降低脫氮成本的新型碳源與工藝研究概況

荊肇乾　彭英艷　何瑞　胡靜　楊凱華

摘要：為了減輕外加商業(yè)碳源給生物反硝化帶來的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，降低生物反硝化法的處理成本，需要尋找無毒且更為廉價的碳源以及探尋具有可持續(xù)發(fā)展前景的強化生物脫氮技術(shù)，以取消或減少外部碳源的添加。闡述了目前已投入使用的幾種新型碳源以及無外加碳源的序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）脫氮工藝、兩級序批式反應(yīng)器（SBR）脫氮工藝和其他改進(jìn)工藝。通過新型廉價碳源的合理利用及組合生物脫氮工藝技術(shù)的開發(fā)，可以在自有碳源有限的條件下提高生物脫氮效率。

關(guān)鍵詞：生物反硝化；新型碳源；無外加碳源；生物脫氮工藝

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）03-0517-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.002

New Types of Carbon Source for Reducing the Cost of Denitrification

JING Zhao-qian，PENG Ying-yan，HE Rui，HU Jing，YANG Kai-hua

（College of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： In order to reduce the economic burden of adding carbon source for biological denitrification and the processing cost of the biological denitrification method， innoxious and economical carbon source， and sustainable methods for enhanced denitrification are needed to be explored to cancel or reduce external carbon source. Several new types of carbon sources put into use and the denitrification processes without external carbon addition such as SBBR， two-stage SBR denitrification process and other modified processes were expounded. Through the reasonable utilization of new and cheap carbon source and development of integrated biological denitrification process， efficiency of biological denitrification can be improved under limited carbon source.

Key words： biological denitrification； new carbon source； no external carbon source； biological denitrification process

近年來，由于大量含氮生活污水和工業(yè)廢水排入水體以及農(nóng)用化肥的過度使用等原因，加速了河流、湖泊的富營養(yǎng)化。因此，開發(fā)有效的脫氮技術(shù)成為研究的熱點。在眾多的脫氮技術(shù)中，生物法是運用最為廣泛的一種。傳統(tǒng)的生物脫氮由硝化過程和反硝化過程兩部分組成，而生物反硝化過程中往往存在缺少碳源的問題，為保證反硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行必須有充足的碳源提供，而依靠投加甲醇、乙醇等傳統(tǒng)碳源，處理成本較高[1]。為了降低水體脫氮成本，一方面可以尋找無毒、廉價的新型碳源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳源；另一方面需要研究無需外加碳源的脫氮工藝。

1 新型碳源

低碳氮比污水因自身有機質(zhì)不足導(dǎo)致脫氮效率較低。目前解決該問題的主要方法之一是外加部分碳源，如甲醇等，但由于添加的物質(zhì)往往成本較高，有些還有毒性，在實際生產(chǎn)中難以廣泛運用。所以如何以最低的代價提高脫氮率是低碳氮比污水生物脫氮面臨的主要問題[2]，而尋找合適的新型外加碳源也成為目前關(guān)注的熱點[3，4]。

新型碳源主要以一些價格低廉的天然固體有機物為主[5]。早在1988年，Boussaid等[6]就首次將纖維素作為碳源運用到地下水修復(fù)當(dāng)中，而近年來，富含纖維素類物質(zhì)的天然固體有機物正逐漸用作外加碳源，至今已有研究的纖維素類天然固體有機物有甘草、蘆葦、棉花等植物，植物秸稈和紙等。

1.1 甘草、蘆葦、棉花等植物

甘草、蘆葦、棉花等植物的主要成分為纖維素，它們還擁有較大的比表面積能讓更多的細(xì)菌附著，加快反硝化過程，這些特點使得甘草、蘆葦、棉花等植物可作為菌群的生物載體和反硝化碳源。

Ovez[7]利用序批式厭氧生物膜反應(yīng)器，比較了Gracilaria verrucosa（一種在太平洋西北岸地區(qū)普遍生長的灌木）、萃取的甘草根、大型蘆葦分別作為碳源的情況。結(jié)果表明，Gracilaria verrucosa因其營養(yǎng)物質(zhì)蛋白質(zhì)含量高，比表面積大，具有最好的反硝化脫氮效果。在Gracilaria verrucosa脫氮系統(tǒng)中，可溶性有機碳的含量最高，可生化性最好；硝酸鹽氮在14 d完全被去除。

Volokita等[8]在實驗室條件下，以原棉為碳源去除飲用水中的硝酸氮。在該研究中，棉花同時作為碳源和微生物生長的基質(zhì)。試驗結(jié)果表明，以棉花為碳源脫氮效果明顯，進(jìn)水中的硝酸鹽能在較短時間內(nèi)完全脫除，出水有機物含量低，無氮氣堵塞問題和亞硝酸鹽積累情況。金贊芳等[9]同樣以棉花為外加碳源和細(xì)菌生長的載體，利用生物反應(yīng)器去除了地下水中的硝酸鹽。試驗結(jié)果表明，在室溫（25±1） ℃，停留時間9.8 h，進(jìn)水22.6 mg/L的NO3--N完全被去除。棉花在反硝化過程中可以逐漸完全被利用，而且對環(huán)境無害，處置方便。endprint

1.2 植物秸稈

目前國內(nèi)外已有利用植物秸稈作為反硝化碳源的試驗研究報道，Ingersoll等[10]和Gibert等[11]研究了以香蒲莖葉等枯落物為有機碳源處理氮污染嚴(yán)重的地下水，結(jié)果表明反硝化脫氮效率明顯提高。

魏星等[12]將玉米、蘆葦稈、樹枝、稻殼4種植物秸稈材料添加在人工濕地系統(tǒng)中，結(jié)果表明，補充植物秸稈后，人工濕地系統(tǒng)的脫氮效果得到了顯著強化，TN去除率從44%左右提高到53%～66%，而植物秸稈的種類對濕地脫氮效果無顯著影響，但是碳源補充在中層的脫氮效果好于碳源補充在表層的脫氮效果。

金贊芳[13]采用裝了麥稈的反應(yīng)器來進(jìn)行脫氮處理。反應(yīng)器用麥稈、沙子和灰泥土的混合物填滿，沙子和麥稈提供了一個穩(wěn)定的反硝化環(huán)境。水力停留時間為2 h，在30 d的工作時間中，硝酸鹽的去除率達(dá)到100%。

徐鎖洪等[14]進(jìn)行了以稻殼為載體培養(yǎng)固定反硝化菌去除水中NO3--N的試驗。結(jié)果表明，以稻殼為載體培養(yǎng)的反硝化菌在NO3--N初始濃度為0～100 mg/L范圍內(nèi)，NO3--N去除速率隨著其濃度的升高而加快，NO3--N平均去除速率為5.9 mg/（L·h），去除率達(dá)91.6%。邵留等[15]進(jìn)行了以稻草為碳源和生物膜載體去除水中的硝酸鹽的試驗，其去除率可達(dá)90%以上。

1.3 紙

紙的主要成分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等。Volokita等[16]在實驗室條件下，以報紙為碳源去除飲用水的硝酸氮，在該工藝中，報紙既是碳源，又是微生物生長的基質(zhì)。試驗結(jié)果表明，該工藝的脫氮效果明顯，進(jìn)水中質(zhì)量濃度為100 mg/L的硝酸鹽能在較短時間內(nèi)完全脫除，且出水有機物含量低，沒有檢測出色度和氣味，且無亞硝酸鹽積累情況。

金贊芳等[17]對以紙為碳源和反應(yīng)介質(zhì)的生物反應(yīng)器對水中硝酸鹽的去除展開了研究。試驗結(jié)果表明，以紙為碳源和反應(yīng)介質(zhì)的生物反應(yīng)器能成功地去除地下水中的硝酸鹽。反應(yīng)器啟動快，耐沖擊，即使在較短的停留時間內(nèi)也能保持很高的去除效率。

2 無外加碳源的脫氮工藝

2.1 無外加碳源SBBR脫氮工藝

序批式生物膜反應(yīng)器SBBR（Sequencing batch biofilm reactor）是通過向序批式反應(yīng)器（SBR）中添加載體而形成的一種新型污水處理工藝，采用其進(jìn)行脫氮具有兩個重要特點：微生物附著生長，易生成世代期長的硝化菌；在好氧階段，SBBR中的生物膜能創(chuàng)造缺氧微環(huán)境并吸收、儲存碳，降低了硝態(tài)氮的濃度。有利于在好氧情況下實現(xiàn)同步硝化反硝化[18]。另外在缺氧階段，可利用內(nèi)碳源實現(xiàn)剩余硝態(tài)氮的反硝化，無需外加碳源[19]。

2.2 兩級SBR無外加碳源除磷脫氮工藝

龍北生等[20]采用兩個SBR反應(yīng)器串聯(lián)運行，通過控制泥齡，成功地實現(xiàn)了將聚磷菌與硝化菌分別控制在兩級反應(yīng)器中優(yōu)勢生長。工藝運行模式如圖1所示，在SBR2中完成硝化反應(yīng)后，再將其上清液一次性回流到SBR1中，利用其富磷污泥中剩余的有機物[包括胞內(nèi)的聚β-羥基丁酸鹽（PHB）]為電子供體進(jìn)行反硝化脫氮，以達(dá)到最大限度地利用進(jìn)水中的有機物，實現(xiàn)在無外加碳源的條件下完成除磷與脫氮功能。

曾薇等[21]采用兩級SBR工藝處理化學(xué)需氧量（COD）與氮濃度較高的工業(yè)廢水，并與傳統(tǒng)SBR法比較，發(fā)現(xiàn)兩級SBR工藝在無需外加碳源條件下，COD降解速率和硝化反應(yīng)速率明顯高于傳統(tǒng)SBR法，脫氮除磷效果較好。

羅固源等[22]采用新型雙泥生物反硝化除磷脫氮工藝（由兩個不同功能的SBR反應(yīng)器組成）解決了硝化菌與聚磷菌的泥齡之爭、反硝化與聚磷菌厭氧釋磷的矛盾，使其硝化段、反硝化脫氮吸磷段和好氧吸磷段都處于較理想的反應(yīng)條件下，改善了脫氮除磷效果。

2.3 其他改進(jìn)工藝

在城市污水處理中，應(yīng)用反硝化除磷[23]、短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等技術(shù)研究結(jié)果表明，通過工藝技術(shù)優(yōu)化和運行參數(shù)控制，城市污水中的有機物可同時滿足生物除磷與脫氮過程的要求，取得良好的除磷脫氮效果。

胡學(xué)斌等[24]采用SBR工藝輔以污泥外循環(huán)厭氧釋磷后排放富磷上清液的方法，對低碳源城市污水的脫氮除磷效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在處理低C/N、C/P污水的過程中，對氨氮、總氮、總磷的平均去除率可分別達(dá)到82%、61%、95%。王少坡等[25]利用城市污水廠二沉池回流污泥的內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化試驗，發(fā)現(xiàn)采用短程內(nèi)源反硝化，在去除亞硝酸鹽的同時，不僅可以節(jié)省外加碳源，還可以減少剩余污泥的產(chǎn)量和污泥處置費用。劉智曉等[26]進(jìn)行了低碳源條件下利用側(cè)流活性污泥水解技術(shù)強化生物脫氮除磷研究，在進(jìn)水均值COD為165 mg/L、TP為3.3 mg/L、TN為37.5 mg/L、COD/TN為4.4且無外加碳源的情況下，出水TN可穩(wěn)定低于15 mg/L。張波等[27]采用倒置A2/O的工藝處理城市污水，結(jié)果表明，倒置A2/O工藝的反硝化速率可比常規(guī)A2/O工藝高40%～50%，其氮磷脫除功能明顯優(yōu)于常規(guī)A2/O工藝。

3 結(jié)論

我國城市污水和水體脫氮面臨的主要問題是進(jìn)水碳源不足，直接影響了生物脫氮效果，為了滿足達(dá)標(biāo)要求往往不得不考慮采用外加商業(yè)碳源強化脫氮過程，但是外加碳源將導(dǎo)致運行成本提高和污泥產(chǎn)量的大幅增加，對于污水廠和水體治理設(shè)施的長期運行很不經(jīng)濟(jì)。本文介紹了幾種無毒且更為廉價的新型碳源，如甘草、蘆葦、棉花等植物，植物秸稈和紙等，并對幾種無需外加碳源的強化生物脫氮除磷工藝，如SBBR脫氮工藝、兩級SBR除磷脫氮工藝和其他改進(jìn)工藝進(jìn)行了探討。通過新型廉價碳源的合理利用，組合工藝中自有碳源的合理調(diào)配，可以使生物脫氮過程更加經(jīng)濟(jì)和有效。

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