城市中水综合利用深度脱氮技术和工程示范
我国属于水资源贫弱国，长期以来水源污染未得到有效控制，水资源问题已经成为我国经济可持续发展的制约因素。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经二级城市污水厂处理的达标排放水)综合利用是环境保护、水污染防治的关键环节。
1 研究的意义
水资源问题严重影响社会、经济发展，以城市中水综合利用为主的污水资源化是保护水资源和使水资源增值的有效途径，同时也能大大地缓解我国水资源的紧缺。国家政策提倡循环经济的发展，以污(废)水资源化为代表的循环经济项目受到国家的鼓励和政策上的支持，另外环太湖流域水资源面临紧缺和污染严重、新鲜水资源限制等使得越来越多的企业利用中水作为工业补给水。根据我省制药、制革和精细化工等行业集中、多数污水处理厂排水氨氮、总磷超标的现状，城市中水综合的首要任务是深度去除氨氮污染因子。
目前国内外已在使用或已实验的污水脱氮技术主要可分为物化处理技术(如汽提、反渗透等)、生物脱氮法(生物膜法、泥法等)，较多存在投资大、运行费用高、管理困难、易产生二次污染等问题。本项目研究采用曝气生物流化床(ABFT)技术对城市污水处理厂出水进行深度脱氮处理回用补充电厂循环冷却水，该技术包括两大核心技术，一是NC-5ppi型微生物载体，二是广谱性(适于pH中性、低水温环境)Nitrobacteria-II型硝化菌种。建立了30000m3/d城市中水综合利用示范工程，投入运行后将减轻污水厂排放污水中的污染因子对太湖流域的水体影响，符合国家的节能减排政策和对太湖流域水体富营养化的严格控制要求。
2 工艺研究
2.1 主要研究内容
(1)构建硝化、亚硝化菌群体系。包括硝化细菌、亚硝化细菌的分离筛选、纯化、富集和硝化细菌、亚硝化细菌生长机制、动力学参数研究。
(2)驯化硝化菌适应pH中性、低温的生长环境，筛选、富集能适宜更宽pH范围、较低温度的nitrobacteria-II硝化菌，实现nitrobacteria-II硝化菌的规模化培养。
(3)NC-5ppi载体填料开发。包括载体填料的材质、内部结构，在净水器中的流态、固定化微生物的特点。
(4)高负荷硝化反硝化反应装置的研制开发。包括符合nitrobacteria-II硝化菌优势生长、填料流化状态的反应装置形状、内部结构和曝气系统，反应器水力流态对nitrobacteria-II硝化菌筛选和分布的影响。
(5)深度脱氮技术中试研究。研究硝化—反硝化稳定运行控制工艺参数，确定最佳氨氮负荷、最佳水力停留时间、最适温度、溶解氧浓度、pH值范围。
(6)城市中水深度脱氮综合利用技术示范工程建立。针对城市中水建立一个高效深度脱氮技术示范工程： 30000m3/d城市中水综合利用工程。
2.2技术关键
(1)NC-5ppi生物流化填料的成功开发。
(2)广谱性(适于pH中性、低水温环境)nitrobacteria-II硝化细菌的规模化培养技术。
(3)ABFT工艺反应器稳定运行工艺控制要点。
2.3创新点
(1)首次开发了空隙高、化学性能稳定的NC-5ppi生物流化填料。
(2)首次实现广谱性(适于pH中性、低水温环境)nitrobacteria-II硝化细菌的规模化培养技术。
(3)实现大水量深度脱氮技术高效性与经济性的统一。
2.4实施方案
(1)亚硝化细菌、硝化细菌群体系的构建。运用划线分离法分离、纯化硝化细菌和亚硝化细菌，对已经纯化的亚硝化细菌和硝化细菌进行生长曲线绘制，确定亚硝化细菌和硝化细菌的生长动力学参数。
(2)nitrobacteria-II硝化菌规模化扩培技术。通过对硝化菌生理特性的研究，控制特定的工艺条件，驯化硝化菌适应pH中性、低温等严格工艺条件，培养适应pH值范围更宽、温度较低环境的nitrobacteria-II硝化菌，研制可调控培养条件的菌种规模化扩培设备。
(3)NC-5ppi专用填料的开发。利用微型聚氨酯发泡机进行设备改造，试验改变添加剂和原料的配比，同时投加A催化剂，产出弹性好、韧度强、化学性质稳定、空隙率达5ppi的网状填料。
(4)高负荷硝化反硝化反应装置的研制开发。通过nitrobacteria-II硝化菌生长特性的研究，以及载体填料实现流化状态的特点，设计符合硝化菌快速繁殖的反应装置形状和结构。
(5)高效脱氮工艺稳定运行关键技术。反应器实验室系统中投加nitrobacteria-II硝化菌，分别配置不同氨氮浓度和pH值的实验进水，在不同Do、环境温度、回流比以及不同的回流位置进行正交试验，使用SPSS统计分析软件通过多元回归分析，确定影响nitrobacteria-II硝化菌脱氮效率的最重要因素及确定最佳的工艺控制参数。
(6)高负荷硝化反应中试研究。运用工程化手段，进行工艺控制的放大优化，同时应用FLUENT流态模拟软件指导中试设备的放大设计，分别研究2.5m3，25.0m3高效脱氮实验装置，并在次基础上应用FLUENT流态模拟软件优化工程化设备的结构。
(7)示范性工程建设。根据实验研究获得高效深度脱氮工艺控制要点及优化设计工艺，建设示范性工程。
3 研究成果
(1)通过本项目的研究，掌握了Nitrobacteria-II硝化菌扩培技术，系统地获得高效硝化反硝化工艺控制要点，处理设备及构筑物设计参数，形成了成熟的硝化反硝化深度脱氮技术体系。Nitrobacteria-II型优势硝化菌种，适应恶劣环境能力强，结合载体流化、固定化微生物技术，可以适应低碱度、低pH值的水质环境。
(2)开发出NC-5ppi型专用填料，为网型宽孔高分子载体，空隙率高达97%,根据其材质特点，载体骨架带有氨基、羧基、羟基等大量亲水性基团，通过与微生物肽链氨基酸相应基团作用形成离子键或共价键结合从而将微生物、生物酶等固定在载体上，网状宽孔结构可使生物絮凝体进入载体内部显著提高微生物附着量，同时使得载体悬浮于水中，在曝气作用下实现载体流化且所需动力明显小于以砂、焦炭等为载体的传统流化床。结合反应器结构特点，反应器底部进行鼓风曝气时，使污水、空气和生物膜进行充分接触传质，生物膜大量附着载体后能够及时更新保持良好的活性，载体在曝气、污水带动下互相碰撞有效割切空气泡成微气泡，增加了氧气的利用率，可减小曝气量。因此本载体具有比表面积大、空隙率高、挂膜容易，容积负荷率高等特点，在深度脱氮应用载体中具有明显的优势。
(3)研制开发了高负荷硝化反硝化反应装置。 反应装置满足了载体流态化、传质效果好，抗冲击负荷能力强等要求。
(4)掌握了常温及低温条件下，应用ABFT工艺对城市污水厂出水进行处理具有显著的脱氮效果，最佳HRT为1.5h，氨氮负荷为0.6kgNH3-N/(m3.d)，平均NH3-N去除率高于95%。
HRT与NH3-N去除率之间的关系曲线见图1所示。
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图1 水力停留时间与氨氮去除效率的关系曲线图
从图1可以看出有效水力停留时间1.5h时，NH3-N去除率仍能稳定在95%以上。
图2为调节进水氨氮浓度即提高氨氮负荷，氨氮氨氮去除率的变化曲线。
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图2进水氨氮浓度与氨氮去除率关系变化曲线图
图2显示了进水NH3-N浓度从10.6mg/L逐渐增大至25.89 mg/L(平均氨氮负荷0.6 kg/m3.d)过程中，NH3-N去除率稳定高于98%。
图3和图4为长兴城市污水厂出水在秋季和冬季两阶段深度脱氮中试实验结果，秋季常温条件下，出水NH3-N平均浓度0.04 mg/L,平均去除率达96.9%;冬季低温条件下，出水NH3-N平均浓度0.35 mg/L，平均去除率达95.2%。
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图3常温条件下NH3-N去除率变化曲线图
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图4低温条件下NH3-N去除率变化曲线图
(5)在浙江浙能长兴发电有限责任公司建立了30000m3/d城市中水综合利用示范工程，实现市政污水资源化的目标，工程总投资2043万元，运行成本低于0.1元/吨。
4 ABFT工艺特点
(1)耐冲击负荷能力强，受水温、水质、水量变化影响小，处理效果稳定，并可以间歇运行。温度对其的影响明显小于以生物转盘或悬浮污泥层的反应器。
(2)微生物量大。采用了新型的载体—NC-5ppi型生物流化填料。这种新型载体具有比表面积大、挂膜容易、生物膜更新快等优点。
(3)Nitrobacteria-II高效菌种，结合结构特点适应较低水温、pH中性的水质环境。
(4)处理出水质量好，运行安全可靠，可达到循环冷却水标准或生活杂用水水质标准。本反应器可设置多级系统(一般4到6级)，在有效去除氨氮污染物的同时，对其它污染因子也有显著的净化效果。
(5)水力停留时间短，载体填料的固定化微生物技术解决了氨氮降解需较长污泥龄与短水力停留时间之间的矛盾，占地面积小，较传统硝化反硝化脱氮工艺减少50%空间需求。
(6)工艺流程短，网型宽孔载体切割气泡效果好，氧的传质效率高。采用穿孔管曝气阻力损失小，悬浮型填料流化较传统流化床所需动力更小，动力消耗比传统硝化/反硝化工艺减少60%。
(7)调节、控制、运行操作方便，人员配置较少，减少吨水人工成本。
(8)剩余污泥产量很少，一般进行回流消解处理，不会对环境产生二次污染。
(9)可直接在原有污水处理构筑物(生化或沉淀池)大体结构不变的基础上直接进行氨氮达标改造。
(10)在应用方面。同接触氧化工艺相比，省却了填料框架，填料投加方便;同曝气生物滤池相比，不用进行反冲洗，降低了投资费用和运行成本，运行连续稳定。
5 结语
本项目研究的ABFT工艺系统氨氮处理负荷高、运行管理简单方便、经济性好，既能节约基建投资、又降低了运行成本。应进一步加强动力学理论研究，做好高氨氮去除率的机理研究。
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