果汁廢液作為碳源強化生物脫氮效果的研究

申世峰，熊會斌，郭興芳，李 勱

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津300074）

近年來，隨著水環(huán)境質(zhì)量要求的提高，北京、天津等地相繼頒布并實施了比現(xiàn)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）〔1〕更為嚴(yán)格的地方排放標(biāo)準(zhǔn)〔2-3〕，要求出水TN低于10 mg/L。在如此嚴(yán)格的TN排放要求下，大多數(shù)污水處理廠面臨進水碳源缺乏的難題，需大量投加商品碳源來保障出水TN穩(wěn)定達標(biāo)，但外加碳源的成本過高，尋找合適的外加碳源成為目前關(guān)注的熱點。

目前國內(nèi)反硝化碳源的研究多數(shù)集中在優(yōu)化傳統(tǒng)碳源、開放非傳統(tǒng)碳源等方面，利用含高濃度有機廢液作為反硝化碳源的研究較少，本研究以果汁廢液為碳源，進行反硝化性能、強化生物脫氮效果及預(yù)處理措施的研究，并在某園區(qū)集中污水處理廠進行工程應(yīng)用，最終在強化生物系統(tǒng)脫氮效果的同時，實現(xiàn)了以廢治廢。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究在天津某園區(qū)集中污水處理廠進行，該污水處理廠設(shè)計處理規(guī)模為5.0萬t/d，生物處理系統(tǒng)采用HYBAS工藝，設(shè)計總停留時間為8 h，共分4個系列。試驗期間污水處理廠主要進水水質(zhì)指標(biāo)：TN 為 21.0～38.95 mg/L，NH3-N 為 10.02～26.75 mg/L，NO3--N 為 0.25～3.96 mg/L，COD 為 77.0～233.0 mg/L。

果汁廢液來源于某果汁生產(chǎn)企業(yè)水果（蘋果、橙、芒果等）粉碎、壓榨、設(shè)備及地面沖洗等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢液，果汁廢液產(chǎn)生量為10～40 m3/d，TN為37.25～49.38 mg/L，NH4+-N 為 0.60～17.10 mg/L，TP 為 3.40～4.00 mg/L，易降解有機物（VFA）為 70.55～750.18 mg/L，pH 為 3.4～4.1，SS 為 385～878 mg/L。 果汁廢液氮磷含量較低，果渣等物質(zhì)懸浮含量較高。COD為6 220～24 680 mg/L，平均 COD 為 12 180 mg/L，BOD5為 430～7 820 mg/L，平均 BOD5為 5 430 mg/L，B/C 為0.26～0.69，平均B/C為0.46，可生化性較好。果汁廢液有機物含量高、受生產(chǎn)加工影響有機物含量波動大。

1.2 分析方法

COD采用快速消解分光光度法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，NH3-N采用納氏試劑分光光度法，TP采用鉬銻抗分光光度法，VFA采用滴定法，pH采用pH計。

2 結(jié)果與討論

2.1 果汁廢液作為碳源的反硝化性能

采用批次靜態(tài)試驗的方法，采用3個帶攪拌功能的反應(yīng)柱，有效體積為12 L。3個試驗柱中加入同等體積的缺氧污泥，分別加入污水廠原水、5%（體積分數(shù)）果汁廢液和二沉池出水、100%果汁廢液，保證3個試驗柱的總體積相同。開啟攪拌器開始反應(yīng)，固定時間間隔取樣測定NO3--N的濃度，對比不同果汁廢液投加比例和污水廠原水的反硝化性能，反硝化速率曲線見圖1。

圖1 不同投加比例果汁廢液和污水廠原水反硝化速率曲線

由圖1可知，投加果汁廢液和污水廠原水的反硝化過程均出現(xiàn)2個不同的速率階段，主要是由于各階段反硝化所利用的是不同組分特性的碳源所致〔3〕，各階段的反硝化速率見表 1。

表1 不同果汁廢液投加比例和污水廠原水反硝化特性

由表1可知，投加污水廠二沉池出水+5%果汁廢液和100%的果汁廢液后，缺氧污泥2個階段的反硝化速率都相應(yīng)增加，尤其是第一階段反硝化速率增加幅度更明顯，分別是污水廠原水的5.79倍和10.20倍，主要原因是果汁廢液的可生化性較好，含有大量快速易降解的碳源，大幅度提高了第一階段的反硝化速率。由于果汁廢液含有一定量的顆粒態(tài)可被生物利用的有機物，隨著反應(yīng)時間的延長，通過水解后也可以被反硝化菌利用，因此投加果汁廢液后第二階段反硝化速率均有所提高，第二階段反硝化速率分別是污水廠原水的2.67倍和3.78倍。

2.2 果汁廢液作為碳源的試驗研究

本研究構(gòu)建1套改良A2/O試驗系統(tǒng)，由預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)及好氧區(qū)構(gòu)成，有效容積為580 L。進水為污水處理廠沉砂池出水，進水水量為42 L/h，停留時間為13.5 h，果汁廢液投加點位于缺氧區(qū)，試驗期間，水溫為15～20℃，考察果汁廢液投加量對系統(tǒng)脫氮效果的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 果汁廢液投加量對脫氮效果的影響

由圖2可知，當(dāng)不投加果汁廢液時，進水TN為22.10～30.07 mg/L、NH4+-N 為 11.80～17.00 mg/L、C/N為 3.32～5.32， 出水平均 TN、NH4+-N、NO3--N 分別為15.07、0.34、11.96 mg/L，TN 平均去除率僅為 40.24%，由于進水C/N較低，在不外加碳源的情況下系統(tǒng)脫氮效果較差。投加果汁廢液后，隨著果汁廢液投加量的增加，系統(tǒng)的脫氮效果提高；當(dāng)果汁廢液投加量為22 L/m3時，進水 TN 為 25.00～28.22 mg/L、NH4+-N 為11.50～17.80 mg/L、C/N 為 4.04～5.54， 系統(tǒng)運行穩(wěn)定后出水平均 TN、NH4+-N、NO3--N 分別為 4.27、0.30、1.68 mg/L，TN平均去除率為83.72%，TN平均去除率提高了43%左右；當(dāng)果汁廢液投加量為5 L/m3時，進水 TN 為 21.50～28.22 mg/L、NH4+-N為10.20～18.16 mg/L、C/N為2.85～5.41，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后出水平均TN、NH4+-N、NO3--N 為 9.14、0.38、4.76 mg/L，TN 平均去除率為63.00%，TN平均去除率提高了22%左右；當(dāng)果汁廢液投加量為3 L/m3時，進水TN為19.50～32.90 mg/L、NH4+-N 為 14.10～17.60 mg/L、C/N 為 3.12～5.30，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后出水平均TN、NH4+-N、NO3--N分 別 為 11.65、0.32、6.78 mg/L，TN 平 均 去 除 率 為53.00%，TN去除率平均提高了13%左右。

此外，考察投加果汁廢液對系統(tǒng)有機物去除的影響，試驗期間系統(tǒng)進出水COD見表2。

表2 果汁廢液投加期間系統(tǒng)進出水COD

由表2可知，試驗期間進水COD為77.0～160.1 mg/L，出水平均COD為27.31 mg/L，投加果汁廢液對系統(tǒng)出水有機物沒有產(chǎn)生影響。

2.3 果汁廢液預(yù)處理研究

果汁廢液來水有機物濃度波動較大，且含有大量果渣，應(yīng)采用水解酸化措施進行預(yù)處理，采用帶低速攪拌設(shè)施的水解罐，有效容積為13 L，接種一定量的剩余污泥，控制水解酸化時間為4～5 h，考察水解酸化前后果汁廢液VFA的變化情況，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，通過預(yù)處理后，果汁廢液的VFA提升，試驗期間果汁原液VFA為70.55～237.22 mg/L，通過水解酸化后，VFA提高至134.69～314.29 mg/L，VFA平均提高率達到57%。通過水解酸化可將果汁廢液中糖類大分子有機物、顆粒態(tài)可生物降解有機物及果渣水解發(fā)酵轉(zhuǎn)化為快速易降解有機物。

圖3 預(yù)處理前后果汁廢液的VFA變化

2.4 工程應(yīng)用效果

由于污水廠進水C/N較低、碳源缺乏，污水廠采用液體乙酸鈉作為補充碳源強化生物系統(tǒng)脫氮效果。在上述研究的基礎(chǔ)上，選擇污水廠一個系列的生物系統(tǒng)投加果汁廢液，果汁廢液平均投加量為24 t/d，考察實際工程應(yīng)用效果，并與僅投加乙酸鈉的系統(tǒng)進行對比，結(jié)果見圖4。

圖4 工程應(yīng)用投加效果對比

由圖4可知，取樣分析期間，進水TN為23.50～38.95 mg/L、NH4+-N 為 12.85～26.75 mg/L，投加果汁廢液和乙酸鈉的生物系統(tǒng)出水平均TN為9.15 mg/L，TN平均去除率為71.5%，出水平均NH4+-N為0.86 mg/L，出水平均NO3--N為5.23 mg/L；而僅投加乙酸鈉的生物系統(tǒng)出水平均TN為11.13 mg/L，TN平均去除率為65.48%，出水平均NH4+-N為0.79 mg/L，出水平均NO3--N為7.34 mg/L?？芍都庸瓘U液后，生物系統(tǒng)出水TN降低了2～3 mg/L，TN平均去除率提高了6%左右，每天可降低0.6～0.9 t的乙酸鈉投加量，每年可節(jié)約外加碳源成本約24～36萬元。

3 結(jié)論

（1）果汁廢液有機物含量高、可生化性好、氮磷含量低，作為補充碳源時的反硝化速率遠高于污水處理廠原水（二沉池出水）反硝化速率，尤其是第一階段反硝化速率，投加5%和100%的果汁廢液，第一階段反硝化速率分別提高5.79倍和10.20倍。

（2）連續(xù)投加試驗結(jié)果表明，進水TN為21.50～28.22 mg/L，果汁廢液投加量為5 L/m3時，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后出水TN為6.79～10.33 mg/L，與不投加果汁廢液相比，TN平均去除率提高了22%，且投加果汁廢液對系統(tǒng)出水有機物沒有產(chǎn)生影響。

（3）采用水解酸化措施對果汁廢液進行預(yù)處理，控制水解酸化時間為4～5 h，通過水解發(fā)酵可提高果汁廢液的VFA，VFA平均提高率達到57%。

（4）在污水處理廠的1個生物系統(tǒng)進行應(yīng)用，果汁廢液平均投加量為24 t/d，與未投加果汁廢液生物系統(tǒng)相比，出水TN降低了2～3 mg/L，乙酸鈉投加量可降低0.6～0.9 t/d，每年可節(jié)約外加碳源成本約24～36萬元，實現(xiàn)了以廢治廢。