高浓度有机工业废水补充反硝化碳源的试验研究

陈宏来

（江海职业技术学院，江苏　扬州　225101）

高浓度有机工业废水补充反硝化碳源的试验研究

陈宏来

（江海职业技术学院，江苏扬州225101）

部分南方城市污水反硝化碳源不足，使得出水很难达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准的要求。选择聚酯废水、啤酒废水、印染废水3种常见高浓度有机工业废水作为外加碳源，采用SBR反应装置，考察外加碳源对TN、CODCr去除效果的影响。结果表明，聚酯废水作为外加碳源效果最佳，其反硝化速率最高，在连续投加方式下，聚酯废水的反硝化速率最高达到2.43 mg［N］/（g［VSS］·h）。

低碳污水；反硝化碳源；高浓度有机工业废水；聚酯废水；啤酒废水；印染废水

当前，随着社会经济的发展与人们生活水平的提高，污水排放量日益增多，尤其是废水中过量的氮、磷等元素的排放使得水体富营养化现象在加剧［1-2］，这就迫使城市污水处理厂提高脱氮除磷的能力。我国南方部分城市的低碳氮比城市污水，经生物处理后出水很难达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准（ρ（TN）＜15 mg/L、ρ（TP）＜0.5 mg/L）［3-4］，由于超标的磷可以通过化学除磷单元去除，因此，低碳源条件下的除碳脱氮成为研究热点。反硝化碳源是生物脱氮重要的影响因素之一［5-8］，目前国内外反硝化碳源试验研究多集中在优化传统碳源，如在传统脱氮工艺前加水解酸化单元［9］；开发非传统碳源，如利用植物秸秆［10］、剩余污泥水解产物［11］、初沉污泥水解产物［12］等作为反硝化碳源。利用高浓度有机工业废水作为反硝化碳源的试验研究较少，本研究寻求利用生物降解性能较好、浓度较高的有机工业废水作为碳源，进行反硝化试验研究，在提高除碳脱氮效果的同时，实现以废治废。

1　材料与方法

1.1试验材料

试验用水取自扬州大学校园生活区化粪池污水，稀释后水质情况如表1所示。

活性污泥：扬州市汤汪污水处理厂CAST工艺生物池内的新鲜污泥。

表1原水水质指标Tab.1　Raw water quality

外加碳源：①甲醇：作基础研究试验用，采用分析纯商品甲醇，稀释后配成质量分数为0.5%的甲醇溶液，CODCr的质量浓度为5 000 mg/L；②聚酯废水：仪征化纤经气提后的聚酯生产废水，CODCr的质量浓度为6 000 mg/L；③啤酒废水：青岛啤酒厂（扬州有限公司）生产废水，CODCr的质量浓度为3 000 mg/L；④印染废水：扬州裕华织造公司生产废水， CODCr的质量浓度为2 500 mg/L。

1.2试验装置

试验用SBR装置有3套，编号分别为A柱、B柱、C柱。每套装置主要由SBR反应器（包括搅拌装置、曝气系统及自动控制设备）、原水箱、处理水箱等组成，如图1所示。SBR反应器为柱型有机玻璃容器（外径100 mm，壁厚5 mm，内径90 mm，总高1 000 mm，超高200 mm），反应器采用机械叶轮搅拌；曝气系统采用鼓风曝气，空气通过气泵、曝气管道经粘砂块型微孔曝气器进入反应器中，用空气流量计来控制曝气量；采用定时器控制运行周期，实现SBR反应器的间歇运行。

图1SBR反应器

1.3试验方法

SBR反应器运行工况：运行周期为8.0 h（包括进水之后缺氧搅拌1.0 h，曝气4.0 h，缺氧搅拌2.0 h，沉淀0.5 h，排水之后闲置0.5 h）；在恒温实验室中进行，温度为（30±1）℃；污泥龄为20 d， MLSS的质量浓度为3 000～4 000 mg/L，混合液的pH值为6.5～8.5；充水比为1/3，每周期排泥30 mL，排泥质量浓度为10 000～12 000 mg/L。A柱、B柱、C柱运行工况完全相同。

1.4分析方法

CODCr浓度采用重铬酸钾法，TN浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，NH3-N浓度采用纳氏试剂分光光度法，NO3--N浓度采用紫外分光光度法，pH值采用pH计，DO浓度采用便携式溶氧仪。

2　结果与讨论

2.1甲醇作为外加碳源的试验研究

进行不同甲醇溶液投加量下除碳脱氮效果的试验，确定其最佳投加量。试验分别在3种不同的投加方式下进行（A柱为一次性投加、B柱为分三次均匀投加、C柱为连续投加）。甲醇溶液投加量为0、20、30、40、50 mL（约占处理水量的 0%、1.2%、1.8%、2.4%、3.0%）。

2.1.1一次性投加方式

在停曝搅拌反硝化阶段开始时一次性投加甲醇溶液进入A柱，通过对各周期进、出水的水质分析，考察一次投加方式下甲醇溶液投加量对CODCr和TN去除效果的影响，结果如图2所示。

图2　一次性投加方式下甲醇溶液投加量对TN、CODCr去除效果的影响

由图2a可知，稳定阶段出水TN的质量浓度在30 mg/L左右，这是因为进水低碳源，而又没有外加碳源的缘故。随着甲醇溶液投加量的增加，出水TN逐渐降低，投加量为20、30 mL时，出水TN的质量浓度仍在20 mg/L以上，出水不达标。当甲醇溶液投加量为40 mL时，出水TN的质量浓度仍在15 mg/L左右，不能稳定达标，直到其投加量为50 mL时，出水TN的质量浓度小于15 mg/L，达到GB 18918-2002一级A排放标准。

由图2b可知，稳定阶段出水CODCr的质量浓度在30～35 mg/L之间，也就是这部分CODCr很难被微生物所利用，随着甲醇溶液投加量的增加，出水CODCr浓度逐渐升高，可能是由于甲醇溶液中杂质的存在，使得被微生物难利用的CODCr有所增加，但是出水CODCr的质量浓度都在50 mg/L以内。

因此，一次性投加方式下，甲醇溶液的最佳投加量为50 mL。

2.1.2分三次均匀投加方式

在停曝搅拌反硝化阶段第0、40、80 min时分三次均匀投加甲醇溶液进入B柱，考察分三次投加方式下甲醇溶液投加量对CODCr和TN去除率的影响，结果如图3所示。

图3　分三次投加方式下甲醇溶液投加量对TN、CODCr去除效果的影响

由图3a可知，随着甲醇溶液投加量的增加，出水TN浓度逐渐降低，当投加量为20、30 mL时，出水TN的质量浓度仍在20 mg/L以上，当投加量为40 mL时，出水TN的质量浓度已小于15 mg/L。

由图3b可知，甲醇溶液投加量为20～40 mL时，出水CODCr浓度基本不变，这是因为在投加量小于40 mL时外加碳源不能满足反硝化的需求，因此随着投加量的增加，TN去除率逐渐增加，出水CODCr浓度基本不变，但当其投加量达到50 mL时，发现出水CODCr浓度较投加量为40 mL时高，分析原因可能是甲醇投加量为50 mL时超过了反硝化的需求，所以导致此时TN去除率增加很小，出水CODCr浓度增加明显。

因此，分三次均匀投加方式下，甲醇溶液的最佳投加量为40 mL。

2.1.3连续投加方式

在停曝搅拌反硝化阶段开始时投加甲醇溶液进入高位输液瓶，并通过输液管及节流开关调节流量在2 h的时间段内连续均匀进入C柱。考察分三次投加方式下甲醇溶液投加量对CODCr和TN去除率的影响，结果如图4所示。

图4　连续投加方式下甲醇溶液投加量对TN、CODCr去除效果的影响

由图4a可知，随着甲醇溶液投加量的增加，出水TN浓度逐渐降低，当投加量为40 mL时，出水TN的质量浓度已小于15 mg/L。

由图4b可知，甲醇溶液投加量为20～40 mL时，出水CODCr浓度基本不变，这是因为在甲醇溶液投加量小于40 mL时，外加碳源不能满足反硝化的需求，因此随着甲醇溶液投加量的增加，TN去除率逐渐增加，出水CODCr浓度基本不变，但当甲醇溶液投加量达到50 mL时，出水CODCr浓度较投加量为40 mL时高，分析原因可能是甲醇溶液投加量为50 mL时超过了反硝化的需求，导致此时TN的去除率增加很小，但出水CODCr浓度却增加明显。

因此，连续投加方式下，甲醇溶液的最佳投加量为40 mL。

2.2高浓度有机工业废水最佳外加碳源试验研究

在每个周期的缺氧搅拌2 h内，采用3种不同投加方式下投加碳源，考察污染物的去除效果。通过对投加甲醇溶液的试验研究，确定在3种不同投加方式下甲醇溶液的3个最佳投加量，换算成3种高浓度有机废水在对应不同投加方式下的投加量，以该投加量进行试验研究。

2.2.1一次性投加方式

在相同碳源投加量下，聚酯废水的投加量为40 mL，啤酒废水的投加量为80 mL，印染废水的投加量为100 mL，考察一次性投加方式对TN、CODCr的去除效果，结果如图5所示。

由图5a可知，针对同一试验用水，在外加相同量碳源的条件下，对3种外加碳源连续运行了15个周期，发现投加聚酯废水在运行3个周期后出水TN浓度就有了明显的下降，由开始时超过25 mg/L降到15 mg/L左右，在运行6个周期后就达到了稳定；投加啤酒废水在运行6个周期后出水TN的质量浓度也有了明显下降，由无外加碳源时的26 mg/L下降到20 mg/L以内，并且在运行9个周期后达到了稳定；投加印染废水在运行9个周期后出水TN浓度略有下降，之后稳定在20 mg/L以上。

由图5b可知，针对同一试验用水，在外加相同量碳源的条件下，对3种外加碳源连续运行了15个周期，发现投加聚酯废水在运行3个周期后出水CODCr质量浓度就降到了50 mg/L以内，在运行6个周期后达到了稳定；投加啤酒废水在运行6个周期后出水CODCr质量浓度也有了明显的下降，达到了50 mg/L左右，并且在运行9个周期后，也达到了稳定；投加印染废水在运行9个周期后出水TN浓度略有下降，但降幅很小，之后出水CODCr的质量浓度稳定在80 mg/L以上，可能是因为印染废水中硫化物等杂质浓度较高，对微生物产生了抑制。

图5　一次性投加方式对TN、CODCr去除效果的影响

经分析，一次性投加方式下，聚酯废水、啤酒废水、印染废水的反硝化速率分别为：1.74、1.39、0.10 mg［N］/（g［VSS］·h）。因此，一次投加方式下，最佳外部碳源为聚酯废水。

2.2.2分三次均匀投加方式

在相同碳源投加量下，聚酯废水的投加量为30 mL，啤酒废水的投加量为60 mL，印染废水的投加量为80 mL，考察分三次均匀投加方式对TN、CODCr的去除效果，结果如图6所示。

经分析，分三次均匀投加方式下，聚酯废水、啤酒废水、印染废水的反硝化速率分别为：1.91、1.74、0.17 mg［N］/（g［VSS］·h）。因此，分三次均匀投加方式下，最佳外部碳源为聚酯废水。

2.2.3连续投加方式

在相同碳源投加量下，聚酯废水的投加量为30 mL，啤酒废水的投加量为60 mL，印染废水的投加量为80 mL，考察连续投加方式对TN、CODCr的去除效果，结果如图7所示。

图6　分三次投加方式对TN、CODCr去除效果的影响

图7　连续投加方式对TN、CODCr去除效果的影响

经分析，连续投加方式下，聚酯废水、啤酒废水、印染废水的反硝化速率分别为：2.43、2.09、 0.35 mg［N］/（g［VSS］·h）。因此，连续投加方式下，最佳外部碳源为聚酯废水。

3　结论

（1）甲醇作为外加碳源的基础试验研究结果表明：在一次性投加方式、分三次均匀投加方式、连续投加方式下，0.5%甲醇溶液的最佳投加量分别约为50、40、40 mL，分别约占处理水量的3.0%、2.4%、2.4%。

（2）根据本试验用水的除碳脱氮效果分析可知，在外加碳源的3种高浓度有机工业废水中聚酯废水效果最佳，其反硝化速率最高，在连续投加方式下，聚酯废水的反硝化速率最高为2.43 mg［N］/（g［VSS］·h）。

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Experimental study of effect of additional carbon source on high concentration organic industrial wastewater treatment

CHEN Hong-lai
（Jianghai Polytechnic College，Yangzhou 225101，China）

The denitrification carbon source of urban sewage from cities in south China is insufficient，which cause the effluent water quality can not satisfied the requirement of level A grade 1 in GB 18918-2002 Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant.With three kinds of common high concentration organic industrial wastewater:polyester wastewater，brewery wastewater，and printing and dyeing wastewater，as the additional carbon source，an experiment to investigate the effect of additional carbon source on TN and CODCrremoval was carried out using SBR reactor.The results showed that，taking polyester wastewater as the additional carbon source could obtain the optimal wastewater treatment effect represented by the highest denitrification rate；under a continuous dosing mode，its highest denitrification rate reached 2.43 mg［N］/（g［VSS］·h）.

low-carbon sewage；denitrification carbon source；high concentration organic industrial wastewater；polyester wastewater；brewery wastewater；printing and dyeing wastewater

技术与经验

X703.1；X505

A

1009-2455（2016）04-0042-05

陈宏来（1979-），男，江苏仪征人，讲师，市政工程硕士，研究方向为水处理技术，（电子信箱）1134940823@qq.com。

2016-04-25（修回稿）