水氨氮濃度與氨氮去除率關(guān)系變化曲線圖

圖2顯示了進水NH3-N濃度從10.6mg/L逐漸增大至25.89 mg/L（平均氨氮負(fù)荷0.6 kg/m3.d）過程中，NH3-N去除率穩(wěn)定高于98%。

圖3和圖4為長興城市污水廠出水在秋季和冬季兩階段深度脫氮中試實驗結(jié)果，秋季常溫條件下，出水NH3-N平均濃度0.04 mg/L,平均去除率達96.9%；冬季低溫條件下，出水NH3-N平均濃度0.35 mg/L，平均去除率達95.2%。

圖3常溫條件下NH3-N去除率變化曲線圖

圖4低溫條件下NH3-N去除率變化曲線圖

（5）在浙江浙能長興發(fā)電有限責(zé)任公司建立了30000m3/d城市中水綜合利用示范工程，實現(xiàn)市政污水資源化的目標(biāo)，工程總投資2043萬元，運行成本低于0.1元/噸。

4 ABFT工藝特點

（1）耐沖擊負(fù)荷能力強，受水溫、水質(zhì)、水量變化影響小，處理效果穩(wěn)定，并可以間歇運行。溫度對其的影響明顯小于以生物轉(zhuǎn)盤或懸浮污泥層的反應(yīng)器［1］。

（2）微生物量大。采用了新型的載體—NC-5ppi型生物流化填料。這種新型載體具有比表面積大、掛膜容易、生物膜更新快等優(yōu)點。

（3）Nitrobacteria-II高效菌種，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點適應(yīng)較低水溫、pH中性的水質(zhì)環(huán)境。

（4）處理出水質(zhì)量好，運行安全可靠，可達到循環(huán)冷卻水標(biāo)準(zhǔn)或生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。本反應(yīng)器可設(shè)置多級系統(tǒng)（一般４到６級），在有效去除氨氮污染物的同時，對其它污染因子也有顯著的凈化效果。

（5）水力停留時間短，載體填料的固定化微生物技術(shù)［2］解決了氨氮降解需較長污泥齡與短水力停留時間之間的矛盾，占地面積小，較傳統(tǒng)硝化反硝化脫氮工藝減少50%空間需求。

（6）工藝流程短，網(wǎng)型寬孔載體切割氣泡效果好，氧的傳質(zhì)效率高。采用穿孔管曝氣阻力損失小，懸浮型填料流化較傳統(tǒng)流化床所需動力更小，動力消耗比傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝減少60%。

（7）調(diào)節(jié)、控制、運行操作方便，人員配置較少，減少噸水人工成本。

（8）剩余污泥產(chǎn)量很少，一般進行回流消解處理，不會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

（9）可直接在原有污水處理構(gòu)筑物（生化或沉淀池）大體結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上直接進行氨氮達標(biāo)改造。

（10）在應(yīng)用方面。同接觸氧化工藝相比，省卻了填料框架，填料投加方便；同曝氣生物濾池相比，不用進行反沖洗，降低了投資費用和運行成本，運行連續(xù)穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本項目研究的ABFT工藝系統(tǒng)氨氮處理負(fù)荷高、運行管理簡單方便、經(jīng)濟性好，既能節(jié)約基建投資、又降低了運行成本。應(yīng)進一步加強動力學(xué)理論研究，做好高氨氮去除率的機理研究。

參考文獻

［1］張自杰. 排水工程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社出版,2000.

［2］楊麒了，李小明，曾光明等.固定化微生物脫氮技術(shù)[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備, 2002.10,Vol.3 No.10 :58-60.

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