污水處理工藝反硝化過程的不同碳源研究

慈曉琳

(上海永道環境技術有限公司，上海 200092)

水體中有一個重要的污染因素是較高的氮元素。氮元素的增加不僅會使水體產生富營養化，還會危害水中的生物，對水質造成破壞，使水資源更加緊缺。目前，國家正在不斷加強對水污染治理的管理力度，提高污水處理廠污水排放標準。因此，污水處理廠必須嚴格控制排水中總氮的濃度。

常見的污水處理廠脫氮技術主要是兩類：一類是物理化學法，包括折點加氯法、離子交換法和膜分離法；另一類是生物法，包括反硝化生物濾池、生物膜反應器和人工濕地等。在生物法中，污水處理廠最常用的工藝是反硝化脫氮工藝。其反應原理是，在缺氧條件下，由于反硝化細菌的作用，廢水中的硝酸鹽氮(NO3-N)和亞硝酸鹽氮(NO2-N)被還原為氮氣(N2)。反硝化菌作為異養型生物，能在缺氧狀態時，利用有機物作為電子供體提供能量，使硝酸鹽中的氧作為電子受體被氧化。反硝化的反應方程式如下：

(1)

(2)

從理論上講，反硝化1 g硝酸鹽氮消耗2.86 g BOD5，反硝化1 g亞硝酸鹽氮消耗1.71 g BOD5[1]。

但是反硝化菌作為異養型生物，需要額外提供碳源。不同類型的碳源對脫氮效果有不同的影響。本文主要研究了污水處理廠三種常用的碳源[2-4]，分別是乙酸、乙酸鈉和葡萄糖，考察了不同碳源對某污水處理廠缺氧池內反硝化菌脫氮效果，脫氮速率以及反硝化后對水體中pH值的影響。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

污泥：某污水處理廠缺氧池污泥。

水樣：用去離子水和硝酸鈉配置的初始硝酸鹽氮濃度為50 mg/L的模擬水樣。

試劑：乙酸、葡萄糖、鹽酸和氫氧化鈉均來自上海凌峰化學試劑有限公司；乙酸鈉和硝酸鈉來自上海潤捷化學試劑有限公司；所有試劑均為分析純。

儀器S210pH計，梅特勒-托利多；DL-4C離心機，上海安亭科學儀器廠；5100溶解氧測定儀，YSI公司；SPH-310F搖床，上海世平實驗設備有限公司；DR6000分光光度計，哈希公司。

1.2 實驗方法

不同碳源反硝化實驗方法為：常溫下，在多個相同反應器內分別添加經過去離子水清洗后的某污水處理廠缺氧池污泥和1.1章節所述模擬水樣，添加后溶液體積相同，污泥濃度相同(MLSS為4000 mg/L)，并向反應器內投加不同的的碳源，用鹽酸和氫氧化鈉調節pH使pH值介于6.5～7.5，用氮氣對其進行曝氣使DO值小于0.5 mg/L，通過比較多個反應器內樣品經過一段時間的反應后，水中氮類指標的變化情況，判斷不同碳源的反硝化效果。

pH值的測定采用GB/T6920 玻璃電極法。

硝酸鹽氮的測定采用HACH10020 變色酸法。

亞硝酸鹽氮的測定采用GB/T 7493 水質 亞硝酸鹽氮的測定 分光光度法。

2 結果與討論

2.1 不同碳源對氮去除的影響

2.1.1 不同碳源對亞硝酸鹽氮去除的影響

本實驗投加了充足的不同碳源后(充足的碳源是2倍的根據上述反應溶液中硝酸鹽氮完全轉化所需碳源理論質量)，測試了初始及反應過程中，各個反應器內亞硝酸鹽的變化，實驗結果如圖1所示。

根據實驗結果，反應開始時，所配初始溶液不含有亞硝酸鹽氮，反應過程中沒有明顯的亞硝酸鹽氮積累，這是由于污水處理廠的反硝化污泥菌群結構不同，在充足的碳源存在條件下，硝酸鹽還原酶并未完全主導反硝化過程，此過程中硝酸鹽氮還原為亞硝酸鹽氮的速率低于亞硝酸鹽氮被還原為氮氣的速率[5]。該污水處理廠在常規監測缺氧池反硝化作用時，可以將硝酸鹽氮的變化做為主要指標，其它污水處理廠也可根據此實驗方法進行實驗，判斷采用哪些指標來監測缺氧池反硝化作用。

2.1.2 不同碳源投加量對硝酸鹽氮去除的影響

本實驗測試了不同量的不同碳源在反應結束后，各個反應器內硝酸鹽氮的去除率，實驗結果如圖2所示。

圖2 硝酸鹽氮去除率隨碳源投加的變化

根據實驗結果，使用不同碳源時，隨著碳源投加量的增加，水樣中硝酸鹽氮去除效率也隨之升高。此外，不考慮反硝化過程中的微生物細胞合成的情況下，可以由圖2去除曲線估算出去除每g硝酸鹽氮所消耗的碳源量，實驗檢測結果和文獻中的參考數據比較結果如表1所示。

表1 碳源消耗量計算結果與文獻數據對比

根據實驗結果計算，去除每單位硝酸鹽氮，乙酸消耗的量最少，葡萄糖消耗的量最大。盡管實驗結果與文獻數據有差距，但去除單位硝酸鹽氮所需要的碳源量高低排名是一致的。

2.2 不同碳源對反硝化速率的影響

本實驗投加了充足的不同碳源后，測試了硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的變化，實驗結果如圖3所示。

圖3 氮去除隨反應時間的變化

根據該實驗結果，當乙酸鈉作為碳源時，硝酸鹽氮去除速率最快，而選用葡萄糖時的反應速率最慢，這是因為葡萄糖的分子結構與乙酸等相比較為復雜,在微生物對葡萄糖的降解過程中，葡萄糖會先轉化為酸性的丙酮酸，再在乙酰輔酶A的作用下不完全氧化為乙醇和乳酸，隨后進一步被異養反硝化菌吸收利用[6-7]，降解過程如圖4所示。

圖4 葡萄糖降解過程

根據實驗結果計算該污水處理廠缺氧池反硝化菌的反硝化速率，并與文獻中的參考數據進行比較，結果如表2所示。

表2 反硝化速率實驗結果計算與文獻數據對比

根據對比結果，可以得到某污水處理廠缺氧池污泥反硝化速率比文獻數據普遍偏低，這主要是因為實驗中使用的反硝化污泥來自實際以低污染物負荷運行的污水處理廠，與文獻作者培養的污泥相比，反硝化菌濃度相對較低。污水處理廠在制定各自的缺氧池水力停留時間時，要考慮各自污泥的反硝化速率。

2.3 不同碳源對反硝化后水質pH值的影響

將初始各反應器內pH值調至7.5，在反硝化過程中每隔1 h測試各個反應器中的pH值，實驗結果如圖5所示。

圖5 pH值隨時間變化曲線

在反硝化過程中，當pH值變化較大時，會對污水處理廠后續生化處理系統產生影響，而且反應過程中pH的變化也會影響反硝化過程中的亞硝酸鹽氮積累，進而干擾脫氮效果。根據實驗結果顯示進出水pH值變化，可以看出，乙酸和乙酸鈉作為碳源時，出水pH值較初始都有一定的升高或保持不變，這是因為硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮被還原為氮氣的過程中會首先生成堿度，而葡萄糖作為碳源時出水pH值降低則是由于反應過程中生成的丙酮酸和乳酸還沒有被完全利用[6-7]。

3 結 論

乙酸、乙酸鈉和葡萄糖三種碳源對反硝化速率的表現為乙酸>乙酸鈉>葡萄糖。使用這三種碳源時對于該污水處理廠在反硝化過程中均無明顯的亞硝酸鹽氮累積。去除單位質量硝酸鹽氮所需的乙酸質量最少，葡萄糖最高。使用乙酸和乙酸鈉作為碳源時，會導致出水pH值升高；而使用葡萄糖時則表現為pH值降低。各個污水處理廠需要根據各自的實際情況選擇合適的碳源。