保定市魯崗污水處理廠不同碳源反硝化反應(yīng)速率測(cè)定分析

馬向民 李志杰 郁偉杰 劉偉 王瑞哲

摘?要：通過對(duì)保定市魯崗污水處理廠不同碳源反硝化反應(yīng)速率測(cè)定分析比較，確定了碳氮比和不同碳源去除硝氮成本，研究了不同碳源安全投加量問題，以確保COD增加量不對(duì)后端工藝處理造成負(fù)擔(dān)，也為后期自動(dòng)化投藥系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；反硝化速率；碳源；碳氮比

保定市魯崗污水處理廠位于白洋淀上游，對(duì)出水水質(zhì)要求較高，原A2/O工藝經(jīng)多次升級(jí)改造，增加深度處理工藝（磁混凝高效沉淀池+反硝化深床濾池+高級(jí)氧化），使出水水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類地表水標(biāo)準(zhǔn)，并盡量做到大三類水標(biāo)準(zhǔn)（TN≤9mg/l）。本實(shí)驗(yàn)研究主要以該廠回流污泥為研究對(duì)象，選用5種碳源：醋酸鈉，甲醇，冰醋酸，葡萄糖，復(fù)合碳源，對(duì)不同碳源的反硝化速率進(jìn)行測(cè)定，分析探討究竟添加何種碳源及如何添加可達(dá)到成本比較低效果又比較滿意，為今后工藝運(yùn)行調(diào)控和改建自動(dòng)化投藥系統(tǒng)提出合理化建議和改進(jìn)方案，可供同類工藝設(shè)計(jì)師參考。目前該廠采用醋酸鈉為外加碳源，用量為COD60～120mg/l。第一缺氧池污水停留4.6h，第二缺氧池污水停留3.3h，反硝化深化濾池污水停留24min。

1?試驗(yàn)裝置與方法

1.1?試驗(yàn)原理

反硝化反應(yīng)是由反硝化菌在缺氧條件下，利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，有機(jī)物作為碳源和電子供體，將NO3—N及NO2—N還原為氣態(tài)氮（N2）或N2O、NO。

反硝化速率為單位質(zhì)量的揮發(fā)性活性污泥在單位時(shí)間內(nèi)的脫硝量，如式所示：

NUR=△N/△TM

NUR—反硝化速率，單位為mg/（g·h）；△N—混合液中硝態(tài)氮（NO3—N）濃度的變化量，單位為mg/L；△T為反應(yīng)時(shí)間，單位為h；M一混合液中的揮發(fā)性活性污泥濃度（MLVSS），單位為g/L。

1.2?試驗(yàn)裝置

測(cè)定反硝化速率的試驗(yàn)裝置為1000ML玻璃反應(yīng)器，電磁攪拌器，吹氮裝置。

1.3?測(cè)定方法

本次試驗(yàn)的取樣為曝氣池后二沉池中的回流污泥，取500ML回流污泥，靜沉4小時(shí)后去除上清液，再加入已用氮?dú)馀懦諝夂蟮恼麴s水，加入硝酸鉀使硝氮濃度為30mg/L左右，加入丙烯基硫脲（ATU），移入反應(yīng)器，定容加碳源使COD為160mg/L左右，電磁攪拌。然后開始計(jì)時(shí)，同時(shí)取第一個(gè)水樣，測(cè)量初始COD和硝氮值，隨后間隔分鐘數(shù)為4、8、12、16、20、25、30、35、40、50、60、70、80、100、120、140、160、180、200、220、240、260，取樣并過濾。測(cè)定所取樣品的硝氮值與混合液的MLVSS值及COD值。以時(shí)間為橫坐標(biāo)，硝酸鹽的濃度為縱坐標(biāo)繪制曲線，并求得反硝化速率。因?yàn)轸攳弿S反硝化深床濾池停留時(shí)間24分鐘，缺氧池停留時(shí)間260分鐘，所以設(shè)計(jì)該取樣時(shí)間點(diǎn)。

1.4?測(cè)試儀器

T6新世紀(jì)紫外分光光度計(jì)，哈希COD加熱器，烘箱，馬弗爐，電子天平。

2?試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1?試驗(yàn)結(jié)果

研究期間共進(jìn)行了5次試驗(yàn)及多次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，室溫21～23攝氏度，主要結(jié)果如下表所示。

經(jīng)多次驗(yàn)證試驗(yàn)確認(rèn)，當(dāng)硝氮過量時(shí)，260分鐘時(shí)甲醇、醋酸鈉、冰醋酸均無過多殘留，復(fù)合碳源、葡萄糖有較多COD殘留。

2.2?結(jié)果分析

（1）在260分鐘內(nèi)甲醇、乙酸鈉、冰醋酸、復(fù)合碳源均能將反硝化進(jìn)行徹底，反硝化大體分三個(gè)階段，第一階段0～25分鐘，速率快，第二階段25～180分鐘，速率中等也比較穩(wěn)定，第三階段180分鐘之后，速率下降明顯。甲醇和復(fù)合碳源在硝氮濃度小于5mg/l的低濃度情況下依然保持反硝化速率基本不變，應(yīng)該是因?yàn)槌跏继嫉容^大，COD依然充足，反硝化速率與初始COD濃度正相關(guān)。

（2）前25分鐘反硝化平均速率比較快，冰醋酸9.4，醋酸鈉7.9，復(fù)合碳源5.8，甲醇4.8，葡萄糖最低3.9。冰醋酸和醋酸鈉更適合快速去除硝氮，但冰醋酸要考慮對(duì)后續(xù)pH值影響，醋酸鈉極為合適。甲醇速率不高，是因?yàn)槲⑸飳?duì)甲醇有適應(yīng)過程，起始段會(huì)比較慢，復(fù)合碳源速率也不高。從反硝化平均速率圖中還可看出初始的25分鐘里，反應(yīng)速率下降很快，之后總體趨于平穩(wěn)。

（3）25至60分鐘反硝化平均速率大為下降，依次為復(fù)合碳源3.8，醋酸鈉3.4，甲醇3.3，冰醋酸2.5，葡萄糖0.5。

（4）60至120分鐘反硝化平均速率比較穩(wěn)定，依次為冰醋酸3.9，甲醇3.2，醋酸鈉2.9，復(fù)合碳源2.9，葡萄糖0.5。

（5）120至180分鐘因?yàn)榻咏聪趸K點(diǎn)，有些因硝氮濃度所剩不多，反硝化速率開始下降，依次為冰醋酸3.9，復(fù)合碳源2.8，甲醇2.7，醋酸鈉1.7，葡萄糖0.9。

（6）180至260分鐘逐漸反硝化結(jié)束，硝氮濃度低，反硝化速率大幅下降，葡萄糖依然緩慢穩(wěn)定的反硝化，此時(shí)COD均未消耗完，這將對(duì)后續(xù)工藝產(chǎn)生影響，所以建議實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)參考表4中實(shí)際消耗的碳氮比計(jì)算投藥量，避免浪費(fèi)和造成出水COD增高。

（7）COD投加量安全性問題：無論添加何種碳源，都不應(yīng)產(chǎn)生大量COD殘留，從表3表4可以看出，260分鐘后，葡萄糖有大量的COD殘留，且硝氮未反硝化完。復(fù)合碳源也有COD殘留，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，殘留反硝化速率較低，這會(huì)對(duì)后續(xù)工藝產(chǎn)生較大影響。若大幅減少用藥量，必然會(huì)影響反硝化速率，使反硝化進(jìn)行不徹底，且還會(huì)有一定比例的COD殘留，所以要找好平衡。醋酸鈉、冰醋酸、甲醇若稍降低一些投藥量，達(dá)到適宜的碳氮比，應(yīng)該容易降低COD殘留，對(duì)反硝化速率影響也不大。冰醋酸因?yàn)橄膲A度，會(huì)對(duì)好氧段硝化反應(yīng)產(chǎn)生影響，可投加CaCO3增加堿度，有研究表明堿度維持在220mg/l左右時(shí)，對(duì)氨氮去除效果最好，具體還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確定。

（8）反硝化速率線性問題：不同碳源反硝化速率曲線均有一段時(shí)間呈線性，但并不一致。一般起始階段速率很高，硝氮濃度陡降，這二三十分鐘里不成線性。冰醋酸、甲醇和葡萄糖在開始反應(yīng)幾分鐘后就會(huì)進(jìn)入平臺(tái)期，甲醇是8～20分是平臺(tái)期，冰醋酸和葡萄糖4～20分是平臺(tái)期。25分鐘之后，基本呈現(xiàn)線性，斜率高低不同。在反硝化末期，硝氮濃度已經(jīng)較低，COD濃度也降低很多，反硝化速率曲線變平緩。甲醇還是保持了原有線性，復(fù)合碳源和葡萄糖也基本保持，應(yīng)該是因?yàn)镃OD濃度依然較高的緣故。畢竟不是單純的化學(xué)反應(yīng)，只是有一段大體呈線性。

（9）碳源選擇：在生產(chǎn)中究竟選擇何種碳源，哪種碳源又經(jīng)濟(jì)又好用，在不同時(shí)期不同情況下，會(huì)有不同選擇，一味追求將總氮降到很低，既貴且難做到，只能盡量找平衡點(diǎn)（隨著出水總氮標(biāo)準(zhǔn)要求的越來越高），在冬季氣溫低，總氮不容易控制，可以用優(yōu)質(zhì)碳源，如醋酸鈉，在氣溫適宜后，水質(zhì)控制得很好的情況下可以嘗試其他碳源，也可以混合添加，也可以嘗試降低投藥量或停止加藥。若選擇甲醇，要對(duì)細(xì)菌進(jìn)行一段時(shí)間的馴化，馴化后效果很好，比醋酸鈉便宜。甲醇有期貨交易，可以套期保值，以穩(wěn)定成本。總之碳源添加，多不如少，過猶不及。碳源價(jià)格波動(dòng)較大，按本次實(shí)驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)估算了當(dāng)前投加碳源大概成本表如下（其中醋酸鈉為采購(gòu)價(jià)，其他為市場(chǎng)詢價(jià)）：

結(jié)語

綜合安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，甲醇、醋酸鈉、冰醋酸、復(fù)合碳源都是可選的碳源。（1）需要節(jié)約成本可優(yōu)先考慮甲醇，但由于該廠處于居民區(qū)附近，甲醇雖然費(fèi)用低，產(chǎn)泥量小，反硝化速率穩(wěn)定，但易燃有毒，屬甲類危險(xiǎn)品，不宜使用，若新建污水處理廠，遠(yuǎn)離居民區(qū)，在控制住風(fēng)險(xiǎn)的情況下可以優(yōu)先使用。（2）冰醋酸為乙類危險(xiǎn)品，是大氣污染VOC的重要組成部分，環(huán)保部門監(jiān)管多，儲(chǔ)存條件要求高，而且有降低出水pH值的可能，這些弊端不易克服，可應(yīng)急使用。（3）葡萄糖反硝化速率低，COD容易大量剩余，且容易引起細(xì)菌大量繁殖，導(dǎo)致污泥膨脹，影響出水水質(zhì)，直接添加效果并不理想，且考慮不能和反硝化濾池共用藥劑，不適合魯崗污水處理廠工藝使用。（4）此次復(fù)合碳源反應(yīng)速度也較好，但有COD殘留，在控制好COD殘余的情況下，可酌情使用。（5）醋酸鈉反應(yīng)快、安全性高、穩(wěn)定，但是費(fèi)用較高，根據(jù)碳氮比把握好用藥量，可最大限度降低成本，目前還是最佳方案。

總之，無論使用哪種碳源都要把握好季節(jié)和用藥量，保證在反硝化效果的同時(shí)盡量減少過量投加COD，降低COD殘余，減少碳源浪費(fèi)和對(duì)后續(xù)處理的影響。

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作者簡(jiǎn)介：馬向民（1972—?），男，漢族，河北保定人，本科，工程師，研究方向：污水處理、水質(zhì)監(jiān)測(cè)。