乙二醇作为碳源的反硝化脱氮效果

摘 要：本文研究在反硝化深床滤池中的乙二醇的反硝化效果，从乙二醇欠量投加开始，再逐渐增加加药量，期间进行多次反冲洗，并监测进出水各项指标。研究表明，乙二醇可以作为反硝化微生物的碳源，反硝化细菌的挂膜时间在120h以上。当进水NOx-N低于3mg/L时，NOx-N去除率可达到65%以上。在低药量、低进水NOx-N浓度的环境中仍能保持较高的NOx-N去除率。出水NOx-N最低可降至1mg/L以下。乙二醇作为碳源培养出的反硝化细菌黏附力强，反冲洗不易脱落，出水水质更稳定。

关键词：反硝化深床滤池；碳源；乙二醇；反硝化脱氮；反冲洗

中图分类号：X 52" " 文献标志码：A

反硝化脱氮过程是通过反硝化细菌在缺氧环境，以碳源为电子供体，以水体中的NO2-、NO3-为电子受体，将NO2-、NO3-转化为氮气的过程，目前全国大多数污水处理厂须外加碳源来保证反硝化脱氮的功能。

目前使用的碳源主要有葡萄糖、甲醇、乙醇、乙酸、乙酸钠，不同的碳源适应不同的水质，驯化的反硝化细菌也不同。葡萄糖培养出来的反硝化细菌较为蓬松，生长缓慢、黏附性较弱、当气水反冲时，容易洗掉。甲醇培养的反硝化细菌生长较慢，黏附性强、生存能力强、能适应低营养环境，但甲醇是易燃易爆危化品，在具体使用中须配备防爆设备和应急处理装置等。乙酸钠是目前使用最广泛的碳源，若按理想比例投加，则NOx-N最大去除率可以达到85%，挂膜时间为24h～36h[1]，乙酸钠培养的反硝化细菌生长迅速、但黏附力较弱，容易因反冲洗脱落，且存在明显的亚硝基氮积累。

由于现在使用的碳源各有利弊，且价格均较为昂贵，因此碳源开发和研究一直是反硝化脱氮研究的重点之一。本文主要采用某污水处理厂的反硝化深床滤池，使用乙二醇作为碳源，研究乙二醇作为碳源的特性。

1 材料和方法

1.1 污水处理厂概况

四川某城市生活污水处理厂将现在的一级A出水水质提标升级，提标升级后出水水质达到《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》（DB 51/2311—2016）关于城镇污水处理厂的标准。一期处理规模为25000m³/d，二期处理规模为25000m³/d，水厂目前一、二期处理规模为50000m³/d，污水处理系统包括预处理段、生化处理段和深度处理段。

本污水处理厂处理工艺流程为粗格栅及提升泵房→细格栅及沉砂池→MBBR池→中间水池→高密池→反硝化深床滤池→滤布滤池→接触消毒池。

1.2 反硝化深床工艺流程

StripNite反硝化深床滤池系统主要包括滤池、清水池、废水池、反冲洗风机、反冲洗水泵、气动阀门、空压机、冷干机、在线NOx-N检测仪、在线DO（溶解氧）检测仪、流量计、液位计等。

该反硝化深床滤池共1座6格，总过滤面积395m2，设计滤速5.3m/h，设计脱氮负荷0.633，单位为：kg/m2·d。工艺流程图如图1所示。

该城市生活污水处理厂反硝化深床滤池前端工艺处理后的水质已达标，反硝化深床滤池进水TN更是维持在10mg/L以下，为研究乙二醇作为碳源的反硝化脱氮效果，将在进水TN已达标的基础上进一步降低TN。

1.3 研究方法

污泥接种：在进水端混合池内投加污泥，污泥来源于MBBR工艺段活性污泥，活性污泥浓度为4122mg/L，投加流量为10m³/h，投加污泥到混合池，开启混合池搅拌器，活性污泥随水流经配水渠分别流入各滤池中，水流方向为下向流，污水经滤料表面流入，从滤池底部流出，因此污泥会被滤料表面截留，为避免堵塞滤料表面，采用间歇式接种，每投加30min，暂停30min，待污泥纵向迁移到滤料内，再进行下一次投加。在该过程中，滤池保持恒水位过滤状态，随着污泥接种入滤池，发现滤池的出水调节阀的阀门开度逐渐变大，这是滤池阻力变大的表现，为防止滤池过滤阻力过大，造成漫池，当滤池阀门开度达到60%后，停止接种污泥，此时池内污泥量已达到滤池容积负荷，污泥接种完成。

污泥接种完毕后，开始投加碳源，经测定乙二醇碳源溶液的COD当量为26×104mg/L。为防止反硝化深床滤池出水COD超标，在线投加碳源，使用计量泵进行碳源投加，且碳源采用欠量投加，从理论投加量的25%开始，逐渐增加碳源投加量。

当溶解氧的含量小于0.5mg/L时，释放气体，气体释放强度15m/h，气体释放间隔周期为4h，气体释放时间为60s。同时开启气水反冲洗功能，气水反冲洗流程：气冲→气水混合冲→水冲，气冲强度92m/h，水冲强度15m/h，气水反冲洗时间根据运行情况做适当调整，每格滤池气水反冲洗的间隔周期开始设定为48h一次，随时间推移，逐渐缩短时间，直至24h～36h一次。运行期间在开始加药后第48h、96h、144h、192h分别进行一次气水反冲洗。

逐渐增加碳源投加量，直至出水TN、SS、BOD5达标，且COD不超标。

期间每间隔12h取样检测进出水的COD、DO、SS、TN。实时观察记录进出水NOx-N在线检测数据。

根据Barnard的研究发现在污水处理中，由于碳源物质不同，因此反硝化过程存在以下3个阶段[2-3]。1）利用VFAs等易被降解的物质，反硝化速率约为50，单位为：mg/L·h（以NO3--N计）。2）利用颗粒有机物和复杂有机物，反硝化速率约为16，单位：mg/L·h（以NO3--N计）。3）利用内院代谢产物，反硝化速率仅为5.4，单位：mg/L·h（以NO3--N计）。由于进水NOx-N较低，第一、二阶段的时间非常短，本试验主要通过数据分析研究第三阶段。

2 检测结果记录与分析

2.1 出水DO（溶解氧）

由于进水来源是MBBR，进水溶解氧较为稳定，基本约为5.6mg/L，因此不作为分析指标，着重分析出水溶解氧的变化，出水溶解氧的变化如图2所示。

绝大多数的反硝化微生物是兼性厌氧菌，O2存在时消耗O2，没有O2时消耗NO3-[4]。对兼性厌氧菌而言，需要在没有分子氧的环境中进行反硝化过程。较高的气水比，即较高的溶解氧会抑制硝酸盐还原酶合成，因此应该在缺氧的环境下进行反硝化反应[5]。兼性厌氧菌呼吸链中有两套不同的酶系统，需要利用氧分子作为电子受体的“好氧呼吸”，利用NO3-、NO2-作为电子受体的“缺氧呼吸”。这两种呼吸作用的代谢途径相似，与电子传递链中进行最终电子传递的酶不同，兼性厌氧菌利用O2和NO3-进行电子传递。因此，在相滤池进水中投加碳源后，会先消耗水中分子态氧，再以NO3-、NO2-为电子受体进行反硝化反应[6]。因此常将溶解氧降至0.5mg/L以下，以此作为挂膜的标志。

由图2可知，开始加药后，前12h，溶解氧下降较快。水中溶解氧高，碳源作为还原性物质与水中O2反应迅速，当水中游离态氧分子被逐渐消耗，含量降低，反应速率也急剧下降，此时增加药量并不能明显使溶解氧降低。

在加药48h后，进行一次反冲洗，反冲洗后出水DO迅速上升，继续加药24h后才能恢复溶解氧，表明此时挂膜未成功，且微生物黏附力非常弱，反冲洗带走了大量的微生物。

加药96h后，再次进行反冲洗，反冲洗后出水溶解氧有波动，但不明显，且迅速恢复。表明此时微生物已经在滤料层中繁衍增殖，并具备了一定的黏附力，反冲洗不易脱落滤料表面的微生物。

保持加药120h后，出水溶解氧降至0.5mg/L以下，此时挂膜成功。

当加药144h和192h时，分别进行一次反冲洗，出水溶解氧无明显波动，说明微生物并未大量脱落。

2.2 进出水COD的变化

通过COD变化可判断乙二醇碳源是否被微生物消耗，进出水COD变化如图3所示。

由图3可知，当开始加药时，会出现出水COD比进水COD高的现象，水中DO消耗了乙二醇，未达到缺氧环境，反硝化细菌未能消耗乙二醇，因此出现了COD击穿现象，使出水COD升高。

加药48h后出现转折点，出水COD比进水COD低，说明此时乙二醇已经被水体中微生物利用，之后出水COD一直比进水COD低。

在每间隔48h一次的反冲洗中，出水COD未出现超标现象，表明滤池中微生物已经能充分利用碳源。

2.3 进出水NOx-N

加药后进出水NOx-N变化如图4所示。

加药48h后，出水DO降至0.5mg/L以下，此时滤池中已经是缺氧状态，但出水NOx-N直到144h后才有下降趋势，之后逐渐稳定。

从DO降至0.5mg/L开始，直至NOx-N有下降趋势，共耗时96h，在这个过程中，NOx-N不仅没有下降，还有小幅度上升。乙二醇与甲醇化学性质类似，在碳源投加量不足的情况下，甲醇在反硝化过程中会存在一个亚硝态氮积累的过程[7]，结合出水NOx-N数据，可判断乙二醇在反硝化过程中也存在亚硝态氮积累。

在48h和96h反冲洗后，出水NOx-N较进水NOx-N都出现大幅上升，由于反冲洗给水体充氧，因此造成水体中溶解氧过高，滤池中有一个较短时间的好氧过程，将水体中的部分氨氮转化为NOx-N，因此使NOx-N升高。

进水NOx-N低于3mg/L，仍能继续降低，出水NOx-N最低可降至1mg/L以下。表明乙二醇作为碳源培养的反硝化细菌适用于低NOx-N浓度的环境，脱氮效率高。

2.4 进出水SS变化

过滤去除SS也是反硝化深床滤池的主要功能，同时也能反映滤池内污泥状态，进出水SS的检测数据如图5所示。

StripNite反硝化深床滤池的滤料采用2～3mm天然石英砂，厚度达到2.44m，过滤效果良好，大量污泥接种后会因纵向迁移作用，部分SS会穿过滤料层，使出水SS升高，但96h后，过滤的表面截留和纵向迁移，在滤料表面形成滤饼层，过滤效果逐渐稳定。

滤饼层形成后，第144h和第192h的反冲洗，并未使出水SS超标现象，说明滤饼层并未明显破坏，反硝化细菌的黏附性较佳。

2.5 NOx-N去除率与加药量的关系

NOx-N去除率与加药量的关系如图6所示。

采用在线投加的方式加药，加药量根据进水流量、进水NOx-N、进水溶解氧等在线数据进行调节，因此只须通过调整加药比例，即可对碳源投加量进行精确控制。加药比例100%是乙二醇的理论投加量，100%加药比例的乙二醇投加量C/N为8.0。

为避免COD击穿造成出水COD超标，乙二醇碳源投加采用欠量投加，从低药量开始投，逐渐增加投药量。当未达到缺氧状态时，增加加药量易使出水COD升高。

随着乙二醇加药量逐渐增加，NOx-N的去除率也逐渐提高，当进水NOx-N低于3mg/L时，乙二醇加药量比例85%（C/N：6.8），NOx-N的去除率可达到65%。因出水NOx-N降至1mg/L以下，为避免出水COD超标，因此并未继续增加加药比例。

在NOx-N的去除率稳定后，尝试减少乙二醇的加药量，加药比例减至45%，其NOx-N的去除率仍能维持约44%。

期间经历多次反冲洗，NOx-N去除率并未出现明显波动。

3 结论

将乙二醇作为碳源，其挂膜时间超过120h，与乙酸钠挂膜时间24h～32h，葡萄糖挂膜时间32h～48h相比，乙二醇作为碳源的挂膜时间较长。

传统的乙酸钠碳源培养出的微生物黏附力差，反冲洗会让大量反硝化细菌脱落，造成出水水质波动，而乙二醇作为碳源培养的反硝化细菌的黏附力较强，反冲洗后，出水DO和NOx-N能迅速恢复，避免了在反冲洗后出水水质长时间超标的现象。

将乙二醇作为碳源，出水NOx-N最低可降至1mg/L以下。当进水NOx-N低于3mg/L时，NOx-N去除率也可达到65%以上。

乙二醇培养出的反硝化细菌能适应低营养环境，在低药量、低NOx-N浓度的环境中，仍能保持相当的活性和反硝化脱氮功能，与其他碳源在低药量、低NOx-N浓度的环境中反硝化脱氮效率急剧下降，甚至反硝化细菌失活的现象相比，乙二醇更具优势。

参考文献

[1]张朋锋，马乐宁，赵金，等.深床反硝化生物滤池碳源优选研究[J].中国给水排水，2020，36（3）：92-96.

[2]徐亚同.废水反硝化除氮[J].上海环境科学，1994（10）：8-12.

[3]LEE N M，WELANDER T.The effect of different carbon sources"on respiratory denitrification in biological wastewater treatment[J].Journal of Fermentation and Bioengineering，1996，3（82）：277-285.

[4]吉芳英，陈思，刘娜.污水处理中微生物反硝化脱氮过程及代谢规律[J].四川理工学院学报（自然科学版），2013，26（4）：10-14.

[5]赵胜楠，高会杰.反硝化生物滤池的挂膜试验研究[J].现代化工，2016，36（2）：145-147.

[6]MADIGAN M T，MARTINKO J M，DUNLAO P V，et al. Brock Biology of Microorganisms[M].13th ed.San Francisco：Benjarmin Cun-mings Publishing Company，2010.

[7]牛萌，王淑莹，杜睿，等.甲醇为碳源短程反硝化亚硝酸盐积累特性[J].中国环境科学，2017，37（9）：3301-3308.

通信作者：陈铎（1992—）男，湖北武汉人，江南大学化学工程与工艺专业学士学位，中级职称，研究方向为污水处理。

电子邮箱：cding12138@163.com。