不同C/N对活性炭颗粒填料厌氧同步消化反硝化的影响

冉春秋，葛 辉，赵不凋

(大连民族学院环境与资源学院，辽宁大连116605)

厌氧同步消化反硝化能够在同一反应器或处理单元中实现有机污染物和硝态氮污染物的同时去除，不仅减少了处理单元，同时可避免传统处理工艺中反硝化阶段碳源不足的问题。Huang等［1］对养猪场污水进行硝化处理后回流到UASB反应器进行厌氧同步消化反硝化处理，COD、总氮的去除率分别达到96% ～97%和54% ～77%，其中在UASB反应器中实现完全反硝化。孙洪伟等［2］在UASB反应器中通过厌氧同步反硝化和产甲烷作用实现了硝态氮和有机物的高效去除。操家顺等［3］利用反硝化菌和厌氧氧化菌生长基质相近的特点，构建气提式反应器，通过反硝化颗粒污泥研究厌氧氨氧化、反硝化和甲烷化的耦合作用，对-N、TN、-N及COD的去除率分别为45%、69%、94%和81%，成功实现了 COD、-N和-N的协同去除。相关研究表明，在反硝化脱氮工艺中，以C6H12O6作为电子供体，当m(COD)/m(-N)介于8.86～53时，反硝化和厌氧消化同时存在［4］，且氮源(-N)的存在有利于COD的去除，有机物优先作为反硝化的电子供体而被消耗［5］。这也表明，不同碳氮比(C/N)对厌氧消化产甲烷和反硝化过程具有一定影响。

本课题组前期通过驯化培养具有较高生物相容性和代谢活性的厌氧消化菌和反硝化菌，构建无质子交换膜微生物燃料电池(MFC)污水处理系统，使厌氧消化菌和反硝化菌分别在阳极和阴极附着成膜，组成生物阳极和生物阴极，耦合阳极氧化和阴极还原过程，实现了模拟污水中COD和-N的高效去除［6-8］，而且该系统对-N也有较明显的去除效果。这说明，加强电子、质子传递明显促进了同时厌氧消化、反硝化和厌氧氨氧化作用。

颗粒活性炭具有多孔和较大的比表面积，微生物易在表面附着成膜;且活性炭具有一定的导电性，以活性炭为载体能够促进电子传递。因此，本研究通过同时驯化培养厌氧消化菌、反硝化菌和厌氧氨氧化菌，以活性炭颗粒为填料构建厌氧污水处理系统，进而考察不同C/N对厌氧同步消化、反硝化和厌氧氨氧化作用协同去除污水中有机污染物和含氮污染物的影响。

1 材料与方法

1.1 微生物的驯化培养

厌氧消化菌培养基配方为(mg·L-1):(NH4)2SO430，KH2PO430，KHCO3500，MgSO4200，FeCl3100，CaCl230，C6H12O6500，NaNO340。反硝化菌和厌氧氨氧化菌生长的基质相近［3］，因此两种微生物在一起驯化培养，培养基配方为(mg·L-1):(NH4)2SO460，KH2PO430，KHCO3500，MgSO4200，FeCl3100，CaCl230，C6H12O6200，NaNO3200。每升培养基添加微量元素液1～2 mL，微量元素液配方(g·L-1):EDTA 50.0，ZnSO42.2，CaCl25.5，MnCl2·4H2O 5.06，FeSO4·7H2O 5.0，(NH4)6Mo7O2·4H2O 1.1，CuSO4·5H2O 1.57，CoCl2·6H2O 1.61。

分别接种污水处理厂厌氧消化池的厌氧消化污泥和反硝化池的反硝化污泥到密闭的锥形瓶中驯化培养，每天更换一次培养基，并用高纯氮气排除系统内的氧气，培养期间溶液pH值均控制在6.5～7.5，控制污泥的质量浓度在 3 500 ～4 000 mg·L-1。在驯化培养过程中，当出水中的COD、-N和-N的质量浓度逐渐降低且三者变化均较小时，表明所需的微生物驯化培养成功。

1.2 实验装置及运行方式

以内径6 cm、长20 cm的圆柱形有机玻璃为厌氧生物反应器的外壳，两端采用螺母加盖固定，内部装填粒径为3～6 mm的活性炭颗粒，高度为18 cm。将分别驯化好的厌氧消化菌和反硝化菌的悬浮液(MLSS为(3 500±20)mg·L-1)按照体积比1∶1装入反应器并刚好浸没活性炭颗粒，上端、下端分别留有添加和排放污水的端口。运行期间通过蠕动泵用软管连接反应器上下端使污水循环流动，蠕动泵的流速为20 mL·min-1，实验装置如图1。每天更换一次处理污水。

图1 以活性炭为填料的厌氧污水处理系统

1.3 模拟污水和分析测试方法

采用去离子水配制待处理的模拟污水［6-8］(mg·L-1):KH2PO430，KHCO3500，MgSO4200，CaCl230，(NH4)2SO4100，FeCl3100，NaNO3200;C6H12O6质量浓度分别为300 mg·L-1和400 mg·L-1，采用两套处理系统同时运行。每升模拟污水中添加1～2 mL微量元素液，调节pH值为7.0±0.2，每天更换一次模拟污水。

相关指标的测定:用pH计(pHS-25型，上海精科雷磁)测定pH值，用重铬酸钾微波消解快速测定法测定COD质量浓度，用纳氏试剂分光光度法测量氨氮浓度，用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定亚硝盐氮浓度，用紫外分光光度法测量硝酸盐氮浓度［9］。文中实验数据均为三次测定结果平均值。

2 结果与讨论

2.1 不同C/N时出水中COD质量浓度变化

本研究中以C6H12O6作为唯一的有机碳源，进水中C6H12O6质量浓度分别为300 mg·L-1和400 mg·L-1。连续运行期间出水中COD质量浓度的变化如图2。进水中COD负荷不同时，两处理系统对COD均有较的好去除效果，当进水中COD负荷越低时则出水中COD的去除效果越好。出水中COD最高分别为28.62 mg·L-1和59.36 mg·L-1，最低分别为 12.72 mg·L-1和 33 mg·L-1;COD去除率最高分别为96.00%和92.00%，最低分别为91.00%和86.00%。

图2出水中COD质量浓度变化

在系统运行期间，COD的去除效率主要受到活性炭颗粒表面附着厌氧消化菌和反硝化菌的生物量和代谢活性的影响。已有研究表明:在反硝化脱氮工艺中若仅以C6H12O6作为有机碳源时，当m(COD)/m(-N)介于8.86～53时，反硝化和厌氧消化过程将同时存在［4］，且氮源(-N)的存在有利于COD的去除，有机物优先作为反硝化的电子供体而被消耗［5］。在本研究中，两处理系统进水中的m(COD)/m(-N)分别为9.65和12.87，且出水中COD和-N的质量浓度明显降低(如图2和图4)，说明在处理过程中同时存在厌氧消化和反硝化作用，这与已有的研究报道一致。

2.2 出水中-N质量浓度变化

图3 出水中质量浓度变化

2.3 出水中-N质量浓度变化

本课题组的前期研究表明:以不锈钢网为电极，利用厌氧消化菌在阳极附着成膜、反硝化菌在阴极附着成膜，构建无质子膜的MFC污水处理系统，通过加强电子、质子传递促进了同步厌氧消化、反硝化作用和厌氧氨氧化作用［6，8］。活性炭颗粒具有一定的导电性，有机物厌氧消化过程中释放的电子可通过活性炭颗粒传递给反硝化菌，促进了反硝化菌的脱氮作用;同时反硝化作用的加强也促进了厌氧消化作用，因此两处理系统对COD和-N均有较好的去除效果，去除率分别在86%和92%以上。

图4 出水中N质量浓度变化

3 结论

(1)通过驯化培养厌氧消化菌、反硝化菌和厌氧氨氧化菌，构建以粒径3～6 mm的活性炭颗粒为填料的厌氧污水处理系统，可实现模拟污水中有机污染物和含氮污染物的稳定、高效去除。

［1］HUANG J S，CHOU H H，CHEN C M，et al.Effect of recycle-to-influent ratio on activities of nitrifiers and denitrifiers in a combined UASB-activated sludge reactor system［J］.Chemosphere，2007，68(1):382-388.

［2］孙洪伟，王淑莹，时晓宁，等.单一缺氧/厌氧UASB同步反硝化产甲烷与A/O组合工艺处理实际晚期渗滤液［J］.化工学报，2009，60(11):2891-2896.

［3］操家顺，周文理，张玉涛，等.厌氧氨氧化、反硝化与甲烷化耦合研究［J］.南京理工大学学报，2009，33(4):538-542，547.

［4］AKUNNA J C，BIZEAU C，MOLETTA R.Denitrification in anaerobic digesters:possibilities and influence of wastewater COD/N-NOXratio［J］.Environmental Technology，1992，13:825-836.

［5］王蕊，谢丽，陈金荣，等.COD/-N对厌氧同时反硝化产甲烷的影响［J］.水处理技术，2012，38(4):21-24，34.

［6］冉春秋，崔玉波，赵不凋，等.双室型无质子膜MFCs协同去除COD和含氮污染物的能力［J］.土木建筑与环境工程，2012，34(6):139-144.

［7］冉春秋，李海燕，王冰，等.电极面积对无质子交换膜微生物燃料电池协同去污能力的研究［J］.环境工程学报，2013，27(2):563-567.

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［9］国家环境保护局.水和废水监测分析方法［M］.4版.北京:中国环境科学出版社，2002.

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［11］SRINANDAN C S，D’SOUZA G，SRIVASTAVA N，et al.Carbon sources influence the nitrate removal activity，community structure and biofilm architecture［J］.Bioresource Technology，2012，117:292-299.