反硝化脫氮過程中外加碳源的選擇與投加

孫滿

大慶油田設計院有限公司

隨著工農業生產的發展，水環境保護面臨著巨大壓力。因此，國家在新修訂的排放標準中對某些污染物諸如化學需氧量（COD）、總氮（TN）的排放提出了嚴格的要求。甚至一些地區要求市政污水處理廠提標到地表水準四類標準，要求處理出水中總氮濃度≤10 mg/L。目前我國城市污水普遍存在反硝化碳源不足的問題，為達標排放必須使用外加碳源。根據所掌握的數據顯示：在前置反硝化處理工藝中，每降低1 mg/L TN 碳源方面的費用為0.03～0.05元。因此碳源的選擇與使用對水廠的節能降耗至關重要。

1 碳源的選擇

我國城市污水普遍存在反硝化碳源不足的問題，已經成為制約生物脫氮的重要因素。污水廠在碳源選擇時要遵循以下原則：容易被微生物降解，容易被反硝化菌利用；反應速度快，避免增加后續處理單元的負擔；反硝化菌適應性好；價格便宜；具有較高生物安全性；便于就地采購。

表1 為部分碳源的主要性質[1-3]。值得注意的是，有些物質黏性較大且遇冷結晶、冰凍等特點，給儲運裝卸帶來非常大的不便，因此北方地區的污水廠在碳源的選擇過程中一定要注意這一點。此外，復合碳源的質量控制難度較大，在選擇的過程中要注意其所含雜質對后續處理工段以及出水指標的影響。

表1 部分碳源的主要性質Tab.1 Main properties of some carbon sources

2 碳源的投加點

常見脫氮處理工藝如圖1 和圖2 所示。在前置反硝化脫氮和四段法（Bardenpho）脫氮處理工藝中，碳源的投加點有所不同。

圖1 前置反硝化處理工藝Tab.1 Pre-denitrification treatment process

圖2 四段法（Bardenpho）處理工藝Fig.2 Four-stage（Bardenpho）treatment process

2.1 前置反硝化碳源的投加

采用前置反硝化的目的是盡量利用原水中的易降解有機物作為碳源來實現反硝化過程。如果原水中碳氮比較低，則需要投入碳源。但是前置反硝化過程受到流態的影響，TN 的極限去除效率在70%左右。因此當原水TN濃度高于50 mg/L時，碳源的投加就不再是出水TN達標的決定性因素（出水TN濃度≤15 mg/L）[4-5]。

另外，在前置反硝化段微生物類種群比較復雜，存在不同種類微生物（聚鱗菌、好氧菌以及兼氧菌）對碳源的競爭，因此碳源的利用率有所降低。此外，一些工程中將碳源投入到兼氧段前的調節池中，導致碳源的實際利用率更低。

2.2 四段法脫氮處理工藝中碳源的投加

一般而言，在四段法（Bardenpho）脫氮處理工藝中，選擇在后置兼氧段投加碳源。其目的是使原水中的易降解有機物在前置反硝化段得到充分利用，以節約碳源用量。Bardenpho工藝的出水TN可以達到3 mg/L以下。

3 碳源的投加量

決定反硝化進程的因素有很多，如污泥齡、溶解氧（DO）、水溫、原水的堿度、pH 值、污泥濃度、反應器的類型等等。在原水碳氮比較低的情況下，投加碳源是保證出水TN 達標的必要條件之一，但是科學的運行調控也是決定TN 達標的必要條件之一。

3.1 碳源投加與溶解氧

以甲醇為碳源的反硝化過程可用如下公式描述：

從公式（1）中可以得知：1 gNOx-N 完全反硝化需要消耗2.9 g 甲醇，同時有0.45 g 生物量產生。很多工程技術人員以上式為依據來確定反硝化過程的碳源需要量。工程實踐經驗表明：這種方法是不恰當的。因上述公式僅僅描述的是反硝化生物轉化過程而已，其形式所限無法將反硝化細菌代謝過程的各種影響因素羅列其中。

意大利研究人員對反硝化過程的研究結果[6]表明：易降解有機物污泥負荷率（F∶M）、溶解氧（DO）、以及降解速率之間有一定的關系。當溶解氧含量增大，有機物污泥負荷率相同時，降解速率減低，在溶解氧大于0.5 mg/L時趨勢變緩。

其中的F∶M 代表的是易降解有機物（BOD5）負荷率，即反硝化過程中易降解有機物與揮發性懸浮固體的質量比。其中的易降解有機物就是反硝化過程的碳源總量（包括污水中含有的BOD 和外加碳源）。通常反硝化過程控制在兼氧條件下，即DO=0.1～0.3 mg/L，相當于氧化還原電位（ORP）在-100～50 mV之間。因此可以看出不同的F∶M情況下反硝化過程比降解速率。在已知原水BOD5值的情況下就可以計算出碳源的投加量。

此外，在溶解氧濃度過高的情況下（大于0.3 mg/L）碳源的利用效率明顯降低。

3.2 碳源投加與污泥齡

有研究表明：在活性污泥中反硝化細菌占比較低（僅占活性污泥微生物總量的17%左右）[7]。另外，反硝化細菌的世代周期較長。由此可見，污泥齡（SRT）是反硝化過程關鍵影響因素之一。SRT、F∶M 以及脫氮速率之間的關系也決定了碳源投加量。為了提高碳源的利用效率，SRT宜控制在20 d左右，而且F∶M宜控制在0.1～0.4之間。

4 結束語

無論是污水處理廠的設計還是運行，為了使反硝化脫氮過程更加有效的完成，其外加碳源的選擇原則是在滿足處理要求的前提下就地取材，可以大幅度降低運行費用；同時確定外加碳源投加點分別在前置反硝化過程中和四段脫氮處理工藝中，目的是使原水中的易降解有機物在前置反硝化段得到充分利用，以節約碳源用量。此外，以反硝化單元的DO、F∶M、SRT 為依據來確定碳源的投加量更具有實際意義。