不同C/N對活性炭顆粒填料厭氧同步消化反硝化的影響

冉春秋，葛 輝，趙不凋

(大連民族學院環境與資源學院，遼寧大連116605)

厭氧同步消化反硝化能夠在同一反應器或處理單元中實現有機污染物和硝態氮污染物的同時去除，不僅減少了處理單元，同時可避免傳統處理工藝中反硝化階段碳源不足的問題。Huang等［1］對養豬場污水進行硝化處理后回流到UASB反應器進行厭氧同步消化反硝化處理，COD、總氮的去除率分別達到96% ～97%和54% ～77%，其中在UASB反應器中實現完全反硝化。孫洪偉等［2］在UASB反應器中通過厭氧同步反硝化和產甲烷作用實現了硝態氮和有機物的高效去除。操家順等［3］利用反硝化菌和厭氧氧化菌生長基質相近的特點，構建氣提式反應器，通過反硝化顆粒污泥研究厭氧氨氧化、反硝化和甲烷化的耦合作用，對-N、TN、-N及COD的去除率分別為45%、69%、94%和81%，成功實現了 COD、-N和-N的協同去除。相關研究表明，在反硝化脫氮工藝中，以C6H12O6作為電子供體，當m(COD)/m(-N)介于8.86～53時，反硝化和厭氧消化同時存在［4］，且氮源(-N)的存在有利于COD的去除，有機物優先作為反硝化的電子供體而被消耗［5］。這也表明，不同碳氮比(C/N)對厭氧消化產甲烷和反硝化過程具有一定影響。

本課題組前期通過馴化培養具有較高生物相容性和代謝活性的厭氧消化菌和反硝化菌，構建無質子交換膜微生物燃料電池(MFC)污水處理系統，使厭氧消化菌和反硝化菌分別在陽極和陰極附著成膜，組成生物陽極和生物陰極，耦合陽極氧化和陰極還原過程，實現了模擬污水中COD和-N的高效去除［6-8］，而且該系統對-N也有較明顯的去除效果。這說明，加強電子、質子傳遞明顯促進了同時厭氧消化、反硝化和厭氧氨氧化作用。

顆粒活性炭具有多孔和較大的比表面積，微生物易在表面附著成膜;且活性炭具有一定的導電性，以活性炭為載體能夠促進電子傳遞。因此，本研究通過同時馴化培養厭氧消化菌、反硝化菌和厭氧氨氧化菌，以活性炭顆粒為填料構建厭氧污水處理系統，進而考察不同C/N對厭氧同步消化、反硝化和厭氧氨氧化作用協同去除污水中有機污染物和含氮污染物的影響。

1 材料與方法

1.1 微生物的馴化培養

厭氧消化菌培養基配方為(mg·L-1):(NH4)2SO430，KH2PO430，KHCO3500，MgSO4200，FeCl3100，CaCl230，C6H12O6500，NaNO340。反硝化菌和厭氧氨氧化菌生長的基質相近［3］，因此兩種微生物在一起馴化培養，培養基配方為(mg·L-1):(NH4)2SO460，KH2PO430，KHCO3500，MgSO4200，FeCl3100，CaCl230，C6H12O6200，NaNO3200。每升培養基添加微量元素液1～2 mL，微量元素液配方(g·L-1):EDTA 50.0，ZnSO42.2，CaCl25.5，MnCl2·4H2O 5.06，FeSO4·7H2O 5.0，(NH4)6Mo7O2·4H2O 1.1，CuSO4·5H2O 1.57，CoCl2·6H2O 1.61。

分別接種污水處理廠厭氧消化池的厭氧消化污泥和反硝化池的反硝化污泥到密閉的錐形瓶中馴化培養，每天更換一次培養基，并用高純氮氣排除系統內的氧氣，培養期間溶液pH值均控制在6.5～7.5，控制污泥的質量濃度在 3 500 ～4 000 mg·L-1。在馴化培養過程中，當出水中的COD、-N和-N的質量濃度逐漸降低且三者變化均較小時，表明所需的微生物馴化培養成功。

1.2 實驗裝置及運行方式

以內徑6 cm、長20 cm的圓柱形有機玻璃為厭氧生物反應器的外殼，兩端采用螺母加蓋固定，內部裝填粒徑為3～6 mm的活性炭顆粒，高度為18 cm。將分別馴化好的厭氧消化菌和反硝化菌的懸浮液(MLSS為(3 500±20)mg·L-1)按照體積比1∶1裝入反應器并剛好浸沒活性炭顆粒，上端、下端分別留有添加和排放污水的端口。運行期間通過蠕動泵用軟管連接反應器上下端使污水循環流動，蠕動泵的流速為20 mL·min-1，實驗裝置如圖1。每天更換一次處理污水。

圖1 以活性炭為填料的厭氧污水處理系統

1.3 模擬污水和分析測試方法

采用去離子水配制待處理的模擬污水［6-8］(mg·L-1):KH2PO430，KHCO3500，MgSO4200，CaCl230，(NH4)2SO4100，FeCl3100，NaNO3200;C6H12O6質量濃度分別為300 mg·L-1和400 mg·L-1，采用兩套處理系統同時運行。每升模擬污水中添加1～2 mL微量元素液，調節pH值為7.0±0.2，每天更換一次模擬污水。

相關指標的測定:用pH計(pHS-25型，上海精科雷磁)測定pH值，用重鉻酸鉀微波消解快速測定法測定COD質量濃度，用納氏試劑分光光度法測量氨氮濃度，用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定亞硝鹽氮濃度，用紫外分光光度法測量硝酸鹽氮濃度［9］。文中實驗數據均為三次測定結果平均值。

2 結果與討論

2.1 不同C/N時出水中COD質量濃度變化

本研究中以C6H12O6作為唯一的有機碳源，進水中C6H12O6質量濃度分別為300 mg·L-1和400 mg·L-1。連續運行期間出水中COD質量濃度的變化如圖2。進水中COD負荷不同時，兩處理系統對COD均有較的好去除效果，當進水中COD負荷越低時則出水中COD的去除效果越好。出水中COD最高分別為28.62 mg·L-1和59.36 mg·L-1，最低分別為 12.72 mg·L-1和 33 mg·L-1;COD去除率最高分別為96.00%和92.00%，最低分別為91.00%和86.00%。

圖2出水中COD質量濃度變化

在系統運行期間，COD的去除效率主要受到活性炭顆粒表面附著厭氧消化菌和反硝化菌的生物量和代謝活性的影響。已有研究表明:在反硝化脫氮工藝中若僅以C6H12O6作為有機碳源時，當m(COD)/m(-N)介于8.86～53時，反硝化和厭氧消化過程將同時存在［4］，且氮源(-N)的存在有利于COD的去除，有機物優先作為反硝化的電子供體而被消耗［5］。在本研究中，兩處理系統進水中的m(COD)/m(-N)分別為9.65和12.87，且出水中COD和-N的質量濃度明顯降低(如圖2和圖4)，說明在處理過程中同時存在厭氧消化和反硝化作用，這與已有的研究報道一致。

2.2 出水中-N質量濃度變化

圖3 出水中質量濃度變化

2.3 出水中-N質量濃度變化

本課題組的前期研究表明:以不銹鋼網為電極，利用厭氧消化菌在陽極附著成膜、反硝化菌在陰極附著成膜，構建無質子膜的MFC污水處理系統，通過加強電子、質子傳遞促進了同步厭氧消化、反硝化作用和厭氧氨氧化作用［6，8］。活性炭顆粒具有一定的導電性，有機物厭氧消化過程中釋放的電子可通過活性炭顆粒傳遞給反硝化菌，促進了反硝化菌的脫氮作用;同時反硝化作用的加強也促進了厭氧消化作用，因此兩處理系統對COD和-N均有較好的去除效果，去除率分別在86%和92%以上。

圖4 出水中N質量濃度變化

3 結論

(1)通過馴化培養厭氧消化菌、反硝化菌和厭氧氨氧化菌，構建以粒徑3～6 mm的活性炭顆粒為填料的厭氧污水處理系統，可實現模擬污水中有機污染物和含氮污染物的穩定、高效去除。

［1］HUANG J S，CHOU H H，CHEN C M，et al.Effect of recycle-to-influent ratio on activities of nitrifiers and denitrifiers in a combined UASB-activated sludge reactor system［J］.Chemosphere，2007，68(1):382-388.

［2］孫洪偉，王淑瑩，時曉寧，等.單一缺氧/厭氧UASB同步反硝化產甲烷與A/O組合工藝處理實際晚期滲濾液［J］.化工學報，2009，60(11):2891-2896.

［3］操家順，周文理，張玉濤，等.厭氧氨氧化、反硝化與甲烷化耦合研究［J］.南京理工大學學報，2009，33(4):538-542，547.

［4］AKUNNA J C，BIZEAU C，MOLETTA R.Denitrification in anaerobic digesters:possibilities and influence of wastewater COD/N-NOXratio［J］.Environmental Technology，1992，13:825-836.

［5］王蕊，謝麗，陳金榮，等.COD/-N對厭氧同時反硝化產甲烷的影響［J］.水處理技術，2012，38(4):21-24，34.

［6］冉春秋，崔玉波，趙不凋，等.雙室型無質子膜MFCs協同去除COD和含氮污染物的能力［J］.土木建筑與環境工程，2012，34(6):139-144.

［7］冉春秋，李海燕，王冰，等.電極面積對無質子交換膜微生物燃料電池協同去污能力的研究［J］.環境工程學報，2013，27(2):563-567.

［8］冉春秋，崔玉波，李海燕，等.單室型無質子膜微生物燃料電池協同去除COD和含氮污染物［J］.高校化學工程學報，2013.27(2):316-321.

［9］國家環境保護局.水和廢水監測分析方法［M］.4版.北京:中國環境科學出版社，2002.

［10］QUEVEDO M，GUYNOT E，MUXI L.Denitrifying potential of methanogenic sludge［J］.Biotechnology Letters，1996，18(12):1363-1368.

［11］SRINANDAN C S，D’SOUZA G，SRIVASTAVA N，et al.Carbon sources influence the nitrate removal activity，community structure and biofilm architecture［J］.Bioresource Technology，2012，117:292-299.