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用總有機碳 TOC 方法優化營養物去除工藝(總磷總氮)

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【背景分析】

難題:飲用水中的硝酸鹽 

       美國環保局(EPA)乃至公眾擔心飲用水中的營養物質(總磷總氮)含量過高,會危及公共健康,這就使得水處理廠必須改進處理工藝。對致力于滿足法規規定的氮含量限值的水處理廠來說, 如何降低來自徑流、肥料、污水、發電廠、化學品 廠的含氮化合物的濃度始終是個難題。當飲用水中的含氮量過高時,配水系統就會被富營養化,成為細菌的滋生地。硝酸鹽危害嬰兒、孕婦、酶缺乏癥患者的健康,降低他們的血液送氧能力 1,2。美國環保局規定的飲用水中的硝酸鹽濃度限值為 10 ppm, 亞硝酸鹽濃度限值為 1 ppm 2。工農業生產的廢物和人類的排泄物排放到環境中,地表水和地下水中的硝酸鹽含量越來越高,例如在美國加州的地下水井中就檢測到高濃度的硝酸鹽。因此,脫硝(脫氮) 就成為水處理工藝的一個重要環節。

方法:生物脫硝 

       脫硝是通過添加碳源(也稱為電子供體,例如源流中的甲醇、乙醇、MicroC?、乙酸、糖漿、碳等), 將硝酸鹽還原成氮氣的過程 3。生物脫硝是其中一 種脫硝方法,就是用厭氧細菌來消化碳源,從而降低硝酸鹽含量 3。與常規過濾和泥漿脫硝相比,生物脫硝有諸多優點,例如生物脫硝可以在連續過程中進行,且無需去除固體顆粒。生物脫硝對能源的需求極低,占用的工作面積小,還可以通過提高碳源的利用率來不斷優化脫硝工藝。當細菌消耗掉硝酸鹽之后,氮氣便從水處理池中排出,就可以對脫硝后的水進行最終處理,然后將其送到配水系統中。 這種生物處理方法也可以用來去除其它污染物,如鉻酸鹽、高氯酸鹽、硒等。

【解決方案】

TOC 分析法的優勢 

       生物脫硝的關鍵在于優化碳源的用量。世界衛生組織在關于去除硝酸鹽的文獻中說,“控制碳源用量對工藝操作至關重要,可以使用在線型分析儀來監測處理后的水中的殘留物濃度”4。在進行脫硝時,如果用碳量不夠,就無法將硝酸鹽全部還原成氮氣,還會在水中留下大量的亞硝酸鹽和氮氧化物。相反,如果用碳量過高,細菌就會進 而分解水中其它化學物質,例如分解硫酸鹽,產生硫化氫氣體,不但氣味難聞,還會造成有害后 果。如果出水中有大量的細菌或碳,就會提高生物需氧量(BOD,Biological Oxygen Demand), 增加有機消毒副產物( DBP , Disinfection  Byproduct)的前體。 

       最理想的情況是用碳量剛好能維持細菌的活性。 因此,碳源使用的優化對于實現高效脫硝、節約成本、提高工藝效率來說至關重要。TOC 分析儀 在監測進水中的硝酸鹽和出水中的硝酸鹽/亞硝酸鹽的含量時,能夠給出給定碳源的除氮量。用 TOC 分析儀進行脫硝后的監測,能夠以非專屬的方法來快速測量碳源的除氮效率。生物脫硝的工藝流程如圖 1 所示。 

       TOC 在線分析法能夠實時顯示用碳量和除氮量之間的關系變化和偏差。此分析法不僅可以保證水中的硝酸鹽和有機物含量降到最低,還能節省操作設備所需的時間、資源、化學品、資金。連續 監測法允許操作人員根據情況變化來及時調整工藝,而無需將樣品送到第三方實驗室進行分析, 因而具有省時省力的優點。

圖 1:生物脫硝流程示意圖.png

圖 1:生物脫硝流程示意圖

【結論】

       采用 TOC 在線分析法后,就不必再根據出水中的硝酸鹽/亞硝酸鹽的濃度來猜測碳源的使用效率。 用此方法來監測脫硝結果還有一大優點,就是能夠同下游水處理廠的工藝相匹配。對飲用水進行 TOC 分析,有助于水廠達到美國環保局對 TOC 去除率、 DBP 監測、工藝優化的規定指標。隨著社會對經濟飲用水的需求不斷提高、水資源相對減少、人們 的污染防范意識越來越強,水處理廠有必要優化工藝,以便高效去除水中的營養物質和有機污染物。

【解決方案】

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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