近年來，國內外對SHARON工藝、SND(同步硝化反硝化)等新型脫氮工藝的機理及實驗室研究較多，但由于溫度、溶解氧等控制參數(shù)要求苛刻，工程應用仍鮮見報道。  

氣升環(huán)流反應器由于其結構簡單、占地面積小、能耗低、無需機械攪拌等特點，在生物、化工領域應用廣泛，其在水處理領域的應用與研究也逐步展開。但其受高徑比設計方式單一和曝氣方式等因素的限制，使得目前氣升式環(huán)流反應器用于實際工程的很少。  

本項目將總容積為3400m3的多導流筒氣升環(huán)流反應器應用于處理規(guī)模為1800m3/d的高NH4+-N豆制品廢水處理工程改造，取得了良好的效果。反應器高為15m，直徑為17m，占地面積約254m2(含基礎面積)，內含204根導流筒，反應器總高徑比＜1，反應器連續(xù)進水，實現(xiàn)了同步硝化反硝化，幾乎無NO2-與NO3-積累，TN去除率最高達98．8%，出水COD、NH4+-N等指標均達標。  

1工程概況  

杭州某豆制品廠在大豆煮漿、深加工等生產(chǎn)各類豆制品的過程中產(chǎn)生1800m3/d高COD、高有機氮廢水，原有設計水量為1500m3/d的調節(jié)池+UASB的廢水處理系統(tǒng)出水水質已不能達到當?shù)亍段鬯湃氤擎?zhèn)下水道水質標準》(CJ343—2010)，必須進行改造。  

原系統(tǒng)運行情況及排放標準如表1所示。  

原廢水處理系統(tǒng)中UASB反應器在水溫為(37±1)℃、容積負荷為4～6kgCOD/(m3·d)條件下，對COd的去除率穩(wěn)定在90%以上，厭氧出水COD為800～1000mg/L，VFA(揮發(fā)性脂肪酸)為3～5mmol/L，CaCO3堿度為4200mg/L左右，沼氣產(chǎn)量為6000～7000m3/d。原UASB反應器對NH4+-N、有機氮幾乎沒有去除效果，UASB出水NH4+-N高達210～270mg/L。由于廠區(qū)用地緊張，環(huán)保可用地僅為約360m2，新增的好氧系統(tǒng)需能去除廢水中殘余COd并脫氮。  

2多導流筒氣升內循環(huán)反應器結構原理  

采用自行開發(fā)的多導流筒氣升環(huán)流反應器，工作微元示意見圖1。反應器內部包含204個工作微元，罐體為鋼結構，內涂環(huán)氧樹脂防腐，總高為15m，直徑為17m，總容積為3400m3，有效容積為3000m3，占地面積為227m2，微孔曝氣軟管伸入導流筒頂端約1m，曝氣使導流筒內含氣率升高，與筒外形成密度差，使反應器內沿導流筒自發(fā)形成內循環(huán)，內循環(huán)量與表觀氣速、降流區(qū)總直徑等因素有關。反應器采用PLC控制器自動控制連續(xù)進水、間歇曝氣、間歇出水，曝氣、沉淀、出水時間均可在中控計算機或現(xiàn)場觸摸屏調節(jié)，自動化程度高，運行過程與CASS(循環(huán)式活性污泥法)工藝類似，但無需污泥回流設備，并有大比例回流稀釋，反應器耐沖擊能力更強。反應器沉淀時表面負荷為0．33m3/(m2·h)，連續(xù)進水對沉淀過程中泥水分離幾乎沒有影響。  

利用變頻技術及調整曝氣支管上的蝶閥開度來控制溶解氧。在曝氣區(qū)，異養(yǎng)菌利用氧氣將廢水中可降解有機物氧化為CO2和H2O，硝化菌將NH4+-N氧化為NO2--N或NO3--N，廢水循環(huán)向下至底部與原水混合時呈缺氧狀態(tài)，菌膠團中的反硝化細菌利用原水中的COd為碳源，將NO2--N、NO3--N反硝化為N2，剩余的COd和NH4+-N沿導流筒向上進入好氧區(qū)，實現(xiàn)整個反應器中的同步硝化反硝化。由于沒有NO2--N、NO3--N的積累，在沉淀期內也不會因為反硝化產(chǎn)生N2影響沉淀功能。底部缺氧區(qū)在沉淀時起到了污泥選擇器的作用，能有效抑制污泥膨脹。反應器穩(wěn)定運行時，采用較低的污泥負荷，污泥齡長，有利于硝化細菌的富集，且剩余污泥量少。反應器主體與配套設備的主要參數(shù)如表2所示。  

3多導流筒氣升內循環(huán)反應器的啟動運行  

3.1反應器的啟動  

罐體試水和設備調試后，開始啟動多導流筒氣升內循環(huán)反應器。由于前段有中溫UASB反應器，好氧反應器接納廢水常年穩(wěn)定在28～35℃，此溫度條件有利于培菌。  

采用接種少量污泥方式啟動。將原水注入反應器至工作高度，悶曝72h，COd濃度從11200mg/L降至4800mg/L后，向反應器內投加含水率為90%的好氧壓濾污泥約8t，反應器初始MLSS為260mg/L左右。根據(jù)控制污泥負荷的不同，將培菌過程分為異養(yǎng)菌培養(yǎng)與硝化菌培養(yǎng)兩個階段。  

在溫度適宜、溶解氧充足和較高的污泥負荷等條件下，異養(yǎng)菌能夠利用廢水中的COd和氧氣快速增殖，表現(xiàn)在反應器內MLSS持續(xù)增長，COd含量逐步下降。采用超越部分原水的方式補充好氧反應器的碳源，用于異養(yǎng)菌的培養(yǎng)與反硝化。異養(yǎng)菌培養(yǎng)期反應器內COD、MLSS的濃度隨時間的變化關系如圖2所示。接種污泥對豆制品廢水適應良好，反應第二天廢水的COd濃度從4800mg/L降至3500mg/L，由于接種污泥量太低，反應器內有機負荷過高，導致活性污泥粘性物質增多，反應器產(chǎn)生大量白色泡沫，現(xiàn)場采用降低反應器液位、噴淋消泡等手段消除泡沫影響，并保持曝氣充足，在第三天泡沫消失。前9天反應器污泥負荷始終在1kgCOD/(kgMLSS·d)以上，9天后超越部分原水至反應器以維持此污泥負荷，有利于異養(yǎng)菌快速生長。經(jīng)過14天的培養(yǎng)，反應器內COd濃度降至400mg/L以下，MLSS升高至1500mg/L以上。  

較高的污泥負荷滿足了異養(yǎng)菌快速增殖的條件，但是不利于硝化菌的生長。從第15天開始向反應器內逐步減少原水的超越量，增加厭氧處理出水量，厭氧出水COd濃度為800～1400mg/L、NH4+-N濃度為185～270mg/L，污泥有機負荷控制在0．2kgCOD/(kgMLSS·d)左右。此工況運行情況如圖3所示。  

初期MLSS呈緩慢上升趨勢，但較長時間低負荷運行，至第25天時MLSS開始下降，而NH4+-N去除率也在此階段上升至50%，表明在較低污泥負荷下，氨氧化菌增殖至一定數(shù)量。到第30天時，增大進水量至設計水量并超越部分原水，污泥負荷升至0．5kgCOD/(kgMLSS·d)，污泥濃度和NH4+-N去除率分別穩(wěn)定上升至3947mg/L和96．8%。為維持反應器內污泥濃度穩(wěn)定，降低原水的超越量，將污泥負荷控制在0．25～0．35kgCOD/(kgMLSS·d)，MLSS穩(wěn)定在3000～3500mg/L，反應器進入正常運行階段。  

3.2反應器的運行分析  

經(jīng)過近400天的穩(wěn)定運行，反應器的最終運行工況為:處理水量為1800m3/d，進水COd濃度為800～1000mg/L，NH4+-N濃度為185～270mg/L，水溫為(31±3)℃，反應器曝氣190min，沉淀與排水50min，曝氣時反應器上層DO值維持在1．5～2．5mg/L，底部溶解氧濃度為0．5～1mg/L，沉淀時DO值約為0．5mg/L，污泥濃度控制在3000～3500mg/L，污泥齡約為45d，有機污泥負荷維持在0．16～0．2kgCOD/(kgMLSS·d)，NH4+-N污泥負荷約為0．05kgNH4+-N/(kgMLSS·d)，C/N約為4，對COD、NH4+-N的去除率分別為70%、95%，反應器最大氨氧化速率為6．25mgNH4+-N/(L·h)。在曝氣與沉淀階段，廢水中NO2--N、NO3--N均小于0．5mg/L，絕大部分時間未檢出，證明反應器中進行著同步硝化反硝化，TN去除率約為98%。  

氣升內循環(huán)反應器運行時功率密度為29．7W/m3，總運行功率約為1884kW，平均電耗為0．84元/m3、人工費為0．2元/m3、污泥處理費為0．2元/m3，無藥劑費用，直接運行費用約為1．24元/m3，整個廢水處理系統(tǒng)中好氧部分單位處理水量的占地面積為0．126m2/m3。  

4總結與討論  

①采用17m×15m的多導流筒氣升內循環(huán)反應器處理1800m3/d豆制品廢水厭氧處理出水，經(jīng)過50余天的調試，反應器達到設計要求，穩(wěn)定運行階段出水COD≤350mg/L、NH4+-N≤10mg/L、TN≤10mg/L，均滿足當?shù)亍段鬯湃氤擎?zhèn)下水道水質標準》(CJ343—2010)，氨氧化速率最高為6．25mgNH4+-N/(L·h)，對總氮、氨氮去除率最高達98．8%，遠優(yōu)于標準要求。  

②反應器曝氣階段和沉淀階段反應器內NO2--N、NO3--N濃度均小于0．5mg/L，屬于同步硝化反硝化過程。推測原因為反應器內部由氣提形成好氧/缺氧區(qū)并有大比例回流，但不排除微環(huán)境理論與好氧反硝化菌的作用，有待進一步驗證。  

③反應器單位處理水量占地面積為0．126m2/m3，占地面積小，采用普通風壓風機曝氣，處理費用為1．24元/m3，反應器內部結構簡單，無傳動部件，自動化程度高，運行穩(wěn)定，可在用地面不足的情況下使用。  

④此項目將氣升式環(huán)流反應器成功應用于工業(yè)規(guī)模的廢水脫氮處理工程，應進一步對反應器總氣含率、循環(huán)流量、傳質效果等進行研究，對反應器優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。另外，與MBR膜出水方式結合，實現(xiàn)反應器的連續(xù)進出水運行，用于市政污水脫氮除磷，也是進一步研究的重點。

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