丝绸厂汰头废水脱氮试验研究

[摘要] 针对丝绸厂汰头废水高有机物浓度高氮的特点，对SBBR反应器高效脱氮技术进行了系统研究，考察了负荷、DO、温度及碳源投加对反应器脱氮效能的影响，获得了控制反应器高效同步硝化反硝化脱氮的关键工况参数。试验结果表明：SBBR反应器在挂膜密度为35％、DO为6.5mg/L、有机负荷为0.3kgBOD5/m3•d，氮负荷为0.6kgN/m3•d条件下，表现出显著的同时硝化反硝化能力，可使出水NH4+-N浓度降为1.09mg/L，TN降为16.76mg/L，去除率分别为98％和 88.5％。

[关键词] 汰头废水 生物脱氮 SBBR

1 引言

丝绸厂丝车间将蚕茧抽丝后剩下的蛹衬及其内部的蚕蛹称为汰头[1]。汰头废水来源于制丝副产品薄皮茧的烧碱浸泡、蛹衬剥离及汰头丝漂洗过程[2]，废水中主要含有丝胶蛋白、蛹蛋白、蛹油、茧、蛹碎屑，脂肪酸及无机盐等物质，其CODcr为12000~15000mg/L，TN为700~900mg/L，PO43-为100~120mg/L，具有高有机物浓度高氮高磷的特征。

目前，对汰头废水的处理工艺主要有酸析-生态处理工艺[1]；UASB-兼氧-好养工艺[3]；复合聚硅酸金属盐酸性混凝工艺[4]；厌氧―活性污泥法工艺[5]等，主要针对有机物的去除，而对汰头废水脱氮方面的研究尚未见报道。

针对汰头废水的水质特征，对该废水的对SBBR反应器高效脱氮技术进行了系统研究，探讨了负荷、DO、温度及碳源投加对反应器脱氮效能的影响，获得了控制反应器高效同步硝化反硝化脱氮的关键工况参数的影响。拟寻求适合汰头废水的高效脱氮的途径，为丝绸厂汰头废水的处理提供科学依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验装置

试验采用SBBR反应器进行生物脱氮，其有效容积为3L, 内设半软性填料，由充氧泵经砂芯曝气充氧，试验装置见图1。

1.2 试验方法

1.2.1 汰头废水脱氮工艺处理效能研究

试验废水取自某丝绸厂，水质见表1。

试验采用平行试验和阶段试验相结合的方法。在反应器启动阶段，将培养成熟的活性污泥加入各反应器进行挂膜，挂膜期间反应器运行工况为：进水0.2h－曝气23h－排水和闲置0.8h，控制有机负荷为1.0kgBOD5/m3•d，DO为6.0~7.0mg/l左右，温度20℃左右。待反应器运行稳定后进行以下研究。

1.2.2 SBBR反应器处理效能的影响研究

本试验主要考察在3种不同工况下的脱氮效果，具体为：(1)有机负荷对SBBR反应器处理效能的影响研究; (2) DO对反应器处理效能的影响研究; (3)温度对反应器处理效能的影响研究。

试验中各反应器进水水质见表2。

2 试验结果及分析

2.1 有机负荷对SBBR反应器处理效能影响研究

由图2～图4可知，负荷对丝绸废水脱氮影响显著。随曝气时间的增加，NH4+-N浓度显著降低，TN浓度缓慢降低。当有机负荷为0.3kgBOD5/m3•d，对应氮负荷为0.6kgN/m3•d时，出水NH4+-N、TN浓度分别为1.096 mg/L，16.76mg/L，二者去除率分别为98％、88.5％，平均反硝化速率达到最大值9.88 gN/m3•h。而当有机负荷分别为0.4kgBOD5/m3•d和0.5kgBOD5/m3•d，对应氮负荷分别为0.8kgN/m3•d和1.0 kgN/m3•d时，NH4+-N去除率分别为55.33％和77.31％，TN去除率分别为48.07％和70.8％，随负荷的升高，去除率明显下降。

试验结果表明：在有机负荷为0.2～0.3 kgBOD5/m3•d，对应氮负荷为0.4～0.6 kgN/m3•d时，生物膜反应器对丝绸废水中的氮去除具有较高的效能，NH4+-N、TN出水TN浓度均能达标。分析原因认为：反应器内发生了明显的同时硝化反硝化现象（SND）。有关文献[6~7]表明，在生物膜反应器中，生物膜内可以存在缺氧区，硝化在有氧的膜上发生，反硝化同时在缺氧的膜上发生。由于氧扩散的限制，在微生物絮体内产生DO梯度从而导致微环境的SND。本试验反应器生物膜外表面DO较高，以好氧硝化菌为主；深入膜内部，氧传递受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧区，反硝化菌占优势，从而形成SND。另一方面，微生物絮体的结构特征即微生物絮体粒径及密实度的大小等也会影响SND。微生物絮体粒径及密实度的大小不仅直接影响絮体内部好氧区与缺氧区比例的大小，还会影响絮体内部物质的传质效果，进而影响絮体内部微生物对有机底物及营养物质获取的难易程度。由于本试验反应器内生物膜相当厚实，使氧的传质局限在一定范围内，故而在生物膜内部形成了良好的缺氧环境，为同步硝化反硝化提供了条件。但是当反应器有机负荷较高时，会抑制自养硝化菌的活性，使反应器的硝化能力下降，从而最终导致反应器脱氮效能的下降。因此，只有将有机负荷控制在适当的范围内，反应器才能体现出较高的脱氮效能。就本试验来说，有机负荷宜控制在0.3kgBOD5/m3•d。

2.2 DO对SBBR反应器处理效能影响研究

由图5～图7可知，NH4+-N和TN的出水浓度随DO浓度的变化而变化。在5 mg/L、6.5 mg/L和8mg/L 3种DO浓度条件下，NH4+-N出水浓度分别为56.38mg/L、9.92mg/L和4.37mg/L，去除率分别为82.54％、96.9％和98.64％；TN出水浓度分别为70.8mg/L、18.13mg/L和31.87mg/L，去除率分别为57.44％、95.83％和91.3％。反应器出现明显的同时硝化反硝化现象。

试验结果表明，DO浓度对脱氮影响较显著。在DO为5mg/L时，出水NH4+-N和TN浓度较高。分析认为，由于反应器中生物膜较厚实，在DO浓度相对较小，氧的传质能力较低，试验中观察到此时生物膜上的微生物发黑，形成较大面积的缺氧层，影响了硝化菌生长，由于硝化效能低而影响了总氮的去除。

当DO为6.5mg/L时，反应器具有良好的脱氮效果。分析认为在此DO浓度下，形成了比例适当的好氧层和缺氧层。一方面能提供硝化菌所需的电子供体－氧气，为硝化反应提供良好条件；另一方面，DO浓度适当，生物膜内部形成充足的缺氧区，使反硝化得以高效进行。此时，反应器的平均硝化速率为10.71gN/m3•h，反硝化速率为15.01gN/m3•h。

当DO为8mg/L时，由于DO相对较高，氧的传质能力较强，所以在生物膜内部形成的缺氧区较小或只能在较少数的生物膜内部形成缺氧层，反硝化能力较弱；另外，由于DO太高，好氧层中的异养好氧菌活力很强，能将有机物进行快速彻底降解，所以即使在部分生物膜内部能形成缺氧区，也会由于有机物的供应不足而降低反硝化能力。

综上所述，反应器只有保持适当的DO水平，才能使生物膜形成比例适当的好氧层和缺氧层，为硝化和反硝化创造条件，提高脱氮效果，同时节约曝气所需的能源。

2.3 温度对SBBR反应器处理效能影响研究

由图8～图11可知，在20℃和30℃的温度下，负荷为0.3kgBOD5 /m3•d，反应器的出水NH4+-N浓度分别为9.21mg/L和5.32mg/L，去除率分别为97.14％和98.12％；TN浓度分别为18.21mg/L和16.52mg/L，去除率分别为95.81％和96.2％。在冬季低温（5℃～8℃）条件下，容积负荷为0.15kgBOD5/m3•d，反应器经曝气24小时，NH4+-N浓度为34.3mg/L，TN浓度为69mg/L。

试验结果表明，水温对脱氮有较显著影响。当温度为20℃～30℃时，反应器可承受0.3kgBOD5/m3•d的有机负荷及0.6kgN/m3•d的氮负荷，在此负荷下反应器均具有稳定的脱氮能力，出水NH4+-N和TN均达到污水综合排放标准。进入冬季后，反应器的脱氮效能降低，在水温为5℃～8℃条件下，反应器的有机负荷降为0.15kgBOD5/m3•d，对应氮负荷为0.12kgN/m3•d时，反应器出水NH4+-N、TN浓度均较高。据文献报道[8]，硝化反应的最适温度为20℃～30℃，而反硝化的最适温度为20℃～40℃。温度低于15℃时，反硝化菌的增殖速率降低，代谢速率也降低，从而降低了反硝化速率。反应器在较低温度5℃～8℃运行时，反应器内硝化菌与反硝化菌的活性均受到一定程度的影响，使反应器脱氮效能大大降低。

3 结论

3.1 负荷影响试验结果表明，在温度为20℃，有机负荷为0.3kgBOD5/m3•d，氮负荷为0.6kgN/m3•d，曝气12h条件下，出水NH4+-N浓度降为1.096mg/L，TN降为16.76mg/L，去除率分别为98％和88.5％。SBBR反应器表现出较显著的同时硝化反硝化能力。

3.2 DO影响试验结果表明，当DO为6.5mg/L时，能构建出良好的同时硝化反硝化微环境，反应器具有较高的硝化和反硝化速率，分别为10.71gN/m3•h和 15.01gN/m3•h。

3.3 温度影响试验结果表明，温度对脱氮有较显著影响。当温度为20℃～30℃时，反应器可承受0.3kgBOD5/m3•d的有机负荷及0.6kgN/m3•d的氮负荷，反应器具有稳定的脱氮能力，出水NH4+-N和TN均达到污水综合排放一级标准。

参考文献

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[2] 王浙明, 韩新伟, 史惠祥. 厌氧-A/O接触氧化工艺处理丝厂高浓度有机废水[J]. 工业水处理, 2002, 22(1):52~54.

[3] 诸葛斌, 张一波. 绢纺废水处理工程设计运行的问题及改进[J]. 辽宁城乡环境科技, 2002,22(6):44~46.

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[8] 李贤圣等.生物膜法同步硝化反硝化脱氮效果研究[D].昆明理工大学硕士学位论文.