植物廢棄物的釋碳能力對生物反硝化作用的影響

張紅梅，楊百忍，王 磊，秦 盈，陳 月

（鹽城工學院環境科學與工程學院，江蘇鹽城 224051）

1 引言

氮對動植物以及人類的生長、生存有很大作用，但是人類的過度利用，使氮在循環過程中加劇了水體富營養化[1]。含氮廢水的有效處理已經成為人們關注的熱點，污水處理廠提高脫氮水平勢在必行。但是，目前大部分污水處理廠都存在由于進水碳源不足而使脫氮效率低的問題。提高系統脫氮效率方法：一是擴大缺氧區體積，二是外加碳源。傳統的外加碳源一般包括甲醇、乙醇等低分子有機物和葡萄糖、蔗糖等糖類物質[2]。為了降低水體脫氮技術的成本，很多研究人員通過多種途徑尋找無毒、廉價的碳源來代替傳統碳源[3-5]。新型碳源主要以一些低廉的固體有機物為主，主要用作固態碳源的是玉米、木屑、麥稈、稻殼等。

2 材料與方法

2.1 實驗材料和儀器

收集甘蔗渣和木屑，曬干，粉碎，過100目的篩之后，于65℃的烘干2d，冷卻后放入真空袋備用。

SPX-250C型恒溫恒濕箱、JPSJ-605型溶解氧測定儀、TU-1901型紫外分光光度計SD101-2AS電熱鼓風干燥箱等設備。

實驗所用模擬廢水由葡萄糖、氯化銨與自來水配制而成。

2.2 實驗方法

2.2.1 釋碳性能研究

（1）時間對釋碳性能的影響

分別稱取10g的甘蔗渣、木屑于800mL的蒸餾水，pH調為7左右，溫度25℃，分別在1h、4h、8h、12h、24h、48h、72h和96h取樣，過濾，測定水樣中的COD濃度。

（2）溫度對釋碳性能的影響

調節溫度為10℃、20℃、30℃、40℃，其他反應條件同上，8h后取樣測定COD。

（3）pH對釋碳性能的影響

調節pH值5、6、8、9左右，溫度25℃，其他反應條件同上，進行實驗。

（4）固液比對釋碳性能的研究

調節固液比為1∶40、1∶80、1∶160、1∶200，pH為7左右，其他反應條件同上，進行實驗。

2.2.2 廢水生物反硝化實驗

實驗采用SBR工藝，12h運行一個周期，其中好氧曝氣5h、缺氧攪拌2h、靜置1h。分別測定原水以及各階段反應后出水中氨氮、亞硝氮、硝氮以及COD的濃度。

3 結果與討論

3.1 時間對固體碳源釋碳能力的影響

采用上述實驗條件（1），反應時間對釋碳能力的影響如圖1所示。

圖1 固體碳源釋碳能力隨時間的變化

從圖1可以看出，相同條件下，甘蔗,釋放的COD濃度明顯高于木屑釋放的COD濃度，在12h時COD達到最高，分別為7 900mg/L、640mg/L。兩種碳源釋放的COD隨時間的變化情況相似，先增大，12h后有所下降，24h后COD的濃度趨于穩定。這可能是在固體碳源釋碳過程中，會產生一些酸性物質，導致廢水pH下降，阻礙碳源的進一步釋碳。

3.2 溫度對固體碳源釋碳能力的影響

采用上述實驗條件（2），反應溫度對釋碳能力的影響如圖2所示。

圖2 固體碳源釋碳能力隨溫度的變化

從圖2可以看出，甘蔗渣和木屑釋放的COD濃度基本上是隨著溫度的升高而上升，所以溫度越高，越有利于碳源的釋放。從10℃變化到40℃，甘蔗釋放的COD濃度基本在6 000mg/L左右，但是木屑的釋放的COD從160mg/L上升到444mg/L，也就是說溫度對甘蔗的釋碳過程比對木屑的釋碳過程影響小。

3.3 pH對固體碳源釋碳能力的影響

采用上述實驗條件（3），反應溫度對釋碳能力的影響如圖3所示。

圖3 固體碳源釋碳能力隨pH的變化

從圖3可以看出，不管是甘蔗還是木屑，其釋放的COD濃度隨著pH的變化趨勢是先上升后下降，在pH為8的時候，都達到最大值，分別為840mg/L和560mg/L，隨后COD的濃度快速下降。這可能是因為甘蔗渣和木屑這類固體碳源在釋碳過程中本身會產生一些酸性物質，從而導致釋碳環境的變化，所以在堿性條件下釋放的COD濃度會比酸性條件下釋放的濃度高；但是堿性太高，會破壞固體碳源的性質，又會導致釋放的COD濃度下降。

3.4 固液比對固體碳源釋碳能力的影響

采用上述實驗條件（4），反應溫度對釋碳能力的影響如圖4所示。

圖4 固體碳源釋碳能力隨溫度的變化

從圖4可以看出：甘蔗和木屑釋放的COD濃度隨著固液比的增大減小，固液比為1∶200時，甘蔗和木屑釋放量達到最大值，分別為560mg/g、88mg/g，在1∶40的時候釋碳量最小，分別是496mg/g、44.8mg/g。固液比越小，物質之間傳質的阻力會越小，所以會有利于碳源的釋放。

3.5 固體碳源的投加對系統反硝化脫氮效果的影響

多次實驗發現，在缺氧階段不投加外碳源時，總脫氮率和COD的去除率都較低，分別在60%、70%；在缺氧階段結束后，硝氮和亞硝氮的濃度還比較高，說明在缺氧階段，大部分硝氮和亞硝氮未進行反硝化反應，導致總脫氮率低。

實驗以甘蔗渣、木屑固液比為1∶40和1∶80，在溫度為25℃，運行總時間8h的條件下，進行生物脫氮。脫氮率、缺氧階段脫氮率、COD去除率的變化情況如圖5、圖6所示。

圖5 各去除率隨投加木屑質量的變化

圖6 各去除率隨投加甘蔗渣質量的變化

由圖5、圖6可知，不管是投加木屑還是甘蔗渣，都不同程度地提高了系統的脫氮率，沒有投加碳源時，脫氮率只有60%左右，加入碳源之后，脫氮率基本都大于80%，所以外加碳源可明顯提高系統的脫氮率。且甘蔗作為外加碳源時，脫氮率高于木屑作為外加碳源時的脫氮率。

當木屑作為外加碳源時，隨著碳源的增加，缺氧階段的脫氮率、總的脫氮率以及COD的去除率都在上升，當投加的木屑質量為0.044g時，缺氧階段的脫氮率、總的脫氮率以及COD的去除率都達到最大值，分別是42%，86.74%，89.20%。甘蔗作為外加碳源時，明顯提高了缺氧階段的脫氮率，當加入的質量為0.464g，缺氧階段的脫氮率達到70.15%，缺氧階段結束時亞硝氮的濃度為零，硝氮的濃度也很小，總的脫氮率達到95.53%。但投加外碳源較多時，COD的去除率開始下降，這是因為加入的碳源本身構成COD，從而導致COD的去除率下降。

4 結論

1）甘蔗的釋碳能力和生物反硝化過程的影響能力都比木屑大。

2）對兩種固體碳源而言，固液比對釋碳過程影響最大，其次是時間，pH對釋碳過程的影響都比較小。固液比為1：200時，甘蔗和木屑的釋碳量達到最大值，分別為560mg/g、88mg/g。

3）木屑作為外加碳源時，缺氧階段脫氮率、總脫氮率、COD的去除率都隨著加入碳源質量的增加而上升。當投加量0.044g時，缺氧階段脫氮率、總脫氮率以及COD的去除率都達到最大值，分別為42%，86.74%，89.20%。

4）甘蔗作為外加碳源時，脫氮率都隨著碳質量的增加而上升，但COD的去除率卻略有下降，當投加量為0.464g，缺氧階段脫氮率、總脫氮率達到最大值，分別是70.15%、95.53%；COD的去除率為78.40%。