農(nóng)作物副產(chǎn)品用作廢水處理固體碳源

嚴(yán)群芳+張世其+蔡秀萍+時(shí)志敏+賈培紅

摘要：生物脫氮除磷法處理有機(jī)物含量較低的污水需要補(bǔ)充碳源，擬利用大豆秸稈、蠶豆秸稈、豇豆藤、豌豆藤、綠豆藤、花生藤、花生殼等7種農(nóng)業(yè)廢棄物用作固體氮源進(jìn)行相關(guān)研究。結(jié)果表明：豇豆藤、豌豆藤、綠豆藤、花生藤4種材料釋碳量很少，不適合作為碳源；蠶豆秸稈、大豆秸稈經(jīng)一定的預(yù)處理后，可單獨(dú)作為反硝化脫氮的固體碳源；大豆秸稈還可以和花生殼按等比例混合作為混合固體碳源，固體碳源材料用量為6 g/L時(shí)，直到16 d后還能持續(xù)提供足夠碳源，污水中的硝態(tài)氮去除率高達(dá)95%以上。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)廢棄物；廢水處理；固體碳源；反硝化脫氮

中圖分類號(hào)： X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）09-0462-03

由于許多城市生活污水的有機(jī)物含量較低，針對(duì)這樣的低碳源城市生活污水，在生物脫氮除磷處理工藝中需要補(bǔ)充碳源[1-2]，否則較難達(dá)到排放水體的標(biāo)準(zhǔn)。投加液體碳源如甲醇、乙醇、葡萄糖[3]等，存在運(yùn)輸不便、不安全、成本高等一系列問題，而且進(jìn)水水質(zhì)常常不穩(wěn)定，導(dǎo)致碳源投加量難以控制。近年來，利用含纖維素類物質(zhì)用作固體碳源方面的研究越來越引起關(guān)注[4-5]，我國(guó)每年各類農(nóng)作物中僅秸稈總產(chǎn)量就達(dá)7億t左右[6]，還有各種殼類廢棄物，是一種巨大的可利用再生資源。已有研究表明，稻殼、玉米芯等可作為較好的固體碳源，而花生殼雖在初期釋碳較多，但持續(xù)性不好而不能被很好地利用[7-8]。本研究以來源廣泛的7種不同農(nóng)作物的副產(chǎn)物為原料，分析各自的釋碳規(guī)律，探尋能持續(xù)有效地供碳的單一或混合固體碳源，為更合理有效地利用農(nóng)業(yè)廢棄物提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及預(yù)處理

花生藤、花生殼、大豆秸稈，購(gòu)自淮安市城南鄉(xiāng)農(nóng)村；蠶豆秸稈、豇豆、豌豆、綠豆藤，取自淮安市淮陰區(qū)農(nóng)村。將各種原材料洗凈、涼干，粉碎為0.2～0.4 cm大小，各稱取500 g，用稀H2SO4浸泡20 min[9]，在高壓鍋內(nèi)蒸煮20 min后迅速減壓[10]。

自配污水：200 mg/L葡萄糖，100 mg/L NaNO3，20 mg/L KH2PO4，2.0 mg/L MgSO4·7H2O，0.80 mg/L FeCl3·6H2O，0.20 mg/L MnCl2·4H2O，1.5mg/L CaCl2·2H2O。用NaHCO3調(diào)節(jié)pH值。

1.2 主要儀器

DK-98-IIA電熱恒溫水浴鍋（天津泰斯特儀器有限公司）；9FZ-15B粉碎機(jī)（浙江省臺(tái)州市溫嶺市大眾電器廠）；7253N紫外可見分光光度計(jì)（上海右一儀器有限公司）；BS-1E搖床培養(yǎng)箱（常州華冠搖床培養(yǎng)廠）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 碳源溶出檢測(cè) 分別取10 g上述經(jīng)處理的7種材料（以處理前的干物料計(jì)，下同），置于1 000 mL錐形瓶中，加入1 000 mL蒸餾水浸泡，每天換水，確保試驗(yàn)在水質(zhì)基本不變的條件下進(jìn)行，同時(shí)保持溫度為24～25 ℃。一定時(shí)間后取樣，以重絡(luò)酸鉀（K2Cr2O7）作為氧化劑測(cè)定化學(xué)需氧量（CODCr）。

1.3.2 靜態(tài)反硝化脫氮試驗(yàn) 反硝化細(xì)菌的培養(yǎng)：取淮安四季青污水處理廠二沉池活性污泥，加入4倍體積反硝化細(xì)菌培養(yǎng)液，在厭氧環(huán)境下，保持pH值為7.2～7.5，于25 ℃恒溫培養(yǎng)。

反硝化細(xì)菌培養(yǎng)液配制：分別稱取2 g KNO3、0.2 gMgSO4·7 H2O、0.5 g K2HPO4、20 g酒石酸鉀鈉，加蒸餾水定容至1 000 mL[11]。

反硝化試驗(yàn)：分別取一定量經(jīng)處理的固體碳源材料，置于1 000 mL具塞三角瓶中，同時(shí)加入已培養(yǎng)成熟的反硝化活性污泥與自配污水（體積比為1 ∶4）。于溫度25 ℃、轉(zhuǎn)速150 r/min 的搖床中培養(yǎng)，24 h后開始取樣檢測(cè)，取樣前靜置，用移液槍取上清液，測(cè)定硝態(tài)氮（NO3--N）含量，測(cè)定結(jié)束后換水，每天取樣檢測(cè)、換水。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同原材料的釋碳量

由圖1可知，花生藤、豌豆藤、綠豆藤、豇豆藤的單位質(zhì)量釋碳量較低，只有用量很大時(shí)才有可能提供較多的碳源，這種情況下原材料及操作等成本會(huì)增加，并且由于植物在分解過程中其他物質(zhì)如氮、磷等的溶出，造成水體的二次污染[7，12]，因此不適宜用作反硝化處理碳源。花生殼、大豆秸稈和蠶豆秸稈單位質(zhì)量釋碳量相對(duì)較高，其中花生殼初期釋碳量高，后期很少，分析原因?yàn)楸驹囼?yàn)所用的預(yù)處理方法對(duì)花生木質(zhì)素的破壞不大[13]；蠶豆秸稈釋碳量相對(duì)穩(wěn)定，其釋碳量高與其所含較多的粗纖維有關(guān)[14]；大豆秸稈后期釋碳量高且穩(wěn)定，這可能與結(jié)構(gòu)和成分有關(guān)，且大豆秸稈細(xì)胞結(jié)構(gòu)致密充實(shí)[15]，含纖維素47.87%、木質(zhì)素22.80%[16]。植物材料中纖維素被木質(zhì)素、半纖維素包裹著，而木質(zhì)素不易被微生物降解，因此纖維素的分解受到限制，尤其表現(xiàn)為初期分解慢，通過酸浸泡及高壓蒸煮等預(yù)處理，可以降解木質(zhì)素，促進(jìn)纖維素分解[10]。

2.2 靜態(tài)反硝化脫氮試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 蠶豆秸稈、大豆秸稈碳源 稻殼、玉米芯、核桃殼、原棉、絲瓜絡(luò)等都可以單獨(dú)作為反硝化脫氮的碳源[17-20]，大豆秸稈、蠶豆秸稈單獨(dú)用作反硝化碳源時(shí)，不同秸稈用量的反硝化脫氮結(jié)果分別見圖2、圖3。

從試驗(yàn)結(jié)果分析可知，以蠶豆秸稈作為反硝化碳源，污水處理效果總體較好，當(dāng)用量為4 g/L時(shí)，脫氮率在4～16 d非常穩(wěn)定，超過90%。蠶豆秸稈、大豆秸稈處理污水均在16 d后氮含量增加，可能因?yàn)榉聪趸幕钚杂兴鶞p弱[21]。而大豆秸稈作碳源，在初期的處理效果不理想，從處理5 d開始到處理16 d效果都很好。從大豆秸稈的釋碳結(jié)果可知，處理18 d 的釋碳量還很多，針對(duì)這種情況，可以對(duì)大豆秸稈進(jìn)行預(yù)浸泡處理，從處理5 d開始用于污水處理，用量為6 g/L。

大豆秸稈釋碳持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)過前處理及4 d的浸泡后，從處理5 d開始使用，直到處理16 d反硝化脫氮效果還很好，氮的脫除率均超過90%（圖4）。可見大豆秸稈單獨(dú)作為反硝化碳源時(shí)，根據(jù)其釋碳特點(diǎn)，最好先進(jìn)行一段時(shí)間的處理。

2.2.2 花生殼與大豆秸稈混合碳源 花生殼處理初期釋放碳源過快，微生物不能完全利用，反而會(huì)造成次生污染，而大豆秸稈前期的釋碳量相對(duì)少些。本研究將兩者進(jìn)行1 ∶1的混合，以實(shí)現(xiàn)碳源的綜合利用，并通過試驗(yàn)確定合適的用量。

由圖5可知：花生殼和大豆秸稈按照1 ∶1的比例混合基本能持續(xù)穩(wěn)定地為反硝化菌提供碳源， 使脫氮效果在一定范

圍內(nèi)較好且穩(wěn)定；與空白對(duì)照相比，脫氮效率均有所提高，在2～16 d之間，氮的脫除率達(dá)到95%左右；在試驗(yàn)初期由于碳源材料本身有少量的氮溶出，使出水中氮含量較高，到16 d后出水中氮的含量有所上升，可能與反硝化菌的菌齡有關(guān)[21]。通過對(duì)比可知，秸稈用量增加到6 g/L以上，脫氮率增加不明顯，并且初期的氮溶出量較高。綜合考慮成本及效率，秸稈用量選擇6 g/L。

3 結(jié)論

綜上研究表明：花生藤、豌豆藤、綠豆藤、豇豆藤因單位質(zhì)量釋碳量較低，不適宜用作反硝化水處理碳源。花生殼、大豆秸稈和蠶豆秸稈相對(duì)釋碳量高，可作碳源使用。蠶豆秸稈釋碳持續(xù)穩(wěn)定，是反硝化脫氮很好的固體碳源材料。當(dāng)污水中初始NO3--N的含量為100 mg/L、蠶豆秸稈用量在4 g/L時(shí)，4～16 d內(nèi)脫氮率超過90%；大豆秸稈在前3～4 d釋碳量少，花生殼初期釋碳量高而后期不足，不宜單獨(dú)作為反硝化碳源，但為了利用花生殼初期的高釋碳量，可以與大豆秸稈混合使用。當(dāng)污水中NO3--N的初始含量為100 mg/L時(shí)，花生殼、大豆秸稈按1 ∶1混合、用量為6 g/L時(shí)為佳，氮的脫除率高達(dá)95%。由于大豆秸稈持續(xù)釋碳時(shí)間長(zhǎng)，且量較大，也可以經(jīng)過相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的前處理后單獨(dú)再用于反硝化脫氮過程，當(dāng)污水中NO3--N初始含量為100 mg/L時(shí)，用量在6 g/L 仍有很好的脫氮效果。

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