青銅峽市第一污水處理廠是主要負(fù)責(zé)青銅峽市城區(qū)生活污水處理的任務(wù)，處理水量3萬噸/天，該污水處理廠已運(yùn)行約20年。由于部分水處理設(shè)備老化嚴(yán)重、自控程度低，當(dāng)前運(yùn)行狀況已不能滿足環(huán)保需求，因此2022年開始對(duì)該污水廠進(jìn)行改造。工程內(nèi)容分技術(shù)提升工藝、改造和新建三部分，其中技術(shù)提升工藝：將原本的“氧化溝”工藝改造為“MBBR”工藝，并增加“反硝化深床濾池”深度處理工藝；改造部分：粗格柵及提升泵房、細(xì)格柵及曝氣沉砂池、氧化溝、終沉池、污泥脫水間、加氯間、加藥間和送水泵房；新建部分包括：污水提升泵池、鼓風(fēng)機(jī)房、污泥泵池、反硝化深床濾池車間及巴氏計(jì)量渠，沃爾德斯主要負(fù)責(zé)新建部分的反硝化深床濾池設(shè)備整體方案的實(shí)施。
青銅峽市第一污水處理廠鳥瞰圖
在此基礎(chǔ)上，沃爾德斯聯(lián)合合肥工業(yè)大學(xué)陳天虎教授課題組成功研發(fā)出“氮曲·自養(yǎng)反硝化濾池”技術(shù)，并在青銅峽市第一污水處理廠完成了一個(gè)千噸級(jí)處理規(guī)模的中試驗(yàn)證。
中試介紹
1、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介
設(shè)備為一體化集裝箱，設(shè)計(jì)最大流量1000 m3/d，濾速：4.6 m/h，平均停留時(shí)間：24 min，設(shè)計(jì)硝酸鹽氮負(fù)荷約：0.6 kg/(m3·d)。該設(shè)備共設(shè)有三格填料區(qū)，濾池尺寸為1m（L）×3m（B）×3m（H），下部為濾磚及承托板，高度為0.32 m。此外，反洗水強(qiáng)度25m3/（m2·h），反洗氣強(qiáng)度45 m3/（m2·h）。
中試設(shè)備圖
2、調(diào)試運(yùn)行
濾池內(nèi)設(shè)備調(diào)試主要有反沖洗鼓風(fēng)機(jī)、水泵、閥門、儀表和加藥泵等。調(diào)試前檢查儀表、設(shè)備的電源接線、接地等正確后首次啟動(dòng)采用點(diǎn)動(dòng)方式，再次檢查設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)方向準(zhǔn)確性、設(shè)備無碰及后正常啟動(dòng)。
中試自養(yǎng)反硝化平臺(tái)運(yùn)行實(shí)況圖
首先，進(jìn)行污泥接種，共3天。接種污泥含水量為97%，按1000 g/m3濃度接種，48h內(nèi)日停止進(jìn)水，浸泡污泥兩天，期間換水一次，每天曝氣混勻5min，使污泥分布更均勻。
其次，低負(fù)荷運(yùn)行，共7天。啟動(dòng)濾池運(yùn)行，采用逐步提高進(jìn)水量的方式連續(xù)運(yùn)行，培養(yǎng)微生物膜。期間進(jìn)水量由單格2.75m3/h，逐步提高到11m3/h。期間反沖洗周期設(shè)置為1周/次，或運(yùn)行中濾池堵塞導(dǎo)致高液位時(shí)反洗。反沖洗參數(shù)設(shè)置為反沖洗氣強(qiáng)度為60m3/m2?h，反沖洗水強(qiáng)度為15m3/m2?h；反洗時(shí)間為氣洗5min，氣水聯(lián)合清洗5min，水洗5min。當(dāng)監(jiān)測(cè)到濾池脫除超過1.2kg/m2的硝酸鹽界限時(shí)，開始驅(qū)氮。開始監(jiān)測(cè)進(jìn)出水硝酸鹽氮濃度，進(jìn)出水pH、DO、溫度等參數(shù)。
再次，提高負(fù)荷運(yùn)行，共15天。單格濾池進(jìn)水流量提高至11m3/h后穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，期間反沖洗周期設(shè)置為2天/次，反沖洗強(qiáng)度不變，反沖洗時(shí)間為氣洗5min，氣水聯(lián)合清洗10min，水洗5min。驅(qū)氮頻率為4-8h/次，一次反水洗2min。因水廠處于改造過程中，來水水質(zhì)懸浮物高，濾池因截留大量懸浮物而容易造成阻塞導(dǎo)致濾池高頻反沖洗。因此沖洗周期短，對(duì)濾池穩(wěn)定運(yùn)行的影響較大，同時(shí)在一定程度上也影響了微生物掛膜速度，同時(shí)過量反沖洗也容易將生物膜摩擦掉隨廢水排走，對(duì)水質(zhì)處理效果有一定影響。監(jiān)測(cè)進(jìn)出水硝酸鹽氮濃度，進(jìn)出水pH、DO、ORP、進(jìn)出水TN、進(jìn)出水TN、進(jìn)出水TP、進(jìn)出水COD、進(jìn)出水亞硝酸鹽氮、溫度等參數(shù)。期間因進(jìn)水水質(zhì)差導(dǎo)致停水，無法進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，運(yùn)行日期略過。
最后，提高進(jìn)水量至最大流量，單格14m3/h，連續(xù)運(yùn)行，共10天。期間反沖洗周期設(shè)置為24-48h/次，反洗時(shí)間和強(qiáng)度不變，驅(qū)氮頻率2-4h/次，一次反水洗2min。探索最短停留時(shí)間的去除效果。監(jiān)測(cè)進(jìn)出水硝酸鹽氮濃度、進(jìn)出水pH、DO、ORP、進(jìn)出水TN、進(jìn)出水TP、進(jìn)出水COD、進(jìn)出水亞硝酸鹽氮、溫度等參數(shù)。
3、數(shù)據(jù)分析
氮曲·自養(yǎng)反硝化濾池進(jìn)出水硝酸鹽氮圖
本次中試主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為進(jìn)出水硝酸鹽氮，實(shí)驗(yàn)天數(shù)從啟動(dòng)期開始計(jì)時(shí)。如上圖所示，為進(jìn)出水硝態(tài)氮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。硝酸鹽氮在第5天有明顯去除現(xiàn)象，之后保持平穩(wěn)，這意味著該設(shè)備具有啟動(dòng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)。
進(jìn)水硝酸鹽氮濃度范圍0.6-21 mg/L，硝酸鹽氮平均去除個(gè)數(shù)為11.6 mg/L，其平均去除率分別為76%，平均硝酸鹽氮負(fù)荷分別為0.892 kg/(m3·d)，最大硝酸鹽氮負(fù)荷為1.275 kg/(m3·d)。在去除總氮方面，出水總氮均穩(wěn)定在15 mg/L以下，且平均去除量為11.12 mg/L。
4、中試小結(jié)
（1）從中試過程的數(shù)據(jù)看出，設(shè)計(jì)能力為41.6 m3/h的中試設(shè)備，在滿負(fù)荷的條件下，停留時(shí)間20min左右，調(diào)試期為30天，最佳出水可穩(wěn)定在：COD≤45mg/L，TN≤15mg/L，平均出水總氮濃度為7.05mg/L，平均TN去除量為11.12mg/L。通過中試試驗(yàn)獲得的運(yùn)行數(shù)據(jù)判定自養(yǎng)濾料完全適用于反硝化深床濾池池型模式。
（2）平均硝酸鹽氮最大去除個(gè)數(shù)11.6mg/L，最大去除率為76%，出水硝酸鹽氮穩(wěn)定在7mg/L以下。硝酸鹽氮負(fù)荷范圍為0.30kg/（m3?d）~0.70kg/（m3?d）。進(jìn)水硝酸鹽氮濃度越高，去除效果越好。
（3）反應(yīng)器運(yùn)行到1個(gè)月后，經(jīng)表征分析濾池內(nèi)各濾料表面均附著了微生物，并且微生物多樣性群落中Thiobacillus，Sulfurimonas、Sulfuricurvum占據(jù)主要優(yōu)勢(shì)，以上菌屬都具有硫自養(yǎng)反硝化功能，證明濾池內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌種確為硫自養(yǎng)型微生物。因此能夠在不投加碳源的情況下，發(fā)揮自養(yǎng)反硝化脫氮效能。
5、其他附圖
濾池經(jīng)過投加污泥馴化后進(jìn)行微生物培養(yǎng)，運(yùn)行1個(gè)月后，采集三格濾池內(nèi)生物濾料樣品，送至中科百測(cè)進(jìn)行SEM測(cè)試。從SEM圖中可以發(fā)現(xiàn)濾料表面附著大量有效顆粒物質(zhì)成分，可以看出2號(hào)濾料相比于1號(hào)和3號(hào)濾料表面孔隙率較高，3號(hào)濾料表面相對(duì)平滑。
SEM掃描電鏡圖
同時(shí)在放大后發(fā)現(xiàn)表面附著生長(zhǎng)的細(xì)菌，形態(tài)主要是單個(gè)的短狀桿菌。主要功能菌屬Thiobacilhus（硫桿菌屬）的菌種通常在0.5×1.0~4.0um大小，成單生、成對(duì)或斷鏈形態(tài)，由此說明濾料中有效成分能夠作為硫自養(yǎng)反硝化菌種電子供體，供其生長(zhǎng)繁殖，從而具有能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水質(zhì)中硝酸鹽氮的去除作用。
本項(xiàng)目微生物多樣性群落Circos圖，分析發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器運(yùn)行到1個(gè)月后濾池內(nèi)的微生物多樣性群落中Thiobacillus，Sulfurimonas、Sulfuricurvum占據(jù)主要優(yōu)勢(shì)，以上菌屬都具有硫自養(yǎng)反硝化功能，證明濾池內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌種確為硫自養(yǎng)型微生物。
微生物多樣性群落Circos圖
同時(shí)在1號(hào)中發(fā)現(xiàn)Desulfocapsa脫硫菌屬，相對(duì)豐度為1%，2號(hào)中發(fā)現(xiàn)Desulfurivibrio脫硫弧菌屬相對(duì)豐度為5%，和Desulfocapsa脫硫菌屬相對(duì)豐度為2%，二者屬于硫酸鹽還原菌，可以利用有機(jī)物將硫酸鹽進(jìn)行還原，因系統(tǒng)中產(chǎn)生硫酸鹽產(chǎn)物因此富集，說明2號(hào)硫酸鹽產(chǎn)生量多，由此說明硝酸鹽氮的去除效果相對(duì)好。
1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)濾池內(nèi)均富集了Ferritrophicum菌屬，相對(duì)豐度分別為1%，2%，1%。因各濾料內(nèi)有效成分都添加了硫鐵礦，摻入會(huì)富集Ferritrophicum，這類微生物既可以利用單質(zhì)硫又可以利用亞鐵離子作為電子供體進(jìn)行反硝化作用。
微生物種群屬分布圖
6、經(jīng)濟(jì)效益分析
通過參數(shù)計(jì)算，青銅峽1#、2#池平均處理水量1.5萬噸/天，每組池容約脫除△TN為6mg/L，日總脫氮量90kg，噸水運(yùn)行成本約0.1142元；
若采用異養(yǎng)反硝化深床濾池，當(dāng)△TN為6mg/L時(shí)，噸水運(yùn)行成本約0.2554元（按25%乙酸鈉溶液計(jì)，1400元/噸，投加比例按7.6: 1計(jì)）；
Q=15000m3/d、△TN=6mg/L時(shí)，自養(yǎng)濾池年運(yùn)行費(fèi)用62.55萬元；
Q=15000m3/d、△TN=6mg/L時(shí)，異養(yǎng)反硝化深床濾池年運(yùn)行費(fèi)用139.81萬元；
每年節(jié)省運(yùn)維費(fèi)用77.26萬元，即年節(jié)省直接運(yùn)維成本55.26%；2年左右收回前期所有投入成本，即從第二年末開始盈利，前5年累計(jì)盈利200萬元以上。
