新型复合碳源去除工业综合园区废水中硝酸盐试验研究

2020-05-09马丽媛张建柱尚兴盈张惠源

天津科技 2020年4期

邓林，王庆，潘倩，马丽媛，张建柱，尚兴盈，张惠源

(1. 天津大学环境科学与工程学院天津300072；2. 天津泰达新水源科技开发有限公司天津300457；3. 天津泰达水业有限公司天津300457)

0 引言

城镇污水处理厂总氮去除工艺选择中，生物脱氮法是目前最经济有效的方式。在越来越严格的总氮排放标准下，污水中的可生物利用的碳源成了总氮去除的主要限制因素，尤其是低碳氮比(C/N)的工业废水，其C/N比一般为2～3。对于此类废水，外加碳源是提高总氮去除率从而实现达标排放的最直接有效途径。随着总氮排放限值逐渐降低，引起了碳源需求增加，也激发了新型碳源的研发。

目前外加碳源主要以甲醇、乙醇、乙酸钠和葡萄糖等液态有机物为主，其中应用最广泛的是乙酸钠和甲醇碳源，前者反硝化菌易于利用、响应速度快、脱氮效果好，但价格昂贵、污泥产率高；后者运行费用较低、产泥量较小，但响应时间较慢，应急投加效果往往不佳，且其具有毒性，长期作为碳源，对尾水排放具有一定的影响。由于总氮排放限值越来越严格，在满足达标排放时，外投碳源量相对以前有了较大增长，运行成本增加。近些年，新型碳源的开发逐渐受到广泛重视，包括初沉污泥[1-2]及剩余污泥的水解液[3-4]、玉米秸秆类有机质的浸出液[5-6]，以及木屑固体缓释碳源[7-9]等。

本研究采用了一种新型复合碳源作为外加碳源进行了工业废水中硝酸盐去除研究，该新型碳源是通过多步玉米秸秆生物发酵获得的，其主要成分是多种单糖、断链醇/酸，同时也添加了一些微生物促升剂、益生因子，以有利于微生物的生长。本研究以工业上常用的乙酸钠碳源为对照，首先实验研究新型复合碳源与乙酸钠碳源在硝酸盐去除性能上的差异，然后在天津某工业综合园区水处理厂进行工程应用验证，进一步确定新型复合碳源在实际工程应用中的总氮去除效果。

1 试验部分

1.1 废水水质

表 1给出了天津某工业综合园区的主要进水水质参数值以及关联水质参数比值。从B/C值为0.299可知，基本可满足生物法处理要求，C/N值为 8.80，而B/N值为2.63，为了满足脱氮的需求，一般需B/N值大于 5，为了 TN 的达标排放，需额外补充易降解的碳源以满足TN的去除要求。

表1 废水主要水质参数Tab.1 Main water quality parameters of wastewater

1.2 试验方法

试验装置：采用2台可调节搅拌转速的六联搅拌反应器，同时开展 2种碳源(新型复合碳源与乙酸钠碳源)对反硝化过程影响的试验。

试验流程：在某污水处理厂 A2/O工艺缺氧池末端取一定量的泥水混合物，加入定量硝酸盐，配置成含一定浓度硝酸盐氮的试验用原液，试验时分别向2台六联搅拌器6个反应器中加入1L该原液，然后一组六联反应器中加入对照组的乙酸钠碳源，另一组六联反应器加入试验组的新型复合碳源。碳源加入后，开始计时，间隔相同反应时间取样化验。

1.3 项目测定与方法

反应前后及过程中的水样经抽滤后，取滤液测水中的硝酸盐氮(NO3-N)浓度，检测方法采用紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)。

不同时间间隔的NO3-N去除量用下式计算：

式中：ΔMt为反应时间t时NO3-N的去除量，mg/L；M0为反应初始时的 NO3-N含量，mg/L；Mt为反应时间t时NO3-N含量，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 转速的影响

为了消除 2台六联搅拌反应器装置及搅拌强度对实验结果的影响，首先考察了搅拌器转速对反硝化硝酸盐去除的影响。试验条件：新型复合碳源浓度200mg/L，醋酸钠浓度 200mg/L，反应时间 3h，向所取泥水混合液中额外添加NO3-N 10mg/L。改变转速为 20、40、60、80、100和 120rpm，分析转速对硝态氮去除的影响。试验结果见图1。

图1 搅拌转速对NO3-N的去除量的影响Fig.1 Effect of stirring speed on removal of NO3-N

由图 1可知，对于新型复合碳源转速试验，NO3-N去除量在转速为 20～60rpm范围内，随转速的增加而增加，这主要是由于转速的增大有利于微生物与碳源、硝酸盐的充分接触，从而增大NO3-N的去除量，在继续增大转速至 120rpm时，NO3-N的去除量随转速的增大反而下降。这一方面可能是转速的增大导致了微生物凝聚体被打散，影响了微生物的活性；另一方面转速的增大导致空气中向反应器中的富氧速率增大，引起了水中的溶解氧增加，导致微生物以氧气为电子载体，从而影响 NO3-N的去除。因此，对于新型复合碳源转速实验下的仪器转速确定为60rpm。

对于醋酸钠碳源转速试验，由图中可知，NO3-N的去除量随转速的增加逐渐下降。虽然在转速20rpm下，去除量略高于转速40rpm下的去除量，但在试验过程中，可明显观察到，在 20rpm 转速下，混合液并未混合均匀。因此，将醋酸钠转速试验下的仪器转速确定为40rpm。

2.2 反应时间的影响

试验条件：新型复合碳源 200mg/L，醋酸钠200mg/L；取样时间间隔分别为 30、60、120、180、240min，考察反应时间对 NO3-N 去除量的影响。试验结果见图2。

由图 2可知，对于醋酸钠碳源和新型复合碳源，随着反应时间的延长，在反应时间 3h前，NO3-N的去除量均随反硝化时间的增加逐渐增大，在反应时间介于 3～4h之间时，硝态氮去除量变化不大。因此，确定反应时间为3h。

图2 反应时间对NO3-N去除量的影响Fig.2 Effect of reaction time on removal of NO3-N

2.3 碳源浓度的影响

试验条件：固定反应时间为 3h，改变投加碳源浓度，考察碳源浓度对硝酸盐去除的影响。首先以200mg/L新型复合碳源为基准，考察醋酸钠浓度值为 220、240、260、280mg/L下的 NO3-N 的去除量与200mg/L新型复合碳源下的去除量的大小关系，再次以 200mg/L的醋酸钠碳源为基准，考察新型复合碳源以下浓度值为 120、140、160、180mg/L 下的去除量与200mg/L的醋酸钠作为碳源下的去除量的大小关系。试验结果见图3。

由图 3可知，对新型复合碳源和醋酸钠碳源，NO3-N去除量均随着碳源浓度的增加呈线性增加。在 200mg/L新型复合碳源下的 NO3-N去除量为4.79mg/L，而在获得等量的 NO3-N 的去除量下，所需醋酸钠浓度为 270mg/L；同理在 200mg/L醋酸钠浓度下NO3-N的去除量为 3.34mg/L，而在获得相同NO3-N去除量前提下，所需的新型复合碳源浓度仅为 140mg/L。由图 3可获得在相同 NO3-N去除量下，其他新型复合碳源浓度与醋酸钠浓度的对应关系，见表 2。从该表中可知，在获得等量的 NO3-N去除量下，相比醋酸钠碳源，新型复合碳源可节省 30%用量。

图3 碳源浓度对NO3-N去除量的影响Fig.3 Effect of carbon-source concentration on removal of NO3-N

表2 等量NO3-N去除量下，新型复合碳源与醋酸钠用量的对应关系Tab.2 Correspondence between dosages of novel composite carbon source and sodium acetate under same removal of NO3-N

2.4 硝酸盐浓度的影响

试验条件：固定反应时间3h，2种碳源浓度均为200mg/L时，改变原液中不同硝酸盐浓度，以考察对硝酸盐去除量的影响。试验结果见表3。

表3 初始硝酸盐浓度对NO3-N去除量的影响Tab.3 Effect of initial nitrate concentration on NO3-N removal

由表 3可知，在 200mg/L的新型复合碳源浓度下，改变原液中硝酸盐浓度含量，并不改变硝酸盐去除量的大小，在原液硝酸盐浓度8.64～15.60mg/L范围内，硝酸盐去除量在6.24±0.14mg/L之间，而在原液中硝酸盐浓度为 5.75mg/L时，硝酸盐去除量为4.82mg/L，不落在上述范围之内，是由于原液中硝酸盐浓度小于硝酸盐的去除量所致。考察了碳源浓度同为 200mg/L的醋酸钠碳源可知，其在硝酸盐浓度为9.05～15.40mg/L范围内，硝酸盐去除量在4.14±0.26之间。由表 3可知，在相同碳源浓度下，相比醋酸钠碳源，新型复合碳源的硝酸盐去除量可增加50%。

2.5 工程应用

在天津某综合工业园区污水处理厂进行了新型复合碳源与醋酸钠碳源分别作为外加碳源时总氮效果去除对比。该厂生化段处理工艺为A2O工艺，在缺氧池添加碳源，选择 2个运行条件基本相同的系列(处理量为 10000m3/d)开展工程应用效果对比。对比试验分为 2个阶段，其中 A阶段新型复合碳源的用量为醋酸钠用量的70%，即节约30%用量，共试验33d，B阶段为进一步降低新型复合碳源用量，其值为醋酸钠用量的50%，共试验20d。对比试验结果见图 4。

由图4可知，在A阶段下，用新型复合碳源作为外加碳源时，二沉池出水总氮浓度值大部分低于乙酸钠碳源的情形，这表明新型复合碳源投加量仍有下调空间。在试验 B阶段下，经统计分析，新型复合碳源作为碳源时的二沉池出水总氮小于醋酸钠碳源时的天数为5d，仅占比为23.8%，由此推断在获得等量硝酸盐去除下，新型复合碳源的节省量最好控制在50%之内。