新型复合碳源去除公园废水中硝酸盐的研究

在城市污水处理植物总氮去除工艺的选择中，生物脱氮是目前经济有效的方法。在越来越严格的总氮排放标准下，污水中的有效碳源已成为总氮去除的主要限制因素，尤其是低碳氮比(C/N)的工业废水，其C/N比一般为2 ~ 3。对于这类废水，投加碳源是提高总氮去除率，实现达标排放的直接有效途径。随着总氮排放限值的逐步降低，对碳源的需求增加，也刺激了新型碳源的研发。

目前，外源碳源主要是甲醇、乙醇、乙酸钠、葡萄糖等液态有机物，其中乙酸钠和甲醇碳源应用较为广泛。前者具有易利用、响应快、脱氮效果好等优点，但价格昂贵，污泥产量高。后者运行费用低，污泥产量小，但反应时间慢，应急加药效果往往较差，且有毒。长期作为碳源，对尾水排放有一定影响。随着总氮排放限值越来越严格，达到排放标准时，从外界输入的碳源量大大增加，运行成本增加。近年来，新型碳源的开发越来越受到重视，包括初沉污泥和剩余污泥的水解产物、玉米秸秆的有机质浸出液、木屑固体的缓释碳源等。

本研究采用一种新型复合碳源作为外加碳源去除工业废水中的硝酸盐。新碳源由玉米秸秆多步生物发酵获得，其主要成分为各种单糖、断链醇/酸。同时添加了一些微生物促进剂和益生菌因子，有利于微生物的生长。本研究以工业上常用的乙酸钠碳源为对照，实验研究了新型复合碳源与乙酸钠碳源的硝酸盐去除性能差异，并在天津某工业园区水处理厂进行了工程应用验证，以进一步确定新型复合碳源在实际工程应用中的总氮去除效果。

1.测试零件

1.1废水质量

表1显示了天津某工业园区的主要水质参数以及相关水质参数的比值。可以看出，B/C值为0.299，基本可以满足生物处理的要求。C/N值为8.80，而B/N值为2.63。为了满足脱氮的要求，B/N值一般大于5。为了满足TN的排放标准，需要额外的可降解碳源来满足TN去除的要求。

1.2测试方法

实验装置:采用两个搅拌速度可调的六联搅拌反应器，同时测试两种碳源(新型复合碳源和乙酸钠碳源)对反硝化过程的影响。

试验流程:从a 污水处理厂A2/O工艺缺氧池末端取一定量的泥水混合物，加入一定量的硝酸盐，配制含有一定浓度硝态氮的试验原液。试验时，将原液的1L加入两个六联搅拌器的六个反应器中，然后一组六联反应器加入对照组的乙酸钠碳源，另一组六联反应器加入试验组的新复合碳源。加入碳源后，开始计时，以相同的反应时间间隔取样检测。

1.3项目测量和方法

反应前、反应后和反应过程中的水样过滤后，取滤液测定水中的硝态氮(NO3-N)浓度，检测方法为紫外分光光度法(HJ/T346—2007)。

不同时间间隔的NO3-N去除量按下式计算:

2.结果和讨论

2.1转速的影响

为了消除两个六联搅拌反应器和搅拌强度对实验结果的影响，首先考察了搅拌速度对反硝化脱氮的影响。试验条件:新型复合碳源浓度为200mg/L，乙酸钠浓度为200mg/L，反应时间为3h，在泥水混合物中加入NO3-N10mg/L。改变转速为20、40、60、80、100和120rpm，分析转速对硝酸盐氮去除的影响。测试结果如图1所示。

从图1可以看出，对于新型复合碳源转速试验，在20 ~ 60 rpm范围内，NO3-N的去除量随着转速的增加而增加，这主要是因为转速的增加有利于微生物与碳源和硝酸盐的充分接触，从而增加了NO3-N的去除量，当转速继续增加到120rpm时，NO3-N的去除量随着转速的增加而减少。一方面可能是转速提高导致微生物聚集体解体，影响了微生物的活性；另一方面，转速的提高导致进入反应器的空气中的富氧率增加，导致水中的溶解氧增加，导致微生物以氧气为电子载体，从而影响NO3-N的去除，因此，对于新的复合碳源，确定仪器转速为60rpm。

对于醋酸钠碳源的转速测试，从图中可以看出，随着转速的增加，NO3-N的去除量逐渐减少。虽然在20rpm下的去除速率略高于在40rpm下的去除速率，但是可以清楚地观察到在20rpm下混合溶液没有均匀混合。因此，醋酸钠转速试验下的仪器转速确定为40rpm。

2.2反应时间的影响

试验条件:新型复合碳源200mg/L，醋酸钠200mg/L；采样时间间隔分别为30、60、120、180和240min，考察了反应时间对NO3-N去除的影响。测试结果如图2所示。

从图2可以看出，对于乙酸钠碳源和新型复合碳源，随着反应时间的延长，在3小时之前，NO3-N的去除量随着反硝化时间的增加而逐渐增加，当反应时间在3 ~ 4小时之间时，NO3-N的去除量变化不大。因此，反应时间确定为3h。

2.3碳源浓度的影响

实验条件:固定反应时间为3h，考察了碳源浓度对硝酸盐去除的影响。首先，基于200mg/L新型复合碳源，考察了220mg/L、240mg/L、260mg/L新型复合碳源对NO3-N的去除量之间的关系。然后，基于200mg/L乙酸钠碳源，新复合碳源的以下浓度为120、140和110。测试结果如图3所示。

从图3可以看出，对于新型复合碳源和乙酸钠碳源，NO3-N的去除量随着碳源浓度的增加而线性增加。在200mg/L的新型复合碳源下，NO3-N的去除量为4.79mg/L，而去除等量NO3-N所需的乙酸钠浓度为270mg/l。同样，当乙酸钠浓度为200mg/L时，NO3-N的去除量为3.34mg/L，而在获得相同NO3-N去除量的前提下，所需的新复合碳源浓度仅为140mg/L，其他新复合碳源浓度与乙酸钠浓度在相同NO3-N去除量下的对应关系可由图3得到。见表2。从表中可以看出，与乙酸钠碳源相比，在去除相同量NO3-N的情况下，新型复合碳源可以节约30%。

2.4硝酸盐浓度的影响

试验条件:固定反应时间为3小时，两种碳源浓度为200mg/L时，考察原液中不同硝酸盐浓度对硝酸盐去除的影响。测试结果如表3所示。

从表3可以看出，当新的复合碳源浓度为200mg/L时，改变原液中的硝酸盐浓度并不改变硝酸盐去除量。在8.64～15.60mg/L范围内，硝酸盐去除量为6.24±0.14mg/L，而当原液中硝酸盐浓度为5.75mg/L时，硝酸盐去除量为4.82mg/L。发现硝酸盐浓度在9.05 ~ 15.40 mg/L范围内，硝酸盐去除量为4.14±0.26，从表3可以看出，在相同碳源浓度下，与乙酸钠碳源相比，新型复合碳源的硝酸盐去除量可以提高50%。

2.5工程应用

在天津某综合工业园污水处理厂，比较了新型复合碳源和乙酸钠碳源分别作为外碳源时总氮的去除效果。该厂生化处理工艺为A2O工艺，在缺氧池中添加碳源，选择运行条件基本相同的两个系列(处理能力为10000m3/d)进行工程应用效果对比。实验分为两个阶段。A阶段新复合碳源用量为乙酸钠用量的70%，即节约用量30%，实验持续33天。在B阶段，新的复合碳源的用量进一步减少醋酸钠用量的50%，实验持续20天。比较结果如图4所示。

从图4中可以看出，在阶段A中，当使用新的复合碳源作为外碳源时，二沉池出水中的总氮浓度大多低于乙酸钠碳源，这表明新的复合碳源的投加量仍有下调的空间。实验B阶段，经统计分析，以新型复合碳源为碳源时，二沉池出水总氮比乙酸钠碳源少5天，仅占23.8%。因此可以推断，在去除相同量硝酸盐的情况下，新复合碳源的节约量最好控制在50%以内。

3.结论

本研究通过静态试验比较了新型复合碳源和传统乙酸钠碳源对硝酸盐氮的去除效果，并对工程应用效果进行了比较。结果表明:

①在静态试验中，获得相同的硝酸盐去除量时，新型复合碳源比乙酸钠碳源可节约30%。在相同碳源浓度下，新型复合碳源比乙酸钠碳源能多去除50%的硝酸盐。

②在实际工程应用中取得的效果优于静态试验。如果用新型复合碳源替代传统的乙酸钠碳源，预计额外的碳源将节省40%左右。(来源:天津大学环境科学与工程学院、天津TEDA新水源科技发展有限公司、天津TEDA水业有限公司)

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