保定市魯崗污水處理廠不同碳源反硝化反應速率測定分析

馬向民 李志杰 郁偉杰 劉偉 王瑞哲

摘?要：通過對保定市魯崗污水處理廠不同碳源反硝化反應速率測定分析比較，確定了碳氮比和不同碳源去除硝氮成本，研究了不同碳源安全投加量問題，以確保COD增加量不對后端工藝處理造成負擔，也為后期自動化投藥系統提供數據支持。

關鍵詞：污水處理廠；反硝化速率；碳源；碳氮比

保定市魯崗污水處理廠位于白洋淀上游，對出水水質要求較高，原A2/O工藝經多次升級改造，增加深度處理工藝（磁混凝高效沉淀池+反硝化深床濾池+高級氧化），使出水水質達到Ⅳ類地表水標準，并盡量做到大三類水標準（TN≤9mg/l）。本實驗研究主要以該廠回流污泥為研究對象，選用5種碳源：醋酸鈉，甲醇，冰醋酸，葡萄糖，復合碳源，對不同碳源的反硝化速率進行測定，分析探討究竟添加何種碳源及如何添加可達到成本比較低效果又比較滿意，為今后工藝運行調控和改建自動化投藥系統提出合理化建議和改進方案，可供同類工藝設計師參考。目前該廠采用醋酸鈉為外加碳源，用量為COD60～120mg/l。第一缺氧池污水停留4.6h，第二缺氧池污水停留3.3h，反硝化深化濾池污水停留24min。

1?試驗裝置與方法

1.1?試驗原理

反硝化反應是由反硝化菌在缺氧條件下，利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，有機物作為碳源和電子供體，將NO3—N及NO2—N還原為氣態氮（N2）或N2O、NO。

反硝化速率為單位質量的揮發性活性污泥在單位時間內的脫硝量，如式所示：

NUR=△N/△TM

NUR—反硝化速率，單位為mg/（g·h）；△N—混合液中硝態氮（NO3—N）濃度的變化量，單位為mg/L；△T為反應時間，單位為h；M一混合液中的揮發性活性污泥濃度（MLVSS），單位為g/L。

1.2?試驗裝置

測定反硝化速率的試驗裝置為1000ML玻璃反應器，電磁攪拌器，吹氮裝置。

1.3?測定方法

本次試驗的取樣為曝氣池后二沉池中的回流污泥，取500ML回流污泥，靜沉4小時后去除上清液，再加入已用氮氣排除空氣后的蒸餾水，加入硝酸鉀使硝氮濃度為30mg/L左右，加入丙烯基硫脲（ATU），移入反應器，定容加碳源使COD為160mg/L左右，電磁攪拌。然后開始計時，同時取第一個水樣，測量初始COD和硝氮值，隨后間隔分鐘數為4、8、12、16、20、25、30、35、40、50、60、70、80、100、120、140、160、180、200、220、240、260，取樣并過濾。測定所取樣品的硝氮值與混合液的MLVSS值及COD值。以時間為橫坐標，硝酸鹽的濃度為縱坐標繪制曲線，并求得反硝化速率。因為魯崗廠反硝化深床濾池停留時間24分鐘，缺氧池停留時間260分鐘，所以設計該取樣時間點。

1.4?測試儀器

T6新世紀紫外分光光度計，哈希COD加熱器，烘箱，馬弗爐，電子天平。

2?試驗結果及分析

2.1?試驗結果

研究期間共進行了5次試驗及多次重復驗證試驗，室溫21～23攝氏度，主要結果如下表所示。

經多次驗證試驗確認，當硝氮過量時，260分鐘時甲醇、醋酸鈉、冰醋酸均無過多殘留，復合碳源、葡萄糖有較多COD殘留。

2.2?結果分析

（1）在260分鐘內甲醇、乙酸鈉、冰醋酸、復合碳源均能將反硝化進行徹底，反硝化大體分三個階段，第一階段0～25分鐘，速率快，第二階段25～180分鐘，速率中等也比較穩定，第三階段180分鐘之后，速率下降明顯。甲醇和復合碳源在硝氮濃度小于5mg/l的低濃度情況下依然保持反硝化速率基本不變，應該是因為初始碳氮比較大，COD依然充足，反硝化速率與初始COD濃度正相關。

（2）前25分鐘反硝化平均速率比較快，冰醋酸9.4，醋酸鈉7.9，復合碳源5.8，甲醇4.8，葡萄糖最低3.9。冰醋酸和醋酸鈉更適合快速去除硝氮，但冰醋酸要考慮對后續pH值影響，醋酸鈉極為合適。甲醇速率不高，是因為微生物對甲醇有適應過程，起始段會比較慢，復合碳源速率也不高。從反硝化平均速率圖中還可看出初始的25分鐘里，反應速率下降很快，之后總體趨于平穩。

（3）25至60分鐘反硝化平均速率大為下降，依次為復合碳源3.8，醋酸鈉3.4，甲醇3.3，冰醋酸2.5，葡萄糖0.5。

（4）60至120分鐘反硝化平均速率比較穩定，依次為冰醋酸3.9，甲醇3.2，醋酸鈉2.9，復合碳源2.9，葡萄糖0.5。

（5）120至180分鐘因為接近反硝化終點，有些因硝氮濃度所剩不多，反硝化速率開始下降，依次為冰醋酸3.9，復合碳源2.8，甲醇2.7，醋酸鈉1.7，葡萄糖0.9。

（6）180至260分鐘逐漸反硝化結束，硝氮濃度低，反硝化速率大幅下降，葡萄糖依然緩慢穩定的反硝化，此時COD均未消耗完，這將對后續工藝產生影響，所以建議實際生產中應參考表4中實際消耗的碳氮比計算投藥量，避免浪費和造成出水COD增高。

（7）COD投加量安全性問題：無論添加何種碳源，都不應產生大量COD殘留，從表3表4可以看出，260分鐘后，葡萄糖有大量的COD殘留，且硝氮未反硝化完。復合碳源也有COD殘留，經反復試驗，殘留反硝化速率較低，這會對后續工藝產生較大影響。若大幅減少用藥量，必然會影響反硝化速率，使反硝化進行不徹底，且還會有一定比例的COD殘留，所以要找好平衡。醋酸鈉、冰醋酸、甲醇若稍降低一些投藥量，達到適宜的碳氮比，應該容易降低COD殘留，對反硝化速率影響也不大。冰醋酸因為消耗堿度，會對好氧段硝化反應產生影響，可投加CaCO3增加堿度，有研究表明堿度維持在220mg/l左右時，對氨氮去除效果最好，具體還需進一步實驗確定。

（8）反硝化速率線性問題：不同碳源反硝化速率曲線均有一段時間呈線性，但并不一致。一般起始階段速率很高，硝氮濃度陡降，這二三十分鐘里不成線性。冰醋酸、甲醇和葡萄糖在開始反應幾分鐘后就會進入平臺期，甲醇是8～20分是平臺期，冰醋酸和葡萄糖4～20分是平臺期。25分鐘之后，基本呈現線性，斜率高低不同。在反硝化末期，硝氮濃度已經較低，COD濃度也降低很多，反硝化速率曲線變平緩。甲醇還是保持了原有線性，復合碳源和葡萄糖也基本保持，應該是因為COD濃度依然較高的緣故。畢竟不是單純的化學反應，只是有一段大體呈線性。

（9）碳源選擇：在生產中究竟選擇何種碳源，哪種碳源又經濟又好用，在不同時期不同情況下，會有不同選擇，一味追求將總氮降到很低，既貴且難做到，只能盡量找平衡點（隨著出水總氮標準要求的越來越高），在冬季氣溫低，總氮不容易控制，可以用優質碳源，如醋酸鈉，在氣溫適宜后，水質控制得很好的情況下可以嘗試其他碳源，也可以混合添加，也可以嘗試降低投藥量或停止加藥。若選擇甲醇，要對細菌進行一段時間的馴化，馴化后效果很好，比醋酸鈉便宜。甲醇有期貨交易，可以套期保值，以穩定成本。總之碳源添加，多不如少，過猶不及。碳源價格波動較大，按本次實驗條件和數據估算了當前投加碳源大概成本表如下（其中醋酸鈉為采購價，其他為市場詢價）：

結語

綜合安全性和經濟性考慮，甲醇、醋酸鈉、冰醋酸、復合碳源都是可選的碳源。（1）需要節約成本可優先考慮甲醇，但由于該廠處于居民區附近，甲醇雖然費用低，產泥量小，反硝化速率穩定，但易燃有毒，屬甲類危險品，不宜使用，若新建污水處理廠，遠離居民區，在控制住風險的情況下可以優先使用。（2）冰醋酸為乙類危險品，是大氣污染VOC的重要組成部分，環保部門監管多，儲存條件要求高，而且有降低出水pH值的可能，這些弊端不易克服，可應急使用。（3）葡萄糖反硝化速率低，COD容易大量剩余，且容易引起細菌大量繁殖，導致污泥膨脹，影響出水水質，直接添加效果并不理想，且考慮不能和反硝化濾池共用藥劑，不適合魯崗污水處理廠工藝使用。（4）此次復合碳源反應速度也較好，但有COD殘留，在控制好COD殘余的情況下，可酌情使用。（5）醋酸鈉反應快、安全性高、穩定，但是費用較高，根據碳氮比把握好用藥量，可最大限度降低成本，目前還是最佳方案。

總之，無論使用哪種碳源都要把握好季節和用藥量，保證在反硝化效果的同時盡量減少過量投加COD，降低COD殘余，減少碳源浪費和對后續處理的影響。

參考文獻：

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［3］孫宇，曾佳楠，吳月龍.某污水處理系統生化池堿度與NH3N關系研究［J］.水處理技術，2022，3.

作者簡介：馬向民（1972—?），男，漢族，河北保定人，本科，工程師，研究方向：污水處理、水質監測。