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用总有机碳 TOC 方法优化营养物去除工艺(总磷总氮)

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【背景分析】

难题:饮用水中的硝酸盐 

       美国环保局(EPA)乃至公众担心饮用水中的营养物质(总磷总氮)含量过高,会危及公共健康,这就使得水处理厂必须改进处理工艺。对致力于满足法规规定的氮含量限值的水处理厂来说, 如何降低来自径流、肥料、污水、发电厂、化学品 厂的含氮化合物的浓度始终是个难题。当饮用水中的含氮量过高时,配水系统就会被富营养化,成为细菌的滋生地。硝酸盐危害婴儿、孕妇、酶缺乏症患者的健康,降低他们的血液送氧能力 1,2。美国环保局规定的饮用水中的硝酸盐浓度限值为 10 ppm, 亚硝酸盐浓度限值为 1 ppm 2。工农业生产的废物和人类的排泄物排放到环境中,地表水和地下水中的硝酸盐含量越来越高,例如在美国加州的地下水井中就检测到高浓度的硝酸盐。因此,脱硝(脱氮) 就成为水处理工艺的一个重要环节。

方法:生物脱硝 

       脱硝是通过添加碳源(也称为电子供体,例如源流中的甲醇、乙醇、MicroC®、乙酸、糖浆、碳等), 将硝酸盐还原成氮气的过程 3。生物脱硝是其中一 种脱硝方法,就是用厌氧细菌来消化碳源,从而降低硝酸盐含量 3。与常规过滤和泥浆脱硝相比,生物脱硝有诸多优点,例如生物脱硝可以在连续过程中进行,且无需去除固体颗粒。生物脱硝对能源的需求极低,占用的工作面积小,还可以通过提高碳源的利用率来不断优化脱硝工艺。当细菌消耗掉硝酸盐之后,氮气便从水处理池中排出,就可以对脱硝后的水进行最终处理,然后将其送到配水系统中。 这种生物处理方法也可以用来去除其它污染物,如铬酸盐、高氯酸盐、硒等。

【解决方案】

TOC 分析法的优势 

       生物脱硝的关键在于优化碳源的用量。世界卫生组织在关于去除硝酸盐的文献中说,“控制碳源用量对工艺操作至关重要,可以使用在线型分析仪来监测处理后的水中的残留物浓度”4。在进行脱硝时,如果用碳量不够,就无法将硝酸盐全部还原成氮气,还会在水中留下大量的亚硝酸盐和氮氧化物。相反,如果用碳量过高,细菌就会进 而分解水中其它化学物质,例如分解硫酸盐,产生硫化氢气体,不但气味难闻,还会造成有害后 果。如果出水中有大量的细菌或碳,就会提高生物需氧量(BOD,Biological Oxygen Demand), 增加有机消毒副产物( DBP , Disinfection  Byproduct)的前体。 

       最理想的情况是用碳量刚好能维持细菌的活性。 因此,碳源使用的优化对于实现高效脱硝、节约成本、提高工艺效率来说至关重要。TOC 分析仪 在监测进水中的硝酸盐和出水中的硝酸盐/亚硝酸盐的含量时,能够给出给定碳源的除氮量。用 TOC 分析仪进行脱硝后的监测,能够以非专属的方法来快速测量碳源的除氮效率。生物脱硝的工艺流程如图 1 所示。 

       TOC 在线分析法能够实时显示用碳量和除氮量之间的关系变化和偏差。此分析法不仅可以保证水中的硝酸盐和有机物含量降到最低,还能节省操作设备所需的时间、资源、化学品、资金。连续 监测法允许操作人员根据情况变化来及时调整工艺,而无需将样品送到第三方实验室进行分析, 因而具有省时省力的优点。

图 1:生物脱硝流程示意图.png

图 1:生物脱硝流程示意图

【结论】

       采用 TOC 在线分析法后,就不必再根据出水中的硝酸盐/亚硝酸盐的浓度来猜测碳源的使用效率。 用此方法来监测脱硝结果还有一大优点,就是能够同下游水处理厂的工艺相匹配。对饮用水进行 TOC 分析,有助于水厂达到美国环保局对 TOC 去除率、 DBP 监测、工艺优化的规定指标。随着社会对经济饮用水的需求不断提高、水资源相对减少、人们 的污染防范意识越来越强,水处理厂有必要优化工艺,以便高效去除水中的营养物质和有机污染物。

【解决方案】

1。“Rolling Revision of the WHO Guidelines for Drinking-Water Quality: Nitrates  and nitrites in drinking-water。” July 2004。 World Health Organization。 

2。 “Consumer Factsheet on: NITRATES/NITRITES。” US EPA。  http://www。epa。gov/ogwdw/pdfs/factsheets/ioc/nitrates。pdf 

3. Neethling, J.B. “Tertiary Denitrification Processes for Low Nitrogen and  Phosphorus.” November 2010. Water Environment Research Foundation. 

4。 “Water Treatment Processes for Reducing Nitrate Concentrations。” World  Health Organization: Water Sanitation Health。  http://www。who。int/water_sanitation_health/dwq/chemicals/en/nitrateschap6 。pdf

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