新型復合碳源去除工業(yè)綜合園區(qū)廢水中硝酸鹽試驗研究

鄧 林，王 慶，潘 倩，馬麗媛，張建柱，尚興盈，張惠源

(1. 天津大學環(huán)境科學與工程學院 天津300072；2. 天津泰達新水源科技開發(fā)有限公司 天津300457；3. 天津泰達水業(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)濟有效的方式。在越來越嚴格的總氮排放標準下，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。對于此類廢水，外加碳源是提高總氮去除率從而實現(xiàn)達標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)有機物為主，其中應用最廣泛的是乙酸鈉和甲醇碳源，前者反硝化菌易于利用、響應速度快、脫氮效果好，但價格昂貴、污泥產(chǎn)率高；后者運行費用較低、產(chǎn)泥量較小，但響應時間較慢，應急投加效果往往不佳，且其具有毒性，長期作為碳源，對尾水排放具有一定的影響。由于總氮排放限值越來越嚴格，在滿足達標排放時，外投碳源量相對以前有了較大增長，運行成本增加。近些年，新型碳源的開發(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]、玉米秸稈類有機質(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合碳源作為外加碳源進行了工業(yè)廢水中硝酸鹽去除研究，該新型碳源是通過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。本研究以工業(yè)上常用的乙酸鈉碳源為對照，首先實驗研究新型復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)水處理廠進行工程應用驗證，進一步確定新型復合碳源在實際工程應用中的總氮去除效果。

1 試驗部分

1.1 廢水水質(zhì)

表 1給出了天津某工業(yè)綜合園區(qū)的主要進水水質(zhì)參數(shù)值以及關聯(lián)水質(zhì)參數(shù)比值。從B/C值為0.299可知，基本可滿足生物法處理要求，C/N值為 8.80，而B/N值為2.63，為了滿足脫氮的需求，一般需B/N值大于 5，為了 TN 的達標排放，需額外補充易降解的碳源以滿足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 試驗方法

試驗裝置：采用2臺可調(diào)節(jié)攪拌轉速的六聯(lián)攪拌反應器，同時開展 2種碳源(新型復合碳源與乙酸鈉碳源)對反硝化過程影響的試驗。

試驗流程：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用原液，試驗時分別向2臺六聯(lián)攪拌器6個反應器中加入1L該原液，然后一組六聯(lián)反應器中加入對照組的乙酸鈉碳源，另一組六聯(lián)反應器加入試驗組的新型復合碳源。碳源加入后，開始計時，間隔相同反應時間取樣化驗。

1.3 項目測定與方法

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

不同時間間隔的NO3-N去除量用下式計算：

式中：ΔMt為反應時間t時NO3-N的去除量，mg/L；M0為反應初始時的 NO3-N含量，mg/L；Mt為反應時間t時NO3-N含量，mg/L。

2 結果與討論

2.1 轉速的影響

為了消除 2臺六聯(lián)攪拌反應器裝置及攪拌強度對實驗結果的影響，首先考察了攪拌器轉速對反硝化硝酸鹽去除的影響。試驗條件：新型復合碳源濃度200mg/L，醋酸鈉濃度 200mg/L，反應時間 3h，向所取泥水混合液中額外添加NO3-N 10mg/L。改變轉速為 20、40、60、80、100和 120rpm，分析轉速對硝態(tài)氮去除的影響。試驗結果見圖1。

圖1 攪拌轉速對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，對于新型復合碳源轉速試驗，NO3-N去除量在轉速為 20～60rpm范圍內(nèi)，隨轉速的增加而增加，這主要是由于轉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)增大轉速至 120rpm時，NO3-N的去除量隨轉速的增大反而下降。這一方面可能是轉速的增大導致了微生物凝聚體被打散，影響了微生物的活性；另一方面轉速的增大導致空氣中向反應器中的富氧速率增大，引起了水中的溶解氧增加，導致微生物以氧氣為電子載體，從而影響 NO3-N的去除。因此，對于新型復合碳源轉速實驗下的儀器轉速確定為60rpm。

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

2.2 反應時間的影響

試驗條件：新型復合碳源 200mg/L，醋酸鈉200mg/L；取樣時間間隔分別為 30、60、120、180、240min，考察反應時間對 NO3-N 去除量的影響。試驗結果見圖2。

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

圖2 反應時間對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

試驗條件：固定反應時間為 3h，改變投加碳源濃度，考察碳源濃度對硝酸鹽去除的影響。首先以200mg/L新型復合碳源為基準，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新型復合碳源下的去除量的大小關系，再次以 200mg/L的醋酸鈉碳源為基準，考察新型復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系。試驗結果見圖3。

由圖 3可知，對新型復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，其他新型復合碳源濃度與醋酸鈉濃度的對應關系，見表 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，新型復合碳源可節(jié)省 30%用量。

圖3 碳源濃度對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，新型復合碳源與醋酸鈉用量的對應關系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

試驗條件：固定反應時間3h，2種碳源濃度均為200mg/L時，改變原液中不同硝酸鹽濃度，以考察對硝酸鹽去除量的影響。試驗結果見表3。

表3 初始硝酸鹽濃度對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的新型復合碳源濃度下，改變原液中硝酸鹽濃度含量，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，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，新型復合碳源的硝酸鹽去除量可增加50%。

2.5 工程應用

在天津某綜合工業(yè)園區(qū)污水處理廠進行了新型復合碳源與醋酸鈉碳源分別作為外加碳源時總氮效果去除對比。該廠生化段處理工藝為A2O工藝，在缺氧池添加碳源，選擇 2個運行條件基本相同的系列(處理量為 10000m3/d)開展工程應用效果對比。對比試驗分為 2個階段，其中 A階段新型復合碳源的用量為醋酸鈉用量的70%，即節(jié)約30%用量，共試驗33d，B階段為進一步降低新型復合碳源用量，其值為醋酸鈉用量的50%，共試驗20d。對比試驗結果見圖 4。

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

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

3 結 論

本研究通過靜態(tài)試驗開展了一種新型復合碳源與傳統(tǒng)醋酸鈉碳源去除硝態(tài)氮效果的試驗對比，進而進行了工程應用效果對比實踐。研究結果表明：

①靜態(tài)試驗中，在獲得等量的硝酸鹽去除量時，新型復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，新型復合碳源可比醋酸鈉碳源多去除50%的硝酸鹽量。

②在實際工程應用中取得的效果比靜態(tài)實驗結果更優(yōu)，如果采用新型復合碳源替代傳統(tǒng)醋酸鈉碳源，預計外加碳源可獲得約40%的節(jié)省量?！?/p>