固體碳源投加量強(qiáng)化低C/N污水脫氮的研究

唐 婧，楊羽菲

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168)

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝中，碳源不足是低C/N比污水反硝化脫氮的技術(shù)瓶頸，直接影響出水水質(zhì)[1]﹒理論上，COD/N 為4～6 時(shí)可滿足反硝化對(duì)碳源的需求，但實(shí)際上，C/N 需要達(dá)到5～10 才能獲得較好的脫氮效果[2]﹒我國(guó)大多數(shù)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)中有機(jī)物濃度偏低，很多地區(qū)的污水廠進(jìn)水COD/N＜3～5，導(dǎo)致脫氮效果不佳﹒因此，傳統(tǒng)的硝化/反硝化工藝只有在碳源充足的條件下才能實(shí)現(xiàn)，外加碳源的脫氮技術(shù)也因此受到了廣泛的關(guān)注﹒

Hamazah 等[3]分別采用甲醇和乙醇為碳源進(jìn)行脫氮處理，氮的去除率分別為95%～97%和88%～92%﹒但是這樣的碳源若投加量控制不當(dāng)容易導(dǎo)致不完全的反硝化或者造成二次污染，此外甲醇本身具有的毒性會(huì)存在潛在危險(xiǎn)﹒已有研究表明，以棉花、稻草、稻殼和玉米芯作為固體碳源時(shí)，玉米芯可溶性碳源較多，并且有較好的長(zhǎng)期反硝化效果[4]﹒邵留等[5]以玉米芯、稻草和稻殼作為固體碳源時(shí)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)硝態(tài)氮的去除率均在80%以上﹒玉米芯中纖維素占32%～36%，半纖維素占35%～40%，木質(zhì)素占13.1%，還包括少量的灰分、果膠以及含氮化合物等[6-7]﹒相比于昂貴的高分子材料，以纖維素為主的天然材料價(jià)格低廉、分布廣泛，還具有生物調(diào)節(jié)釋碳能力﹒

研究選用經(jīng)堿處理過(guò)的玉米芯作為固體碳源處理低C/N 比污水，考察不同玉米芯投加量對(duì)系 統(tǒng)脫氮的影響以及出水COD 的濃度，綜合確定了針對(duì)低C/N 比污水高效脫氮的固體碳源最佳投加量﹒

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器

BPG-9070A 型烘箱(浙江賽德儀器設(shè)備有限公司)；HQ30d 型便攜式溶解氧測(cè)定儀(浙江賽德儀器設(shè)備有限公司)；Spectrum WFZ75 系列紫外可見分光光度計(jì)(上海譜元儀器有限公司)﹒

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 固體碳源

試驗(yàn)所用固體碳源為玉米芯，采自阜蒙縣生態(tài)園﹒首先將玉米芯蒸煮后洗凈，切割成體積約為1 cm3的方塊，烘箱80 ℃進(jìn)行干燥；然后將玉米芯堿預(yù)處理后洗凈、中和、烘干、密封保存﹒

1.2.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水采用人工模擬低C/N 比市政污水，由自來(lái)水中加入葡萄糖為碳源、硝酸鉀和氯化銨為氮源以及磷酸二氫鉀作為磷源組成，控制氨氮質(zhì)量濃度為50 mg/L，硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為25 mg/L，磷質(zhì)量濃度為3.5±0.5 mg/L，同時(shí)加入1 mg/L 酵母膏以及1 ml/L 微量元素溶液﹒H2SO4和NaOH用于調(diào)節(jié)pH，反應(yīng)水溫控制在20～25 ℃﹒

1.2.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)在4 個(gè)燒杯中進(jìn)行，每個(gè)燒杯定量投加堿預(yù)處理后的玉米芯、活性污泥以及200 mL 實(shí)驗(yàn)配水，有效容積為1 L；在每個(gè)燒杯中分別加入0，2.5，5.0 和7.5 g 的玉米芯；MLSS 為3 000 mg/L，進(jìn)水COD 約為120±5 mg/L，進(jìn)水C/N≈1.5，pH 為7.0，通過(guò)微曝氣方式控制溶解氧DO 為2.0 mg/L；每24 h 換水200 mL，取樣測(cè)定氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和COD 濃度﹒

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 固體碳源投加量對(duì)氨氮的影響

圖1 為不同玉米芯投加量下的各組分出水氨氮濃度變化曲線﹒從中不難看出，各組分的出水氨氮濃度都在5 mg/L 以下；0，2.5，5.0 和7.5 g各組出水氨氮濃度分別為2.97～5.13，2.29～3.85，2.37～3.50 和1.84～3.05 mg/L，其差別不大﹒由此推斷，固體碳源對(duì)于系統(tǒng)的氨氮去除率影響不是很大，均能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)﹒

圖1 固體碳源投加量對(duì)氨氮的影響

2.2 固體碳源投加量對(duì)硝態(tài)氮的影響

圖2 為不同玉米芯投加量下各組分出水硝態(tài)氮的濃度變化﹒由圖2 可知，未加玉米芯組出水硝態(tài)氮濃度由10 mg/L 左右降至2 mg/L 左右后趨于穩(wěn)定，其余不同玉米芯投加量的組分出水硝態(tài)氮濃度均小于2 mg/L﹒有機(jī)碳源不僅是微生物生長(zhǎng)繁殖的能量來(lái)源，也是異養(yǎng)反硝化的關(guān)鍵因素之一﹒由此可知，玉米芯的投加有利于系統(tǒng)硝態(tài)氮的去除，處理效果較好﹒

圖2 固體碳源投加量對(duì)硝態(tài)氮的影響

2.3 固體碳源投加量對(duì)亞硝態(tài)氮的影響

圖3 為不同玉米芯投加量下的各組分出水亞硝態(tài)氮濃度積累情況﹒

圖3 固體碳源投加量對(duì)亞硝態(tài)氮的影響

圖3 中，未投加玉米芯的組分出水亞硝態(tài)氮出現(xiàn)了積累的現(xiàn)象，并且其濃度呈逐漸上升的趨勢(shì)﹒在試驗(yàn)進(jìn)行的前9 d，投加2.5 g 玉米芯的組分中亞硝態(tài)氮濃度低于0.02 mg/L，第10 d 亞硝態(tài)氮濃度突然升高，為0.06 mg/L；其余組分在試驗(yàn)期間亞硝態(tài)氮濃度小于0.02 mg/L，均未出現(xiàn)積累的現(xiàn)象﹒由此可認(rèn)為，以玉米芯作為碳源能夠避免自養(yǎng)反硝化脫氮除磷中亞硝態(tài)氮的累積，有利于系統(tǒng)的完全反硝化﹒

2.4 固體碳源投加量對(duì)總氮的影響

圖4 為不同玉米芯投加量下各組分出水總氮的濃度變化﹒由圖4 可知，未投加玉米芯的組分出水總氮的濃度由14.40 mg/L 降低至6.00 mg/L；其余各組分出水總氮的濃度分別為2.10～3.70(玉米芯7.5 g)，2.43～5.00(玉米芯5 g)和2.88～4.54 mg/L(玉米芯2.5 g)﹒玉米芯可以為異養(yǎng)反硝化菌提供電子供體，NO3?作為最終電子受體進(jìn)行反硝化[8]﹒試驗(yàn)結(jié)果表明，玉米芯的投加有利于系統(tǒng)中氮的去除，而且在一定范圍內(nèi)投加量越大，氮的去除效果越好﹒

圖4 固體碳源投加量對(duì)總氮的影響

2.5 固體碳源投加量對(duì)COD 的影響

圖5為不同玉米芯投加量下各組分出水COD的濃度變化曲線﹒

圖5 固體碳源投加量對(duì)COD 的影響

圖5 中，未投加玉米芯組分的出水COD 濃度始終保持在10 mg/L 左右；其余各組分第1 d出水COD 濃度均有不同程度升高，投加2.5，5.0和7.5 g玉米芯組分出水COD濃度分別為175.97，224.70 和370.90 mg/L﹒隨著反應(yīng)的進(jìn)行，各組分出水COD 濃度減少至趨于平穩(wěn)，這是由于玉米芯緩慢釋放可溶性碳源而導(dǎo)致出水COD 濃度升高，但隨著微生物對(duì)可溶性碳源的利用，出水COD 濃度又減少直至趨于穩(wěn)定﹒但是由于玉米芯投加量的不同，出水COD 濃度降至一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)要求的50 mg/L 所用的時(shí)間也有所不同，不難看出投加2.5 g 玉米芯的組分在反應(yīng)進(jìn)行第4 d 時(shí)出水COD 濃度達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)要求﹒因此，從系統(tǒng)脫氮效果和出水COD 濃度2 方面考慮，確定玉米芯的投加量為5.0 g/200 ml(即25.0 g/L)﹒

3 結(jié)論

針對(duì)低C/N 比污水，以堿預(yù)處理過(guò)的玉米芯作為外加碳源和微生物載體，可解決因碳源不足而導(dǎo)致的脫氮效率低的問(wèn)題，強(qiáng)化污水廠對(duì)此類污水的處理效果﹒研究結(jié)果表明，玉米芯投加量為5.0 g/200 ml(25.0 g/L)時(shí)，出水NH3-N，NO3-N和TN 去除率分別為93%～95%，92%～96%和93%～97%；系統(tǒng)NO2?-N 濃度小于0.02 mg/L，沒有出現(xiàn)積累現(xiàn)象；出水COD 濃度滿足一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)要求﹒因此，外加固體碳源投加量控制在25.0 g/L 時(shí)，不僅可以滿足系統(tǒng)脫氮的要求和強(qiáng)化系統(tǒng)的脫氮效率，也不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出水COD 濃度超標(biāo)﹒