單一碳源及復(fù)合碳源在生物反硝化中的脫氮效能研究

摘要：隨著國(guó)家污水排放標(biāo)準(zhǔn)的提升，污水處理廠生化池需要投加碳源來提高總氮去除率，做好生物反硝化，實(shí)現(xiàn)出水達(dá)標(biāo)排放。研究生化系統(tǒng)使用單一碳源或者復(fù)合碳源進(jìn)行生物反硝化時(shí)總氮和硝態(tài)氮去除效率，可以為污水處理廠選擇碳源提供參考，提高生化系統(tǒng)總氮去除率，降低污水處理廠運(yùn)行成本。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)我惶荚?；?fù)合碳源；生物反硝化；脫氮效能

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）07-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.009

Study on the denitrification efficiency of single carbon source and composite carbon source in biological denitrification

HE Zhenxin

（Ningxia Shuitou Qingshuiyuan Water Treatment Technology Co.， Ltd.， Yinchuan 750411， China）

Abstract： With the improvement of national sewage discharge standards， carbon sources need to be added to the biochemical tanks of sewage treatment plants to increase the total nitrogen removal rate， carry out biological denitrification， and achieve effluent discharge standards. Studying the removal efficiency of total nitrogen and nitrate nitrogen in biological denitrification using a single or composite carbon source in biochemical systems can provide reference for selecting carbon sources for sewage treatment plants， improve the total nitrogen removal rate of biochemical systems， and reduce the operating costs of sewage treatment plants.

Keywords： single carbon source; composite carbon source; biological denitrification; denitrification efficiency

污水處理廠反硝化碳源不足時(shí)，一般采用投加碳源的方式來確保出水總氮排放達(dá)標(biāo)。目前，大多數(shù)污水處理廠采用葡萄糖作為外加碳源，有些污水處理廠使用醇類、乙酸鈉等作為碳源。由于碳源使用量較大，碳源的價(jià)格及來源穩(wěn)定性直接影響污水處理廠的運(yùn)行效率、成本控制等關(guān)鍵指標(biāo)[1]。因此，確保碳源的來源穩(wěn)定、價(jià)格穩(wěn)定具有重要意義。復(fù)合碳源是污水生化處理過程中反硝化脫氮必不可少的一種高效碳源，是將各種單一碳源復(fù)合在一起的小分子碳源補(bǔ)充劑，在污水處理廠中得到廣泛應(yīng)用。將不同的碳源復(fù)合在一起組成復(fù)合碳源，可能會(huì)產(chǎn)生相互促進(jìn)的效果，從而使污水處理廠運(yùn)行成本降低，同時(shí)相比單一碳源，處理效果更好[2]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與設(shè)備

主要試劑有3種，即乙酸鈉（固體，純度58%）、乙醇（原液，純度93%）和葡萄糖（固體，純度99%）。

試驗(yàn)使用的設(shè)備有電子天平、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、恒溫磁力攪拌器和紫外可見智能型多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀，如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)合碳源的制備

化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）是選擇碳源時(shí)需要考慮的基本指標(biāo)，復(fù)合碳源和單一碳源的COD當(dāng)量相同。試驗(yàn)選用的單一碳源分別為乙酸鈉、乙醇和葡萄糖。復(fù)合碳源選擇單一碳源進(jìn)行復(fù)配，具體復(fù)配組合分別為乙酸鈉和乙醇、乙醇和葡萄糖、乙酸鈉和葡萄糖，同時(shí)添加硝酸鉀作為總氮的補(bǔ)充[3]，按照相應(yīng)配比配制COD濃度為500 mg/L、總氮濃度為50 mg/L的不同碳源溶液，溶液的碳氮比大致相同。試驗(yàn)期間，投加乙酸鈉2.22 g、硝酸鉀0.721 8 g，配制2 L乙酸鈉溶液；投加葡萄糖1 g、硝酸鉀0.721 8 g，配制2 L葡萄糖溶液；投加乙醇原液0.5 g、硝酸鉀0.721 8 g，配制2 L乙醇溶液。同時(shí)，投加乙酸鈉1.11 g、乙醇原液0.25 g、硝酸鉀0.721 8 g，配制2 L乙酸鈉和乙醇溶液；投加乙醇原液0.25 g、葡萄糖0.5 g和硝酸鉀0.721 8 g，配制2 L乙醇和葡萄糖溶液；投加乙酸鈉1.11 g、葡萄糖0.5 g和硝酸鉀0.721 8 g，配制2 L乙酸鈉和葡萄糖溶液。

1.2.2 污泥的處理

所有藥劑配制完成后，從某生活污水處理廠缺氧池采集12 L泥水混合物樣品，污泥濃度約為4 000 mg/L。

樣品置于桶內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)室靜置一晚后，將桶內(nèi)樣品搖勻，然后分別將2 000 mL樣品置于6個(gè)燒杯（容積2 L）中。靜置0.5 h后，倒掉1 400 mL上清液。將已配制的碳源溶液置于泥樣中。

分別取乙酸鈉、乙醇、葡萄糖、乙酸鈉和乙醇、乙酸鈉和葡萄糖、乙醇和葡萄糖等碳源溶液（添加量均為1 400 mL）置于600 mL泥樣中，攪拌均勻。燒杯編號(hào)分別為1、2、3、4、5和6。攪拌均勻后，試驗(yàn)開始計(jì)時(shí)，反應(yīng)45 min后，采集6份樣品（每份100 mL），樣品編號(hào)分別為1-1、2-1、3-1、4-1、5-1和6-1；反應(yīng)125 min后，采集6份樣品（每份100 mL），樣品編號(hào)分別為1-2、2-2、3-2、4-2、5-2和6-2；反應(yīng)185 min后，采集6份樣品（每份100 mL），樣品編號(hào)分別為1-3、2-3、3-3、4-3、5-3和6-3。

2 結(jié)果與分析

生物反硝化是指在生化系統(tǒng)中，反硝化菌將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原成氮?dú)?，有效去除總氮。碳源是反硝化菌生長(zhǎng)和代謝必需的能量，不同碳源對(duì)反硝化菌的影響存在差異。試驗(yàn)將不同的碳源添加到生化系統(tǒng)中，評(píng)價(jià)它們?cè)谕葪l件下的反硝化性能。不同碳源的污水處理效果如表2所示。采用不同的碳源，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，污水處理后，COD的濃度都發(fā)生明顯的變化，變化趨勢(shì)也基本相同，說明無(wú)論反硝化菌使用何種組分作為碳源，都可以將其作為能量來源，區(qū)別在于效率和成本的高低。經(jīng)橫向論證，試驗(yàn)選用的碳源原料是可靠的。

2.1 不同碳源對(duì)總氮去除率的影響

碳源是微生物生長(zhǎng)代謝所需的重要能源來源，污水處理過程中，總氮去除率受到明顯影響。不同種類、不同濃度的碳源對(duì)總氮去除有不同的作用?？偟コ适懿煌荚吹挠绊?，如表3所示。結(jié)果顯示，隨著各生化系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間的增加，總氮去除率逐步上升；從反應(yīng)45 min到反應(yīng)125 min，各碳源系統(tǒng)總氮去除率明顯提高；不同的碳源系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)總氮的積累，直到反應(yīng)185 min。研究表明，硝酸鹽異化還原為銨（Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium，DNRA）的過程存在于生化系統(tǒng)，在缺氧和還原性極強(qiáng)的環(huán)境中，經(jīng)生化系統(tǒng)處理，污水總氮去除率比硝態(tài)氮低。

乙酸鈉是無(wú)機(jī)類小分子碳源，代謝途徑比乙醇簡(jiǎn)單，而乙醇的分子鏈比葡萄糖簡(jiǎn)單，代謝速度更快。因此，在單一碳源系統(tǒng)中，總氮在乙酸鈉溶液生化系統(tǒng)中的去除率最高；在復(fù)合碳源系統(tǒng)中，乙酸鈉+乙醇溶液生化系統(tǒng)總氮去除率最高[4]。與單一碳源生化系統(tǒng)相比，復(fù)合碳源生化系統(tǒng)總氮去除沒有明顯的規(guī)律。

2.2 不同碳源對(duì)硝態(tài)氮去除率的影響

污水處理過程中，硝態(tài)氮濃度是影響污水排放的重要因素。硝態(tài)氮是指硝酸鹽氮，它是一種常見的氮化合物，在污水中廣泛存在。無(wú)論是污水處理效果還是環(huán)境質(zhì)量，硝態(tài)氮濃度的高低均具有舉足輕重的影響。首先，污水處理效果明顯受硝態(tài)氮濃度影響。在活性污泥法中，硝態(tài)氮可以作為微生物的營(yíng)養(yǎng)源之一，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和代謝。若硝態(tài)氮濃度過高，則會(huì)造成污水處理效果受到微生物代謝異常的影響。因此，在污水處理過程中，硝態(tài)氮濃度需要控制在合理的范圍。不同碳源對(duì)污水中硝態(tài)氮的處理效果如表4所示。

數(shù)據(jù)顯示，隨著生化系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間的增加，不同碳源對(duì)污水中硝態(tài)氮的去除效果存在差異。從反應(yīng)初始到反應(yīng)125 min，各碳源系統(tǒng)硝態(tài)氮含量均大幅降低，硝態(tài)氮去除率明顯上升。從反應(yīng)125 min到反應(yīng)185 min，硝態(tài)氮去除率上升幅度普遍減緩。綜合考慮脫氮效果和反應(yīng)空間，生化系統(tǒng)的最佳反硝化時(shí)間應(yīng)控制在125～185 min，從而最大限度地提高硝態(tài)氮去除率，降低投資成本。在生化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，試驗(yàn)確定的最佳反硝化時(shí)間與之符合。

不同碳源對(duì)硝態(tài)氮的去除率存在差異，原因是碳源的代謝途徑不同，即碳源的分子鏈越長(zhǎng)，代謝過程越復(fù)雜，反應(yīng)步驟越多，反硝化速率越低。在單一碳源中，乙酸鈉和乙醇都屬于小分子有機(jī)物，但乙醇的降解途徑比乙酸鈉復(fù)雜；利用葡萄糖作為碳源時(shí)，葡萄糖需要在乙酰輔酶A的作用下轉(zhuǎn)化為丙酮酸，經(jīng)過不完全氧化，轉(zhuǎn)化為乙醇，然后經(jīng)過進(jìn)一步降解，被相對(duì)復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)異養(yǎng)菌吸收利用。因此，在單一碳源生化系統(tǒng)中，乙酸鈉的硝態(tài)氮去除率最高；在復(fù)合碳源生化系統(tǒng)中，乙酸鈉和乙醇溶液的硝態(tài)氮去除效果最好。生化系統(tǒng)存在不同的反硝化菌，不同的碳源在同等條件下可以被利用，與投入單一碳源相比，生化系統(tǒng)投入復(fù)合碳源，參與反應(yīng)的反硝化菌種類更多，因此污水中硝態(tài)氮去除率更高[5-6]。

2.3 不同碳源對(duì)亞硝態(tài)氮積累速率的影響

在污水處理過程中，亞硝態(tài)氮濃度是一個(gè)重要的指標(biāo)，會(huì)直接影響污水處理效果。亞硝態(tài)氮濃度過高，會(huì)導(dǎo)致污水處理時(shí)間延長(zhǎng)，污水處理效率下降，同時(shí)影響出水水質(zhì)。如表5所示，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，各碳源系統(tǒng)的亞硝態(tài)氮濃度波動(dòng)變化。污水中硝態(tài)氮的存在會(huì)抑制亞硝態(tài)氮的還原，導(dǎo)致硝態(tài)氮還原率大于亞硝態(tài)氮還原率，而亞硝態(tài)氮的短時(shí)間積累影響硝態(tài)氮還原率。

由于碳源代謝途徑不同，亞硝態(tài)氮的積累在不同的生化系統(tǒng)中存在差異，因此不同的反硝化菌可以利用不同的碳源進(jìn)行反硝化，不同的反硝化菌在反硝化過程中利用的酶也不同。復(fù)合碳源進(jìn)行反硝化時(shí)，只有匹配的反硝化菌可以參與反應(yīng)，因?yàn)樯到y(tǒng)的細(xì)菌種類很多。使用復(fù)合碳源的生化系統(tǒng)比單一碳源好，不同的碳源可以獲得系統(tǒng)所需的能量。相對(duì)于單一碳源，生化系統(tǒng)使用復(fù)合碳源，亞硝態(tài)氮最大積累量和積累速率較低，達(dá)到峰值所需時(shí)間較短[3]。

3 不同碳源的市場(chǎng)價(jià)格及其用量對(duì)比

污水處理廠選擇碳源時(shí)，需要綜合考慮不同碳源的價(jià)格、投加量、總氮去除率和環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)調(diào)查，不同碳源的市場(chǎng)價(jià)格及其還原1 g硝態(tài)氮的用量與費(fèi)用如表6所示。

4 結(jié)論

乙醇原液是一種易燃易揮發(fā)液體，使用要求較高，是一種存在安全隱患的危險(xiǎn)化學(xué)品。葡萄糖是一種白色固體，價(jià)格適中，脫氮率稍差，脫氮時(shí)污泥產(chǎn)生量增長(zhǎng)過快，適用于培養(yǎng)污泥，但是會(huì)增加污泥處理費(fèi)用。為了提高脫氮率，降低運(yùn)行成本，確保儲(chǔ)存和使用安全，污水處理廠可選用乙酸鈉和葡萄糖溶液作為生物反硝化過程的復(fù)合碳源。

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