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 一、概況

    隨著我國市場經濟的深入發展，特別是產品化趨勢日益明顯，產品包裝行業得到*發展，市場對包裝制品需求不斷增大。包裝紙板生產在世界各國國民經濟中占有重要的地位，紙板產品成為包裝工業的主要原材料。我國“十五”規劃中明確表明，我國造紙產量與需求量平均都能保持5%左右的增長，發展方向主要集中在高檔紙品上?？梢?，目前市場前景廣闊，產品發展余地大，銷售市場有保障。

 紙業有限責任公司根據目前市場情況，經過長時間的市場調查了解和前期準備工作，引進全自動熱力噴放制漿（爆破制漿）（權號：ZL02246643.6）技術，計劃投資6000萬元人民幣，以竹子為主要原料生產竹漿，新上年生產能力6.0萬噸造紙生產線，生產紙漿板、生活用紙和包裝用紙。工程分兩期建設，一期年生產能力3.6萬噸，二期年生產能力2.4萬噸，整個項目由制漿車間、造紙車間、輔助設施、公用工程、環保工程、生活設施和儲運工程等部分組成。

    爆破制漿過程中不產生蒸煮廢液即傳統造紙制漿黑液,主要為打漿時產生的洗液,其污染組成為:BOD5：主要來自制漿中分解的有機物,即糖類、醇類、有機酸、木質素等；CODcr：主要來自木質素及其衍生物；SS：主要來自流失的細小纖維。

    根據《紙業有限責任公司60kt/a爆破制漿造紙工程環境影響報告書》中提供的數據，外排廢水主要是生產中的打漿廢水，一期廢水量約為9410m3/d，二期廢水量約為6273 m3/d，二期工程建成后外排廢水量共計約15683m3/d。

    根據《建設項目管理條例》和《環境保護法》之規定，環保設施的建設應與主體工程“三同時”。受紙業有限責任公司委托，我公司提出了該項目的廢水處理方案，按本方案進行建設后，可確保廢水的達標排放，同時將大部分廢水經預處理后回用于生產過程，減少污染物的排放，能*地減輕該項目外排廢水對沙溪的不利影響。

    二、水質水量和排放標準 

    （一）水量

    日排放水量：一期9410m3/d，二期6273 m3/d，二期合計15683m3/d

    設計規模：一期9410m3/d，其中預處理能力為9410m3/d，生化處理能力為2900m3/d。

    二期新增6273 m3/d，其中預處理能力為6273m3/d，生化處理能力為2000m3/d。

    二期合計15683m3/d，其中預處理能力為15683m3/d，生化處理能力為4900m3/d。

    本次方案設計對一期水量進行設計。

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　連續運行階段反應器氨氮, 亞硝氮和硝氮變化如圖 2所示, 進水溫度及總氮去除率如圖 3所示.為了研究脫氮途徑, 引入厭氧氨氧化反應方程式, 如式(1)所示.厭氧氨氧化菌按1 :1.32的比例消耗氨氮和亞硝氮.厭氧氨氧化工藝生成的氮氣量與硝氮量之比為8, 該值稱為特征比.

　　反應器改為連續進水出水的第1 d, 總氮去除率為13.8%.但亞硝氮氨氮消耗比為1.41, 特征比為28.17, 不滿足厭氧氨氧化方程式.分析其原因, 可能是由于火山巖填料對基質的吸附作用.隨著吸附達到飽和, 總氮去除率明顯降低, 第4 d時, 總氮去除率由13.8%降低到5.2%.反應器繼續運行, 氨氮和亞硝氮去除效果逐漸提高, 出水硝氮濃度逐步增加.第109 d時, 連續15 d氨氮和亞硝氮去除率大于90%, 總氮去除率大于70%, 亞硝氮氨氮消耗比穩定在1.17~1.26, 特征比穩定在8.76~10.21, 符合厭氧氨氧化反應方程式, 表明上向流厭氧氨氧化生物濾柱啟動成功.

　　Zekker等在20℃條件下以發酵廠高氨氮污水為基質, 歷時186 d成功啟動厭氧氨氧化工藝.進水溫度20~25℃, 氨氮和亞硝氮基質濃度為30~50 mg ·L-1, Bao等在224 d啟動厭氧氨氧化生物濾柱. Zhang等以含25~35 mg ·L-1氨氮和亞硝氮的配水為基質, 23℃條件下90 d成功啟動厭氧氨氧化SBR反應器.與前人研究成果相比, 本試驗以更低濃度的實際生活污水為基質, 在15.1~21.9℃的條件下, 成功啟動厭氧氨氧化反應器, 較前人的研究成果有所進步.

　　2.2 厭氧氨氧化濾柱的低溫運行

　　第153~244 d時, 反應器在秋季運行, 進水溫度為12.6~18.9℃.溫度在14℃以上時, 反應器氨氮、亞硝氮去除率大于95%, 溫度小于14℃時, 氨氮和亞氮去除率明顯降低.第245 d, 反應器運行進入冬季, 進水溫度為10.2~14.3℃.由圖 3可知, 反應器總氮去除率與進水溫度密切相關.進水溫度在10~12℃時, 總氮去除率為25%~60%.進水溫度為12~14℃時, 總氮去除率為55%~75%.第245~334 d, 反應器zui大出水總氮濃度為30.1 mg ·L-1, 平均總氮去除率為54.3%.

　　為了避免生物膜過度增殖導致濾柱堵塞, 第461 d對濾柱進行反沖洗.反沖洗時, 采用較大的水力負荷以達到削減生物膜厚度的目的.以氣水聯合的方式進行反沖洗, 氣水比為3, 水沖強度為2.0 L ·(s ·m2)-1, 反沖洗時間為3 min.反沖洗后, 氨氮去除率從98.6%降低到59.7%, 亞硝氮去除率從97.3%降低為57.2%, 總氮去除率由78.4%降為48.1%.運行8 d后, 氨氮去除率恢復至90%以上, 總氮去除率提高到71%.相比于其他生物膜, 本試驗厭氧氨氧化生物膜反沖洗后恢復速度較快.有研究表明, 成熟的厭氧氨氧化菌生物膜結構緊湊, 分泌較多的胞外多聚物, 對水力負荷沖擊的抵抗能力強, 因此成熟厭氧氨氧化生物膜受反沖洗影響較小.

　　第510~604 d, 運行季節為秋季, 進水溫度為13.2~19.6℃, 反應器氨氮和亞硝氮去除率大于90%, 總氮去除率大于75%.相比于去年同期水平, 進水溫度在14℃以下時, 依然有著良好的處理效果.第605 d, 運行再次進入冬季, 進水溫度為10.1~14.7℃.進水溫度在10~12℃時, 總氮去除率為50%~65%.進水溫度為12~14℃時, 總氮去除率為70~80%.第605~695 d, 反應器zui大出水總氮濃度為19.7 mg ·L-1, 平均總氮去除率為69.7%.總氮去除率比去年同期相比增長了29%, 總氮去除負荷增長率為23%.

　　Guillén等通過1 048 d的低溫馴化, 提高了低溫厭氧氨氧化工藝的處理效果. Trojanowicz等從低溫馴化3 a的厭氧氨氧化反應器中取泥, 在低溫時成功啟動反應器并取得了良好的處理效果.前人的研究主要表明, *的低溫馴化可以提高低溫厭氧氨氧化菌活性, 但對于*馴化對厭氧氨氧化活性提高并未定量化.在本試驗中, 從第245~334 d到第605~695 d, 歷時1 a, 總氮去除負荷增長率為23%, *低溫馴化明顯地提高了反應器低溫處理效果.

　　2.3 生物學特性研究

　　每個季節從反應器中取出濾料, 測定濾料生物量及反應速率, 結果如圖 5所示.生物量單位以VSS/濾料計, 為mg ·g-1.

　　第55~148 d, 進水溫度為16.5~21.9℃, 反應器生物量從5.08 mg ·g-1增長到9.61 mg ·g-1, 增長幅度較大.第230~298 d, 進水溫度為10.2~13.8℃, 生物量由10.20 mg ·g-1提高為11.38 mg ·g-1, 低溫環境中生物量增長速度較慢, 表明溫度對厭氧氨氧化菌生物膜的增長有較大影響.第461 d濾柱進行反沖洗, 生物量從14.96 mg ·g-1降低至8.01 mg ·g-1, 反沖洗可以有效地剪切生物膜,

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針對污水生物脫氮工藝中碳源不足的問題，學者們進行了很多研究:先是進行了工藝改進，如采用前置反硝化、多點進水或取消初次沉淀池等;后來研究了投加低分子液體碳源，如甲醇、乙酸等;以及投加高濃度有機廢水或污泥發酵上清液;還有研究引入了固體碳源，包括天然固體碳源，如小麥秸稈、棉花等，和人工合成聚合物，如PCL,PBS等。與傳統液體碳源相比，纖維索類物質價格低廉并可持續釋放碳源，能被生物降解，可同時作為微生物反硝化作用的碳源和生物膜附著生長的載體。但棉花、麥秸稈等物質具有更高的經濟價值，因此，采用廢棄物作為有機碳源具有更加實際的意義。作為城市中常見的園林廢棄物之一，植物落葉一年四季均可獲取，已有的關于落葉作為反硝化碳源的研究顯示，落葉作為反硝化碳源具有優良的脫氮能力，但研究主要針對地表水的修復，國外有研究者將植物莖葉廢料發酵液作為反硝化碳源用于水培廢水的處理，但鮮見落葉直接用于生活污水反硝化的相關報道。

　　本文在對篩選的3種落葉進行釋碳動力學分析后，選擇一種碳源釋放能力的落葉作為研究對象，考察了溫度和投加量對其反硝化過程的影響，并將落葉投入生活污水中考察其反硝化效果，以期為城市污水處理廠外加碳源的篩選提供一點思路。

　　1 實驗部分

　　1. 1實驗材料準備

　　綜合考慮城市道路和園林常見綠化種類，以及落葉厚度與浸出效率的可能關系，實驗選擇香樟、梧桐和廣玉蘭 3種落葉作為研究對象。所用材料取自中南財經政法大學校園內自然凋落的落葉。將上述3種落葉用自來水洗凈后，置于陰涼處自然風干，保存備用。

　　1. 2反硝化污泥培養

　　活性污泥取自武漢某城市污水處理廠二沉池回流污泥，馴化期間采用乙酸作為反硝化碳源，配制COD濃度200 mg / L左右，以硝酸鉀和磷酸二氫鉀作為氮源和磷源，保持N:P=5:1，硝酸鹽濃度在40mg / L左右。馴化時取1L活性污泥置于3 L錐形瓶中，加入配制好的培養液1. 5 L左右，密封錐形瓶并保持瓶內溶解氧的濃度在0. 2 mg / L 以下，每天更換一次上清液。經過冬季為期一月的低溫(水溫約10一15℃)馴化后，得到以乙酸為碳源的反硝化污泥，連續4d測定出水硝酸鹽濃度，均低于4 mg / L，硝酸鹽去除率在90%以上，出水COD濃度低于30 mg / L。

　　1. 3落葉釋碳動力學

　　將上述3種落葉分別剪成約1 cm X 1 cm的小塊，各自稱取5g置于500 mL的燒杯中，注入無菌蒸餾水至500 mL刻度線，玻璃棒攪拌后，密封燒杯日以防止水分蒸發和雜質進入。實驗溫度控制在(20士1)℃，初始pH值為7. 2一7. 5。分別在第1 ,2 ,4 ,8 ,12 ,24 ,36 ,48 ,60 ,72 ,96 ,120和144 h取樣，測定水溶液中的COD濃度和pH等指標。

　　1. 4單純落葉反硝化影響因素實驗

　　以廣玉蘭葉作為研究對象，采用序批式實驗研究溫度和固液比對反硝化效果的影響，向250 mL錐形瓶中加入150 mL配置好的培養液(考慮到落葉中營養元索較為豐富，培養液中僅添加硝酸鉀和磷酸二氫鉀作為氮源和磷源，其中硝酸鹽濃度在40 mg / L 左右，N:P=5:1)和100 mL反硝化污泥，通過恒溫振蕩器控制反應溫度。研究溫度的影響時，向3組反應裝置各投加2. 5 g廣玉蘭葉，分別置于15 、25和30 ℃下進行反硝化實驗;研究固液比的影響時，控制實驗溫度為25 ℃，按照固液比分別為1 : 250 ,1. 5 : 250和2.5:250的比例向3個250 mL的反應容器中分別投加1. 0、1. 5和2. 5 g廣玉蘭葉。每周期運行24 h，更換150 mL培養液，連續運行26 d，每天檢測硝酸鹽以及亞硝酸鹽的變化情況。

　　1. 5落葉用于生活污水反硝化實驗

　　選用2個1 000 mL的錐形瓶作為反應容器，分別加入200 mL馴化好的反硝化污泥和一定量的硝酸鹽溶液，確保進水后MLVSS維持在2 500 mg / L 左右，初始硝酸鹽濃度維持在40一50 mg / L 。其中一個容器僅以污水作碳源，記為污水組，另一個反應容器中除了進水外，按1 : 250的固液比投加4g廣玉蘭葉，記為污水+落葉組。將密封好的反應容器放置于恒溫振蕩器，控制反應溫度在(25士1)℃。分別在第0、0.5、1、2、3和4h取樣，測定污水中的COD、硝酸鹽、亞硝酸鹽濃度以及pH值和色度。

　　1. 6分析方法

　　常規水質指標分析主要參考《水和廢水監測分析方法》中規定的標準方法，其中COD的測定采用哈希消解法，硝酸鹽采用紫外分光光度計測定，色度采用鉑鉆標準比色法，樣品經0. 45 μm水性濾膜抽濾后測定。

　　2結果與討論

　　2. 1落葉釋碳性能與動力學

　　廣玉蘭、梧桐和香樟3種落葉的釋碳軌跡和pH變化規律，如圖1所示?？梢钥闯?，3種碳源物質均具有可持續釋碳能力，在實驗的144 h內，3種碳源的釋碳規律較為相似，都是先快速上升，后來逐漸變緩;3種溶液的pH則呈現先直線式下降，后逐漸維持相對穩定的趨勢。從碳源釋放情況看，廣玉蘭葉的碳源釋放量和速率均遠遠高于梧桐和香樟，在浸出第4小時時，廣玉_的碳源釋放量已達743 mg / L，單位質量碳源釋放量達到37. 15 mg ·(g ·h)-1，碳源的zui高釋放量出現在第120小時，為2 384mg / L,梧桐在經歷zui初2d的釋放后釋碳逐漸變緩，而香樟則一直呈現小幅增長的趨勢。zui終廣玉蘭葉COD單位釋放量高達229.2 mg / g，香樟為43.3 mg / g，梧桐zui少，只有31.3 mg / g。從pH變化規律來看，3種落葉浸出液pH值下降的拐點與其浸出液COD升高的拐點幾乎同時出現，表明落葉浸出初期釋放的碳源中含有大量的酸性物質;落葉pH值變化幅度為:廣玉蘭>梧桐>香樟，側面反映出廣玉鑄葉的釋酸能力zui強。