反硝化脱氮过程中外加碳源的选择与投加

孙满

大庆油田设计院有限公司

随着工农业生产的发展，水环境保护面临着巨大压力。因此，国家在新修订的排放标准中对某些污染物诸如化学需氧量（COD）、总氮（TN）的排放提出了严格的要求。甚至一些地区要求市政污水处理厂提标到地表水准四类标准，要求处理出水中总氮浓度≤10 mg/L。目前我国城市污水普遍存在反硝化碳源不足的问题，为达标排放必须使用外加碳源。根据所掌握的数据显示：在前置反硝化处理工艺中，每降低1 mg/L TN 碳源方面的费用为0.03～0.05元。因此碳源的选择与使用对水厂的节能降耗至关重要。

1 碳源的选择

我国城市污水普遍存在反硝化碳源不足的问题，已经成为制约生物脱氮的重要因素。污水厂在碳源选择时要遵循以下原则：容易被微生物降解，容易被反硝化菌利用；反应速度快，避免增加后续处理单元的负担；反硝化菌适应性好；价格便宜；具有较高生物安全性；便于就地采购。

表1 为部分碳源的主要性质[1-3]。值得注意的是，有些物质黏性较大且遇冷结晶、冰冻等特点，给储运装卸带来非常大的不便，因此北方地区的污水厂在碳源的选择过程中一定要注意这一点。此外，复合碳源的质量控制难度较大，在选择的过程中要注意其所含杂质对后续处理工段以及出水指标的影响。

表1 部分碳源的主要性质Tab.1 Main properties of some carbon sources

2 碳源的投加点

常见脱氮处理工艺如图1 和图2 所示。在前置反硝化脱氮和四段法（Bardenpho）脱氮处理工艺中，碳源的投加点有所不同。

图1 前置反硝化处理工艺Tab.1 Pre-denitrification treatment process

图2 四段法（Bardenpho）处理工艺Fig.2 Four-stage（Bardenpho）treatment process

2.1 前置反硝化碳源的投加

采用前置反硝化的目的是尽量利用原水中的易降解有机物作为碳源来实现反硝化过程。如果原水中碳氮比较低，则需要投入碳源。但是前置反硝化过程受到流态的影响，TN 的极限去除效率在70%左右。因此当原水TN浓度高于50 mg/L时，碳源的投加就不再是出水TN达标的决定性因素（出水TN浓度≤15 mg/L）[4-5]。

另外，在前置反硝化段微生物类种群比较复杂，存在不同种类微生物（聚鳞菌、好氧菌以及兼氧菌）对碳源的竞争，因此碳源的利用率有所降低。此外，一些工程中将碳源投入到兼氧段前的调节池中，导致碳源的实际利用率更低。

2.2 四段法脱氮处理工艺中碳源的投加

一般而言，在四段法（Bardenpho）脱氮处理工艺中，选择在后置兼氧段投加碳源。其目的是使原水中的易降解有机物在前置反硝化段得到充分利用，以节约碳源用量。Bardenpho工艺的出水TN可以达到3 mg/L以下。

3 碳源的投加量

决定反硝化进程的因素有很多，如污泥龄、溶解氧（DO）、水温、原水的碱度、pH 值、污泥浓度、反应器的类型等等。在原水碳氮比较低的情况下，投加碳源是保证出水TN 达标的必要条件之一，但是科学的运行调控也是决定TN 达标的必要条件之一。

3.1 碳源投加与溶解氧

以甲醇为碳源的反硝化过程可用如下公式描述：

从公式（1）中可以得知：1 gNOx-N 完全反硝化需要消耗2.9 g 甲醇，同时有0.45 g 生物量产生。很多工程技术人员以上式为依据来确定反硝化过程的碳源需要量。工程实践经验表明：这种方法是不恰当的。因上述公式仅仅描述的是反硝化生物转化过程而已，其形式所限无法将反硝化细菌代谢过程的各种影响因素罗列其中。

意大利研究人员对反硝化过程的研究结果[6]表明：易降解有机物污泥负荷率（F∶M）、溶解氧（DO）、以及降解速率之间有一定的关系。当溶解氧含量增大，有机物污泥负荷率相同时，降解速率减低，在溶解氧大于0.5 mg/L时趋势变缓。

其中的F∶M 代表的是易降解有机物（BOD5）负荷率，即反硝化过程中易降解有机物与挥发性悬浮固体的质量比。其中的易降解有机物就是反硝化过程的碳源总量（包括污水中含有的BOD 和外加碳源）。通常反硝化过程控制在兼氧条件下，即DO=0.1～0.3 mg/L，相当于氧化还原电位（ORP）在-100～50 mV之间。因此可以看出不同的F∶M情况下反硝化过程比降解速率。在已知原水BOD5值的情况下就可以计算出碳源的投加量。

此外，在溶解氧浓度过高的情况下（大于0.3 mg/L）碳源的利用效率明显降低。

3.2 碳源投加与污泥龄

有研究表明：在活性污泥中反硝化细菌占比较低（仅占活性污泥微生物总量的17%左右）[7]。另外，反硝化细菌的世代周期较长。由此可见，污泥龄（SRT）是反硝化过程关键影响因素之一。SRT、F∶M 以及脱氮速率之间的关系也决定了碳源投加量。为了提高碳源的利用效率，SRT宜控制在20 d左右，而且F∶M宜控制在0.1～0.4之间。

4 结束语

无论是污水处理厂的设计还是运行，为了使反硝化脱氮过程更加有效的完成，其外加碳源的选择原则是在满足处理要求的前提下就地取材，可以大幅度降低运行费用；同时确定外加碳源投加点分别在前置反硝化过程中和四段脱氮处理工艺中，目的是使原水中的易降解有机物在前置反硝化段得到充分利用，以节约碳源用量。此外，以反硝化单元的DO、F∶M、SRT 为依据来确定碳源的投加量更具有实际意义。