鄧 林，王 慶，潘 倩，馬麗媛，張建柱，尚興盈，張惠源

(1. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津300072；2. 天津泰達(dá)新水源科技開(kāi)發(fā)有限公司 天津300457；3. 天津泰達(dá)水業(yè)有限公司 天津300457)

0 引 言

城鎮(zhèn)污水處理廠總氮去除工藝選擇中，生物脫氮法是目前最經(jīng)濟(jì)有效的方式。在越來(lái)越嚴(yán)格的總氮排放標(biāo)準(zhǔn)下，污水中的可生物利用的碳源成了總氮去除的主要限制因素，尤其是低碳氮比(C/N)的工業(yè)廢水，其C/N比一般為2～3。對(duì)于此類(lèi)廢水，外加碳源是提高總氮去除率從而實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放的最直接有效途徑。隨著總氮排放限值逐漸降低，引起了碳源需求增加，也激發(fā)了新型碳源的研發(fā)。

目前外加碳源主要以甲醇、乙醇、乙酸鈉和葡萄糖等液態(tài)有機(jī)物為主，其中應(yīng)用最廣泛的是乙酸鈉和甲醇碳源，前者反硝化菌易于利用、響應(yīng)速度快、脫氮效果好，但價(jià)格昂貴、污泥產(chǎn)率高；后者運(yùn)行費(fèi)用較低、產(chǎn)泥量較小，但響應(yīng)時(shí)間較慢，應(yīng)急投加效果往往不佳，且其具有毒性，長(zhǎng)期作為碳源，對(duì)尾水排放具有一定的影響。由于總氮排放限值越來(lái)越嚴(yán)格，在滿(mǎn)足達(dá)標(biāo)排放時(shí)，外投碳源量相對(duì)以前有了較大增長(zhǎng)，運(yùn)行成本增加。近些年，新型碳源的開(kāi)發(fā)逐漸受到廣泛重視，包括初沉污泥[1-2]及剩余污泥的水解液[3-4]、玉米秸稈類(lèi)有機(jī)質(zhì)的浸出液[5-6]，以及木屑固體緩釋碳源[7-9]等。

本研究采用了一種新型復(fù)合碳源作為外加碳源進(jìn)行了工業(yè)廢水中硝酸鹽去除研究，該新型碳源是通過(guò)多步玉米秸稈生物發(fā)酵獲得的，其主要成分是多種單糖、斷鏈醇/酸，同時(shí)也添加了一些微生物促升劑、益生因子，以有利于微生物的生長(zhǎng)。本研究以工業(yè)上常用的乙酸鈉碳源為對(duì)照，首先實(shí)驗(yàn)研究新型復(fù)合碳源與乙酸鈉碳源在硝酸鹽去除性能上的差異，然后在天津某工業(yè)綜合園區(qū)水處理廠進(jìn)行工程應(yīng)用驗(yàn)證，進(jìn)一步確定新型復(fù)合碳源在實(shí)際工程應(yīng)用中的總氮去除效果。

1 試驗(yàn)部分

1.1 廢水水質(zhì)

表 1給出了天津某工業(yè)綜合園區(qū)的主要進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)值以及關(guān)聯(lián)水質(zhì)參數(shù)比值。從B/C值為0.299可知，基本可滿(mǎn)足生物法處理要求，C/N值為 8.80，而B(niǎo)/N值為2.63，為了滿(mǎn)足脫氮的需求，一般需B/N值大于 5，為了 TN 的達(dá)標(biāo)排放，需額外補(bǔ)充易降解的碳源以滿(mǎn)足TN的去除要求。

表1 廢水主要水質(zhì)參數(shù)Tab.1 Main water quality parameters of wastewater

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置：采用2臺(tái)可調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速的六聯(lián)攪拌反應(yīng)器，同時(shí)開(kāi)展 2種碳源(新型復(fù)合碳源與乙酸鈉碳源)對(duì)反硝化過(guò)程影響的試驗(yàn)。

試驗(yàn)流程：在某污水處理廠 A2/O工藝缺氧池末端取一定量的泥水混合物，加入定量硝酸鹽，配置成含一定濃度硝酸鹽氮的試驗(yàn)用原液，試驗(yàn)時(shí)分別向2臺(tái)六聯(lián)攪拌器6個(gè)反應(yīng)器中加入1L該原液，然后一組六聯(lián)反應(yīng)器中加入對(duì)照組的乙酸鈉碳源，另一組六聯(lián)反應(yīng)器加入試驗(yàn)組的新型復(fù)合碳源。碳源加入后，開(kāi)始計(jì)時(shí)，間隔相同反應(yīng)時(shí)間取樣化驗(yàn)。

1.3 項(xiàng)目測(cè)定與方法

反應(yīng)前后及過(guò)程中的水樣經(jīng)抽濾后，取濾液測(cè)水中的硝酸鹽氮(NO3-N)濃度，檢測(cè)方法采用紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)。

不同時(shí)間間隔的NO3-N去除量用下式計(jì)算：

式中：ΔMt為反應(yīng)時(shí)間t時(shí)NO3-N的去除量，mg/L；M0為反應(yīng)初始時(shí)的 NO3-N含量，mg/L；Mt為反應(yīng)時(shí)間t時(shí)NO3-N含量，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 轉(zhuǎn)速的影響

為了消除 2臺(tái)六聯(lián)攪拌反應(yīng)器裝置及攪拌強(qiáng)度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，首先考察了攪拌器轉(zhuǎn)速對(duì)反硝化硝酸鹽去除的影響。試驗(yàn)條件：新型復(fù)合碳源濃度200mg/L，醋酸鈉濃度 200mg/L，反應(yīng)時(shí)間 3h，向所取泥水混合液中額外添加NO3-N 10mg/L。改變轉(zhuǎn)速為 20、40、60、80、100和 120rpm，分析轉(zhuǎn)速對(duì)硝態(tài)氮去除的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)NO3-N的去除量的影響Fig.1 Effect of stirring speed on removal of NO3-N

由圖 1可知，對(duì)于新型復(fù)合碳源轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，NO3-N去除量在轉(zhuǎn)速為 20～60rpm范圍內(nèi)，隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，這主要是由于轉(zhuǎn)速的增大有利于微生物與碳源、硝酸鹽的充分接觸，從而增大NO3-N的去除量，在繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速至 120rpm時(shí)，NO3-N的去除量隨轉(zhuǎn)速的增大反而下降。這一方面可能是轉(zhuǎn)速的增大導(dǎo)致了微生物凝聚體被打散，影響了微生物的活性；另一方面轉(zhuǎn)速的增大導(dǎo)致空氣中向反應(yīng)器中的富氧速率增大，引起了水中的溶解氧增加，導(dǎo)致微生物以氧氣為電子載體，從而影響 NO3-N的去除。因此，對(duì)于新型復(fù)合碳源轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)下的儀器轉(zhuǎn)速確定為60rpm。

對(duì)于醋酸鈉碳源轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，由圖中可知，NO3-N的去除量隨轉(zhuǎn)速的增加逐漸下降。雖然在轉(zhuǎn)速20rpm下，去除量略高于轉(zhuǎn)速40rpm下的去除量，但在試驗(yàn)過(guò)程中，可明顯觀察到，在 20rpm 轉(zhuǎn)速下，混合液并未混合均勻。因此，將醋酸鈉轉(zhuǎn)速試驗(yàn)下的儀器轉(zhuǎn)速確定為40rpm。

2.2 反應(yīng)時(shí)間的影響

試驗(yàn)條件：新型復(fù)合碳源 200mg/L，醋酸鈉200mg/L；取樣時(shí)間間隔分別為 30、60、120、180、240min，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì) NO3-N 去除量的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖 2可知，對(duì)于醋酸鈉碳源和新型復(fù)合碳源，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，在反應(yīng)時(shí)間 3h前，NO3-N的去除量均隨反硝化時(shí)間的增加逐漸增大，在反應(yīng)時(shí)間介于 3～4h之間時(shí)，硝態(tài)氮去除量變化不大。因此，確定反應(yīng)時(shí)間為3h。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)NO3-N去除量的影響Fig.2 Effect of reaction time on removal of NO3-N

2.3 碳源濃度的影響

試驗(yàn)條件：固定反應(yīng)時(shí)間為 3h，改變投加碳源濃度，考察碳源濃度對(duì)硝酸鹽去除的影響。首先以200mg/L新型復(fù)合碳源為基準(zhǔn)，考察醋酸鈉濃度值為 220、240、260、280mg/L下的 NO3-N 的去除量與200mg/L新型復(fù)合碳源下的去除量的大小關(guān)系，再次以 200mg/L的醋酸鈉碳源為基準(zhǔn)，考察新型復(fù)合碳源以下濃度值為 120、140、160、180mg/L 下的去除量與200mg/L的醋酸鈉作為碳源下的去除量的大小關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖 3可知，對(duì)新型復(fù)合碳源和醋酸鈉碳源，NO3-N去除量均隨著碳源濃度的增加呈線性增加。在 200mg/L新型復(fù)合碳源下的 NO3-N去除量為4.79mg/L，而在獲得等量的 NO3-N 的去除量下，所需醋酸鈉濃度為 270mg/L；同理在 200mg/L醋酸鈉濃度下NO3-N的去除量為 3.34mg/L，而在獲得相同NO3-N去除量前提下，所需的新型復(fù)合碳源濃度僅為 140mg/L。由圖 3可獲得在相同 NO3-N去除量下，其他新型復(fù)合碳源濃度與醋酸鈉濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表 2。從該表中可知，在獲得等量的 NO3-N去除量下，相比醋酸鈉碳源，新型復(fù)合碳源可節(jié)省 30%用量。

圖3 碳源濃度對(duì)NO3-N去除量的影響Fig.3 Effect of carbon-source concentration on removal of NO3-N

表2 等量NO3-N去除量下，新型復(fù)合碳源與醋酸鈉用量的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Correspondence between dosages of novel composite carbon source and sodium acetate under same removal of NO3-N

2.4 硝酸鹽濃度的影響

試驗(yàn)條件：固定反應(yīng)時(shí)間3h，2種碳源濃度均為200mg/L時(shí)，改變?cè)褐胁煌跛猁}濃度，以考察對(duì)硝酸鹽去除量的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 初始硝酸鹽濃度對(duì)NO3-N去除量的影響Tab.3 Effect of initial nitrate concentration on NO3-N removal

由表 3可知，在 200mg/L的新型復(fù)合碳源濃度下，改變?cè)褐邢跛猁}濃度含量，并不改變硝酸鹽去除量的大小，在原液硝酸鹽濃度8.64～15.60mg/L范圍內(nèi)，硝酸鹽去除量在6.24±0.14mg/L之間，而在原液中硝酸鹽濃度為 5.75mg/L時(shí)，硝酸鹽去除量為4.82mg/L，不落在上述范圍之內(nèi)，是由于原液中硝酸鹽濃度小于硝酸鹽的去除量所致?？疾炝颂荚礉舛韧瑸?200mg/L的醋酸鈉碳源可知，其在硝酸鹽濃度為9.05～15.40mg/L范圍內(nèi)，硝酸鹽去除量在4.14±0.26之間。由表 3可知，在相同碳源濃度下，相比醋酸鈉碳源，新型復(fù)合碳源的硝酸鹽去除量可增加50%。

2.5 工程應(yīng)用

在天津某綜合工業(yè)園區(qū)污水處理廠進(jìn)行了新型復(fù)合碳源與醋酸鈉碳源分別作為外加碳源時(shí)總氮效果去除對(duì)比。該廠生化段處理工藝為A2O工藝，在缺氧池添加碳源，選擇 2個(gè)運(yùn)行條件基本相同的系列(處理量為 10000m3/d)開(kāi)展工程應(yīng)用效果對(duì)比。對(duì)比試驗(yàn)分為 2個(gè)階段，其中 A階段新型復(fù)合碳源的用量為醋酸鈉用量的70%，即節(jié)約30%用量，共試驗(yàn)33d，B階段為進(jìn)一步降低新型復(fù)合碳源用量，其值為醋酸鈉用量的50%，共試驗(yàn)20d。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 4。

由圖4可知，在A階段下，用新型復(fù)合碳源作為外加碳源時(shí)，二沉池出水總氮濃度值大部分低于乙酸鈉碳源的情形，這表明新型復(fù)合碳源投加量仍有下調(diào)空間。在試驗(yàn) B階段下，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，新型復(fù)合碳源作為碳源時(shí)的二沉池出水總氮小于醋酸鈉碳源時(shí)的天數(shù)為5d，僅占比為23.8%，由此推斷在獲得等量硝酸鹽去除下，新型復(fù)合碳源的節(jié)省量最好控制在50%之內(nèi)。

圖4 新型復(fù)合碳源與醋酸鈉碳源總氮去除工程效果對(duì)比Fig.4 Comparison of TN removal in engineering between novel composite carbon source and sodium acetate

3 結(jié) 論

本研究通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)開(kāi)展了一種新型復(fù)合碳源與傳統(tǒng)醋酸鈉碳源去除硝態(tài)氮效果的試驗(yàn)對(duì)比，進(jìn)而進(jìn)行了工程應(yīng)用效果對(duì)比實(shí)踐。研究結(jié)果表明：

①靜態(tài)試驗(yàn)中，在獲得等量的硝酸鹽去除量時(shí)，新型復(fù)合碳源可比醋酸鈉碳源節(jié)約 30%的用量；在相同碳源濃度下，新型復(fù)合碳源可比醋酸鈉碳源多去除50%的硝酸鹽量。

②在實(shí)際工程應(yīng)用中取得的效果比靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果更優(yōu)，如果采用新型復(fù)合碳源替代傳統(tǒng)醋酸鈉碳源，預(yù)計(jì)外加碳源可獲得約40%的節(jié)省量?！?/p>