污水处理工艺反硝化过程的不同碳源研究

慈晓琳

(上海永道环境技术有限公司，上海 200092)

水体中有一个重要的污染因素是较高的氮元素。氮元素的增加不仅会使水体产生富营养化，还会危害水中的生物，对水质造成破坏，使水资源更加紧缺。目前，国家正在不断加强对水污染治理的管理力度，提高污水处理厂污水排放标准。因此，污水处理厂必须严格控制排水中总氮的浓度。

常见的污水处理厂脱氮技术主要是两类：一类是物理化学法，包括折点加氯法、离子交换法和膜分离法；另一类是生物法，包括反硝化生物滤池、生物膜反应器和人工湿地等。在生物法中，污水处理厂最常用的工艺是反硝化脱氮工艺。其反应原理是，在缺氧条件下，由于反硝化细菌的作用，废水中的硝酸盐氮(NO3-N)和亚硝酸盐氮(NO2-N)被还原为氮气(N2)。反硝化菌作为异养型生物，能在缺氧状态时，利用有机物作为电子供体提供能量，使硝酸盐中的氧作为电子受体被氧化。反硝化的反应方程式如下：

(1)

(2)

从理论上讲，反硝化1 g硝酸盐氮消耗2.86 g BOD5，反硝化1 g亚硝酸盐氮消耗1.71 g BOD5[1]。

但是反硝化菌作为异养型生物，需要额外提供碳源。不同类型的碳源对脱氮效果有不同的影响。本文主要研究了污水处理厂三种常用的碳源[2-4]，分别是乙酸、乙酸钠和葡萄糖，考察了不同碳源对某污水处理厂缺氧池内反硝化菌脱氮效果，脱氮速率以及反硝化后对水体中pH值的影响。

1 实 验

1.1 材料与仪器

污泥：某污水处理厂缺氧池污泥。

水样：用去离子水和硝酸钠配置的初始硝酸盐氮浓度为50 mg/L的模拟水样。

试剂：乙酸、葡萄糖、盐酸和氢氧化钠均来自上海凌峰化学试剂有限公司；乙酸钠和硝酸钠来自上海润捷化学试剂有限公司；所有试剂均为分析纯。

仪器S210pH计，梅特勒-托利多；DL-4C离心机，上海安亭科学仪器厂；5100溶解氧测定仪，YSI公司；SPH-310F摇床，上海世平实验设备有限公司；DR6000分光光度计，哈希公司。

1.2 实验方法

不同碳源反硝化实验方法为：常温下，在多个相同反应器内分别添加经过去离子水清洗后的某污水处理厂缺氧池污泥和1.1章节所述模拟水样，添加后溶液体积相同，污泥浓度相同(MLSS为4000 mg/L)，并向反应器内投加不同的的碳源，用盐酸和氢氧化钠调节pH使pH值介于6.5～7.5，用氮气对其进行曝气使DO值小于0.5 mg/L，通过比较多个反应器内样品经过一段时间的反应后，水中氮类指标的变化情况，判断不同碳源的反硝化效果。

pH值的测定采用GB/T6920 玻璃电极法。

硝酸盐氮的测定采用HACH10020 变色酸法。

亚硝酸盐氮的测定采用GB/T 7493 水质 亚硝酸盐氮的测定 分光光度法。

2 结果与讨论

2.1 不同碳源对氮去除的影响

2.1.1 不同碳源对亚硝酸盐氮去除的影响

本实验投加了充足的不同碳源后(充足的碳源是2倍的根据上述反应溶液中硝酸盐氮完全转化所需碳源理论质量)，测试了初始及反应过程中，各个反应器内亚硝酸盐的变化，实验结果如图1所示。

根据实验结果，反应开始时，所配初始溶液不含有亚硝酸盐氮，反应过程中没有明显的亚硝酸盐氮积累，这是由于污水处理厂的反硝化污泥菌群结构不同，在充足的碳源存在条件下，硝酸盐还原酶并未完全主导反硝化过程，此过程中硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮的速率低于亚硝酸盐氮被还原为氮气的速率[5]。该污水处理厂在常规监测缺氧池反硝化作用时，可以将硝酸盐氮的变化做为主要指标，其它污水处理厂也可根据此实验方法进行实验，判断采用哪些指标来监测缺氧池反硝化作用。

2.1.2 不同碳源投加量对硝酸盐氮去除的影响

本实验测试了不同量的不同碳源在反应结束后，各个反应器内硝酸盐氮的去除率，实验结果如图2所示。

图2 硝酸盐氮去除率随碳源投加的变化

根据实验结果，使用不同碳源时，随着碳源投加量的增加，水样中硝酸盐氮去除效率也随之升高。此外，不考虑反硝化过程中的微生物细胞合成的情况下，可以由图2去除曲线估算出去除每g硝酸盐氮所消耗的碳源量，实验检测结果和文献中的参考数据比较结果如表1所示。

表1 碳源消耗量计算结果与文献数据对比

根据实验结果计算，去除每单位硝酸盐氮，乙酸消耗的量最少，葡萄糖消耗的量最大。尽管实验结果与文献数据有差距，但去除单位硝酸盐氮所需要的碳源量高低排名是一致的。

2.2 不同碳源对反硝化速率的影响

本实验投加了充足的不同碳源后，测试了硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的变化，实验结果如图3所示。

图3 氮去除随反应时间的变化

根据该实验结果，当乙酸钠作为碳源时，硝酸盐氮去除速率最快，而选用葡萄糖时的反应速率最慢，这是因为葡萄糖的分子结构与乙酸等相比较为复杂,在微生物对葡萄糖的降解过程中，葡萄糖会先转化为酸性的丙酮酸，再在乙酰辅酶A的作用下不完全氧化为乙醇和乳酸，随后进一步被异养反硝化菌吸收利用[6-7]，降解过程如图4所示。

图4 葡萄糖降解过程

根据实验结果计算该污水处理厂缺氧池反硝化菌的反硝化速率，并与文献中的参考数据进行比较，结果如表2所示。

表2 反硝化速率实验结果计算与文献数据对比

根据对比结果，可以得到某污水处理厂缺氧池污泥反硝化速率比文献数据普遍偏低，这主要是因为实验中使用的反硝化污泥来自实际以低污染物负荷运行的污水处理厂，与文献作者培养的污泥相比，反硝化菌浓度相对较低。污水处理厂在制定各自的缺氧池水力停留时间时，要考虑各自污泥的反硝化速率。

2.3 不同碳源对反硝化后水质pH值的影响

将初始各反应器内pH值调至7.5，在反硝化过程中每隔1 h测试各个反应器中的pH值，实验结果如图5所示。

图5 pH值随时间变化曲线

在反硝化过程中，当pH值变化较大时，会对污水处理厂后续生化处理系统产生影响，而且反应过程中pH的变化也会影响反硝化过程中的亚硝酸盐氮积累，进而干扰脱氮效果。根据实验结果显示进出水pH值变化，可以看出，乙酸和乙酸钠作为碳源时，出水pH值较初始都有一定的升高或保持不变，这是因为硝酸盐氮或亚硝酸盐氮被还原为氮气的过程中会首先生成碱度，而葡萄糖作为碳源时出水pH值降低则是由于反应过程中生成的丙酮酸和乳酸还没有被完全利用[6-7]。

3 结 论

乙酸、乙酸钠和葡萄糖三种碳源对反硝化速率的表现为乙酸>乙酸钠>葡萄糖。使用这三种碳源时对于该污水处理厂在反硝化过程中均无明显的亚硝酸盐氮累积。去除单位质量硝酸盐氮所需的乙酸质量最少，葡萄糖最高。使用乙酸和乙酸钠作为碳源时，会导致出水pH值升高；而使用葡萄糖时则表现为pH值降低。各个污水处理厂需要根据各自的实际情况选择合适的碳源。