植物廢棄物的釋碳能力對(duì)生物反硝化作用的影響

張紅梅，楊百忍，王 磊，秦 盈，陳 月

（鹽城工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051）

1 引言

氮對(duì)動(dòng)植物以及人類的生長(zhǎng)、生存有很大作用，但是人類的過(guò)度利用，使氮在循環(huán)過(guò)程中加劇了水體富營(yíng)養(yǎng)化[1]。含氮廢水的有效處理已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，污水處理廠提高脫氮水平勢(shì)在必行。但是，目前大部分污水處理廠都存在由于進(jìn)水碳源不足而使脫氮效率低的問(wèn)題。提高系統(tǒng)脫氮效率方法：一是擴(kuò)大缺氧區(qū)體積，二是外加碳源。傳統(tǒng)的外加碳源一般包括甲醇、乙醇等低分子有機(jī)物和葡萄糖、蔗糖等糖類物質(zhì)[2]。為了降低水體脫氮技術(shù)的成本，很多研究人員通過(guò)多種途徑尋找無(wú)毒、廉價(jià)的碳源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳源[3-5]。新型碳源主要以一些低廉的固體有機(jī)物為主，主要用作固態(tài)碳源的是玉米、木屑、麥稈、稻殼等。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

收集甘蔗渣和木屑，曬干，粉碎，過(guò)100目的篩之后，于65℃的烘干2d，冷卻后放入真空袋備用。

SPX-250C型恒溫恒濕箱、JPSJ-605型溶解氧測(cè)定儀、TU-1901型紫外分光光度計(jì)SD101-2AS電熱鼓風(fēng)干燥箱等設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)所用模擬廢水由葡萄糖、氯化銨與自來(lái)水配制而成。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 釋碳性能研究

（1）時(shí)間對(duì)釋碳性能的影響

分別稱取10g的甘蔗渣、木屑于800mL的蒸餾水，pH調(diào)為7左右，溫度25℃，分別在1h、4h、8h、12h、24h、48h、72h和96h取樣，過(guò)濾，測(cè)定水樣中的COD濃度。

（2）溫度對(duì)釋碳性能的影響

調(diào)節(jié)溫度為10℃、20℃、30℃、40℃，其他反應(yīng)條件同上，8h后取樣測(cè)定COD。

（3）pH對(duì)釋碳性能的影響

調(diào)節(jié)pH值5、6、8、9左右，溫度25℃，其他反應(yīng)條件同上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（4）固液比對(duì)釋碳性能的研究

調(diào)節(jié)固液比為1∶40、1∶80、1∶160、1∶200，pH為7左右，其他反應(yīng)條件同上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 廢水生物反硝化實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用SBR工藝，12h運(yùn)行一個(gè)周期，其中好氧曝氣5h、缺氧攪拌2h、靜置1h。分別測(cè)定原水以及各階段反應(yīng)后出水中氨氮、亞硝氮、硝氮以及COD的濃度。

3 結(jié)果與討論

3.1 時(shí)間對(duì)固體碳源釋碳能力的影響

采用上述實(shí)驗(yàn)條件（1），反應(yīng)時(shí)間對(duì)釋碳能力的影響如圖1所示。

圖1 固體碳源釋碳能力隨時(shí)間的變化

從圖1可以看出，相同條件下，甘蔗,釋放的COD濃度明顯高于木屑釋放的COD濃度，在12h時(shí)COD達(dá)到最高，分別為7 900mg/L、640mg/L。兩種碳源釋放的COD隨時(shí)間的變化情況相似，先增大，12h后有所下降，24h后COD的濃度趨于穩(wěn)定。這可能是在固體碳源釋碳過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)，導(dǎo)致廢水pH下降，阻礙碳源的進(jìn)一步釋碳。

3.2 溫度對(duì)固體碳源釋碳能力的影響

采用上述實(shí)驗(yàn)條件（2），反應(yīng)溫度對(duì)釋碳能力的影響如圖2所示。

圖2 固體碳源釋碳能力隨溫度的變化

從圖2可以看出，甘蔗渣和木屑釋放的COD濃度基本上是隨著溫度的升高而上升，所以溫度越高，越有利于碳源的釋放。從10℃變化到40℃，甘蔗釋放的COD濃度基本在6 000mg/L左右，但是木屑的釋放的COD從160mg/L上升到444mg/L，也就是說(shuō)溫度對(duì)甘蔗的釋碳過(guò)程比對(duì)木屑的釋碳過(guò)程影響小。

3.3 pH對(duì)固體碳源釋碳能力的影響

采用上述實(shí)驗(yàn)條件（3），反應(yīng)溫度對(duì)釋碳能力的影響如圖3所示。

圖3 固體碳源釋碳能力隨pH的變化

從圖3可以看出，不管是甘蔗還是木屑，其釋放的COD濃度隨著pH的變化趨勢(shì)是先上升后下降，在pH為8的時(shí)候，都達(dá)到最大值，分別為840mg/L和560mg/L，隨后COD的濃度快速下降。這可能是因?yàn)楦收嵩湍拘歼@類固體碳源在釋碳過(guò)程中本身會(huì)產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)，從而導(dǎo)致釋碳環(huán)境的變化，所以在堿性條件下釋放的COD濃度會(huì)比酸性條件下釋放的濃度高；但是堿性太高，會(huì)破壞固體碳源的性質(zhì)，又會(huì)導(dǎo)致釋放的COD濃度下降。

3.4 固液比對(duì)固體碳源釋碳能力的影響

采用上述實(shí)驗(yàn)條件（4），反應(yīng)溫度對(duì)釋碳能力的影響如圖4所示。

圖4 固體碳源釋碳能力隨溫度的變化

從圖4可以看出：甘蔗和木屑釋放的COD濃度隨著固液比的增大減小，固液比為1∶200時(shí)，甘蔗和木屑釋放量達(dá)到最大值，分別為560mg/g、88mg/g，在1∶40的時(shí)候釋碳量最小，分別是496mg/g、44.8mg/g。固液比越小，物質(zhì)之間傳質(zhì)的阻力會(huì)越小，所以會(huì)有利于碳源的釋放。

3.5 固體碳源的投加對(duì)系統(tǒng)反硝化脫氮效果的影響

多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在缺氧階段不投加外碳源時(shí)，總脫氮率和COD的去除率都較低，分別在60%、70%；在缺氧階段結(jié)束后，硝氮和亞硝氮的濃度還比較高，說(shuō)明在缺氧階段，大部分硝氮和亞硝氮未進(jìn)行反硝化反應(yīng)，導(dǎo)致總脫氮率低。

實(shí)驗(yàn)以甘蔗渣、木屑固液比為1∶40和1∶80，在溫度為25℃，運(yùn)行總時(shí)間8h的條件下，進(jìn)行生物脫氮。脫氮率、缺氧階段脫氮率、COD去除率的變化情況如圖5、圖6所示。

圖5 各去除率隨投加木屑質(zhì)量的變化

圖6 各去除率隨投加甘蔗渣質(zhì)量的變化

由圖5、圖6可知，不管是投加木屑還是甘蔗渣，都不同程度地提高了系統(tǒng)的脫氮率，沒(méi)有投加碳源時(shí)，脫氮率只有60%左右，加入碳源之后，脫氮率基本都大于80%，所以外加碳源可明顯提高系統(tǒng)的脫氮率。且甘蔗作為外加碳源時(shí)，脫氮率高于木屑作為外加碳源時(shí)的脫氮率。

當(dāng)木屑作為外加碳源時(shí)，隨著碳源的增加，缺氧階段的脫氮率、總的脫氮率以及COD的去除率都在上升，當(dāng)投加的木屑質(zhì)量為0.044g時(shí)，缺氧階段的脫氮率、總的脫氮率以及COD的去除率都達(dá)到最大值，分別是42%，86.74%，89.20%。甘蔗作為外加碳源時(shí)，明顯提高了缺氧階段的脫氮率，當(dāng)加入的質(zhì)量為0.464g，缺氧階段的脫氮率達(dá)到70.15%，缺氧階段結(jié)束時(shí)亞硝氮的濃度為零，硝氮的濃度也很小，總的脫氮率達(dá)到95.53%。但投加外碳源較多時(shí)，COD的去除率開(kāi)始下降，這是因?yàn)榧尤氲奶荚幢旧順?gòu)成COD，從而導(dǎo)致COD的去除率下降。

4 結(jié)論

1）甘蔗的釋碳能力和生物反硝化過(guò)程的影響能力都比木屑大。

2）對(duì)兩種固體碳源而言，固液比對(duì)釋碳過(guò)程影響最大，其次是時(shí)間，pH對(duì)釋碳過(guò)程的影響都比較小。固液比為1：200時(shí)，甘蔗和木屑的釋碳量達(dá)到最大值，分別為560mg/g、88mg/g。

3）木屑作為外加碳源時(shí)，缺氧階段脫氮率、總脫氮率、COD的去除率都隨著加入碳源質(zhì)量的增加而上升。當(dāng)投加量0.044g時(shí)，缺氧階段脫氮率、總脫氮率以及COD的去除率都達(dá)到最大值，分別為42%，86.74%，89.20%。

4）甘蔗作為外加碳源時(shí)，脫氮率都隨著碳質(zhì)量的增加而上升，但COD的去除率卻略有下降，當(dāng)投加量為0.464g，缺氧階段脫氮率、總脫氮率達(dá)到最大值，分別是70.15%、95.53%；COD的去除率為78.40%。