一種復合碳源對低m(C)∶m(N)城鎮(zhèn)污水處理效果的評價*

周 松,王文成,王 華,2**,張國濤

(1．榆林學院 化學與化工學院,陜西 榆林 719000;2．榆林學院 陜西省低變質煤潔凈利用實驗室,陜西 榆林 719000;3.榆林學院 建筑工程學院,陜西 榆林 719000)

隨著中國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速發(fā)展,工業(yè)廢水和生活污水的排放量呈逐年遞增趨勢,其中氮化物的過度排放,使得水體氮負荷過高,出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴重,對生態(tài)環(huán)境存在潛在的危害。脫氮方法主要分為物理、化學和生物脫氮法[1]。物理、化學脫氮法具體分為氣體脫氮法、離子交換法、氯處理法等,通常很少采用。生物脫氮法成本低且易于操作,實踐中多采用該法處理工業(yè)和生活污水[2]。

生物硝化和反硝化是目前應用最為廣泛的污水脫氮工藝[3-4],特別適用于處理碳源充足的廢水,但部分生活污水、食品生產(chǎn)企業(yè)、電鍍行業(yè)等產(chǎn)生的高氨氮、高硝酸鹽工業(yè)廢水m(C)∶m(N)低,可生化性較差,采用傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝進行處理需要大量曝氣和投加大量碳源,增加了能耗和運行成本。為了克服現(xiàn)有工藝的弊端,研究者提出多種改進工藝,如厭氧氨氧化[5]、短程反硝化[6]和其他一些自養(yǎng)反硝化技術,但由于每種改進技術自身的弊端,在實際城鎮(zhèn)污水處理廠的應用并不廣泛。調研發(fā)現(xiàn)很多城鎮(zhèn)污水廠仍然采用傳統(tǒng)生物硝化反硝化生化處理技術,區(qū)別是不同廠采用不同的外加碳源,有葡萄糖、甲醇、乙酸鈉等單一易降解碳源。大量研究發(fā)現(xiàn),高濃度有機廢水、有機物的發(fā)酵產(chǎn)物和有機廢液也可作為外加碳源,且具有良好的脫氮效果[7-8]。

作者將有機工業(yè)廢液調配后作為生活污水處理碳源,處理低m(C)∶m(N)城鎮(zhèn)污水,評價其脫氮效果,以期為污水處理廠開發(fā)高效、安全、低成本碳源。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑與儀器

活性污泥:取自榆林高新污水處理廠缺氧池;復合碳源:工業(yè)有機廢液調配自制。

葡萄糖:天津市致遠化學試劑有限公司;乙酸鈉:廣東省化學試劑工程技術研究開發(fā)中心;鹽酸、過硫酸鉀、氫氧化鈉、硝酸鉀、硫酸、氯化銨、酒石酸鉀鈉、亞硝酸鈉、碘化鉀、碘化汞、抗壞血酸、對氨基苯磺酰胺、鄰苯二甲酸氫鉀、酒石酸銻鉀、鉬酸銨、磷酸二氫鉀:天津市科密歐化學試劑有限公司;以上試劑均為分析純。

電子天平:JD300-3,沈陽龍騰電子有限公司;遠紅外鼓風恒溫干燥箱:101-2Y,杭州藍天化驗儀器廠;臺式低速離心機:L-600,長沙湘儀離心機儀器有限公司;紫外分光光度計:UV-2450,日本島津公司;磁力加熱攪拌器:79-1,天津鑫博得儀器有限公司;循環(huán)水式多用真空泵:SHB-111T,鄭州長城科工貿有限公司。

1.2 反硝化實驗

將復合碳源以一定量加入至500 mL錐形瓶,然后用一定量蒸餾水清洗過的活性污泥接種,維持錐形瓶中的混合液ρ(污泥)=1 000 mg/L,并在錐形瓶中投加一定量的硝酸鈉和磷酸二氫鉀營養(yǎng)液,曝氮氣后室溫磁力攪拌,固定時間間隔取樣,采集樣品微膜過濾后測定水溶液中COD、ρ(總磷)、ρ(總氮)、ρ(硝酸鹽氮)、ρ(亞硝酸鹽氮)和ρ(氨氮)。

1.3 分析方法

采用重鉻酸鉀法測定COD;堿性過硫酸鉀紫外分光光度法測定ρ(總氮);納氏試劑比色法測定水中ρ(氨氮);重氮偶合分光光度法測定水中ρ(亞硝酸鹽氮);紫外分光光度法測定ρ(硝酸鹽氮)。

2 結果與討論

2.1 反硝化過程中總氮去除效果評價

在初始m(C)∶m(N)>6的廢水體系中,評價復合碳源的反硝化效果。考察反硝化過程中,t<205 min復合碳源加入對廢水中硝酸鹽氮和總氮的去除率隨時間的變化關系,見圖1。

t/min

由圖1可知,隨反應時間的增加,復合碳源對總氮和硝酸鹽氮的去除率均呈明顯的增加趨勢,且表現(xiàn)為開始去除效率較高,隨反硝化反應進行,去除率趨于穩(wěn)定;但對硝酸鹽氮的去除率高于總氮。說明在反硝化過程中可能有亞硝酸鹽氮的積累或氨基氮的生成。t<205 min,復合碳源對總氮的去除率達到83.5%,相比乙酸鈉和葡萄糖單獨作為碳源,t<300 min對總氮的去除率分別為82.5%和69.9%[9],對總氮的去除顯示優(yōu)勢。

2.2 反硝化過程中ρ(硝酸鹽氮)的變化

反硝化過程中ρ(硝酸鹽氮)隨時間的變化見圖2。

t/min

由圖2可知,隨著反硝化反應的進行,ρ(硝酸鹽氮)呈減小趨勢,表現(xiàn)為開始反應下降速率較快,而后下降呈明顯減弱。可將反硝化過程分成2個不同的速率階段,對2個階段分別進行擬合計算,階段1的反硝化速率明顯高于階段2,約為階段2的16.8倍。階段1結束對硝酸鹽氮的去除率可達到75.7%,說明該復合碳源可作為應急碳源使用。

2.3 反硝化過程中ρ(亞硝酸鹽氮)的變化

反硝化過程中ρ(亞硝酸鹽氮)隨時間的變化見圖3。

t/min

由圖3可知,t=45 min,亞硝酸鹽氮的積累量最高(0.08 mg/L),為反硝化速率發(fā)生改變的轉折點;隨著硝化反應的進行,t=205 min,ρ(亞硝酸鹽氮)降至0.02 mg/L。亞硝酸鹽氮是硝酸鹽氮還原為N2的中間產(chǎn)物,亞硝酸鹽氮的存在會抑制硝酸鹽氮的還原[10],如果亞硝酸鹽氮的生成速率大于其被還原的速率,反應系統(tǒng)就會出現(xiàn)亞硝酸鹽氮的短時間積累。亞硝酸鹽氮積累到一定程度,會誘發(fā)亞硝酸還原酶的活性,并同時抑制硝酸鹽還原酶活性。亞硝酸還原酶和硝酸鹽還原酶協(xié)同作用使系統(tǒng)中ρ(亞硝酸鹽氮)和ρ(硝酸鹽氮)最終均減少[11]。研究發(fā)現(xiàn)以乙酸鈉為碳源,亞硝酸鹽氮的積累率高達67%[12],與之相比實驗積累率21%明顯較低,可能與復合碳源的組成和反硝化系統(tǒng)存在差異有密切關系。

2.4 反硝化過程中ρ(氨氮)的變化

反硝化過程中ρ(氨氮)隨時間的變化見圖4。

t/min

由圖4可知,在反應過程中有少量的氨氮生成,t=45 min,達到最大值4.5 mg/L,而后趨于穩(wěn)定。雖然絕大部分硝酸鹽氮經(jīng)反硝化作用脫去,但少量的硝酸鹽氮會被一些細菌硝酸異化還原成氨,即生成氨氮[13],這也是該實驗氨氮產(chǎn)生的原因。t>45 min,ρ(氨氮)均小于5 mg/L,因此出水氨氮標準均可達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》[14]中一級A的排放標準。

2.5 反硝化過程中COD的變化

反硝化過程中COD隨時間的變化見圖5。

t/min

由圖5可知,COD隨時間的變化規(guī)律為先快速減少,而后趨于平穩(wěn),變化規(guī)律類似于硝酸鹽氮。在反硝化系統(tǒng)中,外加碳源既為反硝化過程提供電子,又為反硝化菌的生長提供能力,同時也為硝酸鹽氮的還原提供能量。t>45 min,亞硝酸鹽氮的變化幅度趨緩,但COD的變化還保持明顯的下降趨勢。t=205 min,系統(tǒng)的COD降低至30 mg/L,低于50 mg/L,達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》[14]中一級A的排放標準。

2.6 反硝化過程中m(C)∶m(N)的變化規(guī)律

在反硝化過程中m(C)∶m(N)隨時間的變化見圖6。

t/min

由圖6可知,m(C)∶m(N)呈先快速升高而后減小的變化趨勢。因為外加碳源不僅為反硝化反應提供電子的供體,同時也是微生物生長的能量供給者,所以反應系統(tǒng)的m(C)∶m(N),對脫氮效果有重要的影響。在考察的全部反硝化過程中,m(C)∶m(N)=5.18～10.24,基本可滿足反硝化細菌對碳源的要求。

2.7 復合碳源評價

目前市場上使用較為廣泛的單一碳源有乙酸鈉、葡萄糖和甲醇。乙酸鈉是小分子有機酸,反硝化菌最易利用,可以作為應急碳源添加到反硝化系統(tǒng),t=30 min反應完全,但因其具有產(chǎn)泥量高、成本高等弊端限制其廣泛應用;葡萄糖作為外加碳源時,雖然效果不錯,但易引起細菌大量繁殖,致使污泥膨脹,使出水COD增加,同樣有一定局限;甲醇在一些企業(yè)也被選為外加碳源使用,但因其作為外加碳源時具有反應時間慢、成本高、工作環(huán)境差且易爆等原因,也被限制廣泛采用;優(yōu)質、廉價、易得、安全的復合碳源受到污水處理廠的青睞。復合碳源的成分、來源和制備工藝是影響其價格和性能的重要因素。課題組在調研目前市場復合碳源的基礎上,結合當?shù)禺a(chǎn)業(yè)情況,調配出該復合碳源,其詳細成分見表1。

表1 復合碳源的成分分析表

由表1可知,該復合碳源成分安全,來自當?shù)毓I(yè)廢液調配,原料易得,且價格低廉。制得的該復合碳源COD可高于50×104mg/L。

3 結 論

實驗采用模擬廢水中添加調配復合碳源的方式,評價該復合碳源在反硝化過程中的脫氮效果。考察脫氮效果的指標主要有出水ρ(總氮)、ρ(硝酸鹽氮)、ρ(亞硝酸鹽氮)、ρ(氨氮)和COD值。通過實驗發(fā)現(xiàn),使用該復合碳源可有效去除總氮和硝酸鹽氮,t=205 min對總氮的清除率高于90%,硝酸鹽氮的清除率高于80%。在反硝化實驗過程中,ρ(硝酸鹽氮)和COD變化趨勢相似;ρ(亞硝酸鹽氮)在ρ(硝酸鹽氮)變化較快階段積累到最大值0.08 mg/L;在硝化反應階段發(fā)生了硝酸鹽的異化還原,生成了少量的氨氮,ρ(氨氮)<5 mg/L。雖然該復合碳源在反硝化過程存在輕微的亞硝酸鹽氮積累和少量氨氮生成,但總體脫氮效果較為不錯,t<205 min出水達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中一級A的排放標準。該復合碳源的主要成分為糖類和水分,還含有少量的醛類、酮類和醇類等,相比傳統(tǒng)碳源乙酸鈉和甲醇安全性更高;原料為工業(yè)廢液,原料易得且價格便宜,便于就地取材,對解決當?shù)匚鬯荚吹难a給具有明顯優(yōu)勢。