新型復(fù)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(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)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(yán)格的總氮排放標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)時間較慢，應(yīng)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(yán)格，在滿足達標(biāo)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(fù)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(fù)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(yīng)用驗證，進一步確定新型復(fù)合碳源在實際工程應(yīng)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(guān)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(biāo)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(zhuǎn)速的六聯(lián)攪拌反應(yīng)器，同時開展 2種碳源(新型復(fù)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(yīng)器中加入1L該原液，然后一組六聯(lián)反應(yīng)器中加入對照組的乙酸鈉碳源，另一組六聯(lián)反應(yīng)器加入試驗組的新型復(fù)合碳源。碳源加入后，開始計時，間隔相同反應(yīng)時間取樣化驗。

1.3 項目測定與方法

反應(yīng)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(yīng)時間t時NO3-N的去除量，mg/L；M0為反應(yīng)初始時的 NO3-N含量，mg/L；Mt為反應(yīng)時間t時NO3-N含量，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 轉(zhuǎn)速的影響

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

圖1 攪拌轉(zhuǎn)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(fù)合碳源轉(zhuǎn)速試驗，NO3-N去除量在轉(zhuǎn)速為 20～60rpm范圍內(nèi)，隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，這主要是由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速至 120rpm時，NO3-N的去除量隨轉(zhuǎn)速的增大反而下降。這一方面可能是轉(zhuǎn)速的增大導(dǎo)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(zhuǎn)速的增大導(dǎo)致空氣中向反應(yīng)器中的富氧速率增大，引起了水中的溶解氧增加，導(dǎo)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(fù)合碳源轉(zhuǎn)速實驗下的儀器轉(zhuǎn)速確定為60rpm。

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

2.2 反應(yīng)時間的影響

試驗條件：新型復(fù)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(yīng)時間對 NO3-N 去除量的影響。試驗結(jié)果見圖2。

由圖 2可知，對于醋酸鈉碳源和新型復(fù)合碳源，隨著反應(yīng)時間的延長，在反應(yīng)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(yīng)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(yīng)時間為3h。

圖2 反應(yīng)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(yīng)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(fù)合碳源為基準(zhǔn)，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(fù)合碳源下的去除量的大小關(guān)系，再次以 200mg/L的醋酸鈉碳源為基準(zhǔn)，考察新型復(fù)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(guān)系。試驗結(jié)果見圖3。

由圖 3可知，對新型復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合碳源濃度與醋酸鈉濃度的對應(yīng)關(guān)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(fù)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(fù)合碳源與醋酸鈉用量的對應(yīng)關(guān)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(yīng)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(jié)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(fù)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。考察了碳源濃度同為 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(fù)合碳源的硝酸鹽去除量可增加50%。

2.5 工程應(yīng)用

在天津某綜合工業(yè)園區(qū)污水處理廠進行了新型復(fù)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(yīng)用效果對比。對比試驗分為 2個階段，其中 A階段新型復(fù)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(fù)合碳源用量，其值為醋酸鈉用量的50%，共試驗20d。對比試驗結(jié)果見圖 4。

由圖4可知，在A階段下，用新型復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合碳源的節(jié)省量最好控制在50%之內(nèi)。

圖4 新型復(fù)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(jié) 論

本研究通過靜態(tài)試驗開展了一種新型復(fù)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(yīng)用效果對比實踐。研究結(jié)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(fù)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(fù)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(yīng)用中取得的效果比靜態(tài)實驗結(jié)果更優(yōu)，如果采用新型復(fù)合碳源替代傳統(tǒng)醋酸鈉碳源，預(yù)計外加碳源可獲得約40%的節(jié)省量?！?/p>