果汁废液作为碳源强化生物脱氮效果的研究

申世峰，熊会斌，郭兴芳，李 劢

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300074）

近年来，随着水环境质量要求的提高，北京、天津等地相继颁布并实施了比现行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）〔1〕更为严格的地方排放标准〔2-3〕，要求出水TN低于10 mg/L。在如此严格的TN排放要求下，大多数污水处理厂面临进水碳源缺乏的难题，需大量投加商品碳源来保障出水TN稳定达标，但外加碳源的成本过高，寻找合适的外加碳源成为目前关注的热点。

目前国内反硝化碳源的研究多数集中在优化传统碳源、开放非传统碳源等方面，利用含高浓度有机废液作为反硝化碳源的研究较少，本研究以果汁废液为碳源，进行反硝化性能、强化生物脱氮效果及预处理措施的研究，并在某园区集中污水处理厂进行工程应用，最终在强化生物系统脱氮效果的同时，实现了以废治废。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究在天津某园区集中污水处理厂进行，该污水处理厂设计处理规模为5.0万t/d，生物处理系统采用HYBAS工艺，设计总停留时间为8 h，共分4个系列。试验期间污水处理厂主要进水水质指标：TN 为 21.0～38.95 mg/L，NH3-N 为 10.02～26.75 mg/L，NO3--N 为 0.25～3.96 mg/L，COD 为 77.0～233.0 mg/L。

果汁废液来源于某果汁生产企业水果（苹果、橙、芒果等）粉碎、压榨、设备及地面冲洗等环节产生的废液，果汁废液产生量为10～40 m3/d，TN为37.25～49.38 mg/L，NH4+-N 为 0.60～17.10 mg/L，TP 为 3.40～4.00 mg/L，易降解有机物（VFA）为 70.55～750.18 mg/L，pH 为 3.4～4.1，SS 为 385～878 mg/L。 果汁废液氮磷含量较低，果渣等物质悬浮含量较高。COD为6 220～24 680 mg/L，平均 COD 为 12 180 mg/L，BOD5为 430～7 820 mg/L，平均 BOD5为 5 430 mg/L，B/C 为0.26～0.69，平均B/C为0.46，可生化性较好。果汁废液有机物含量高、受生产加工影响有机物含量波动大。

1.2 分析方法

COD采用快速消解分光光度法测定，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，NH3-N采用纳氏试剂分光光度法，TP采用钼锑抗分光光度法，VFA采用滴定法，pH采用pH计。

2 结果与讨论

2.1 果汁废液作为碳源的反硝化性能

采用批次静态试验的方法，采用3个带搅拌功能的反应柱，有效体积为12 L。3个试验柱中加入同等体积的缺氧污泥，分别加入污水厂原水、5%（体积分数）果汁废液和二沉池出水、100%果汁废液，保证3个试验柱的总体积相同。开启搅拌器开始反应，固定时间间隔取样测定NO3--N的浓度，对比不同果汁废液投加比例和污水厂原水的反硝化性能，反硝化速率曲线见图1。

图1 不同投加比例果汁废液和污水厂原水反硝化速率曲线

由图1可知，投加果汁废液和污水厂原水的反硝化过程均出现2个不同的速率阶段，主要是由于各阶段反硝化所利用的是不同组分特性的碳源所致〔3〕，各阶段的反硝化速率见表 1。

表1 不同果汁废液投加比例和污水厂原水反硝化特性

由表1可知，投加污水厂二沉池出水+5%果汁废液和100%的果汁废液后，缺氧污泥2个阶段的反硝化速率都相应增加，尤其是第一阶段反硝化速率增加幅度更明显，分别是污水厂原水的5.79倍和10.20倍，主要原因是果汁废液的可生化性较好，含有大量快速易降解的碳源，大幅度提高了第一阶段的反硝化速率。由于果汁废液含有一定量的颗粒态可被生物利用的有机物，随着反应时间的延长，通过水解后也可以被反硝化菌利用，因此投加果汁废液后第二阶段反硝化速率均有所提高，第二阶段反硝化速率分别是污水厂原水的2.67倍和3.78倍。

2.2 果汁废液作为碳源的试验研究

本研究构建1套改良A2/O试验系统，由预缺氧区、厌氧区、缺氧区及好氧区构成，有效容积为580 L。进水为污水处理厂沉砂池出水，进水水量为42 L/h，停留时间为13.5 h，果汁废液投加点位于缺氧区，试验期间，水温为15～20℃，考察果汁废液投加量对系统脱氮效果的影响，结果见图2。

图2 果汁废液投加量对脱氮效果的影响

由图2可知，当不投加果汁废液时，进水TN为22.10～30.07 mg/L、NH4+-N 为 11.80～17.00 mg/L、C/N为 3.32～5.32， 出水平均 TN、NH4+-N、NO3--N 分别为15.07、0.34、11.96 mg/L，TN 平均去除率仅为 40.24%，由于进水C/N较低，在不外加碳源的情况下系统脱氮效果较差。投加果汁废液后，随着果汁废液投加量的增加，系统的脱氮效果提高；当果汁废液投加量为22 L/m3时，进水 TN 为 25.00～28.22 mg/L、NH4+-N 为11.50～17.80 mg/L、C/N 为 4.04～5.54， 系统运行稳定后出水平均 TN、NH4+-N、NO3--N 分别为 4.27、0.30、1.68 mg/L，TN平均去除率为83.72%，TN平均去除率提高了43%左右；当果汁废液投加量为5 L/m3时，进水 TN 为 21.50～28.22 mg/L、NH4+-N为10.20～18.16 mg/L、C/N为2.85～5.41，系统运行稳定后出水平均TN、NH4+-N、NO3--N 为 9.14、0.38、4.76 mg/L，TN 平均去除率为63.00%，TN平均去除率提高了22%左右；当果汁废液投加量为3 L/m3时，进水TN为19.50～32.90 mg/L、NH4+-N 为 14.10～17.60 mg/L、C/N 为 3.12～5.30，系统运行稳定后出水平均TN、NH4+-N、NO3--N分 别 为 11.65、0.32、6.78 mg/L，TN 平 均 去 除 率 为53.00%，TN去除率平均提高了13%左右。

此外，考察投加果汁废液对系统有机物去除的影响，试验期间系统进出水COD见表2。

表2 果汁废液投加期间系统进出水COD

由表2可知，试验期间进水COD为77.0～160.1 mg/L，出水平均COD为27.31 mg/L，投加果汁废液对系统出水有机物没有产生影响。

2.3 果汁废液预处理研究

果汁废液来水有机物浓度波动较大，且含有大量果渣，应采用水解酸化措施进行预处理，采用带低速搅拌设施的水解罐，有效容积为13 L，接种一定量的剩余污泥，控制水解酸化时间为4～5 h，考察水解酸化前后果汁废液VFA的变化情况，结果见图3。

由图3可知，通过预处理后，果汁废液的VFA提升，试验期间果汁原液VFA为70.55～237.22 mg/L，通过水解酸化后，VFA提高至134.69～314.29 mg/L，VFA平均提高率达到57%。通过水解酸化可将果汁废液中糖类大分子有机物、颗粒态可生物降解有机物及果渣水解发酵转化为快速易降解有机物。

图3 预处理前后果汁废液的VFA变化

2.4 工程应用效果

由于污水厂进水C/N较低、碳源缺乏，污水厂采用液体乙酸钠作为补充碳源强化生物系统脱氮效果。在上述研究的基础上，选择污水厂一个系列的生物系统投加果汁废液，果汁废液平均投加量为24 t/d，考察实际工程应用效果，并与仅投加乙酸钠的系统进行对比，结果见图4。

图4 工程应用投加效果对比

由图4可知，取样分析期间，进水TN为23.50～38.95 mg/L、NH4+-N 为 12.85～26.75 mg/L，投加果汁废液和乙酸钠的生物系统出水平均TN为9.15 mg/L，TN平均去除率为71.5%，出水平均NH4+-N为0.86 mg/L，出水平均NO3--N为5.23 mg/L；而仅投加乙酸钠的生物系统出水平均TN为11.13 mg/L，TN平均去除率为65.48%，出水平均NH4+-N为0.79 mg/L，出水平均NO3--N为7.34 mg/L。可知投加果汁废液后，生物系统出水TN降低了2～3 mg/L，TN平均去除率提高了6%左右，每天可降低0.6～0.9 t的乙酸钠投加量，每年可节约外加碳源成本约24～36万元。

3 结论

（1）果汁废液有机物含量高、可生化性好、氮磷含量低，作为补充碳源时的反硝化速率远高于污水处理厂原水（二沉池出水）反硝化速率，尤其是第一阶段反硝化速率，投加5%和100%的果汁废液，第一阶段反硝化速率分别提高5.79倍和10.20倍。

（2）连续投加试验结果表明，进水TN为21.50～28.22 mg/L，果汁废液投加量为5 L/m3时，系统运行稳定后出水TN为6.79～10.33 mg/L，与不投加果汁废液相比，TN平均去除率提高了22%，且投加果汁废液对系统出水有机物没有产生影响。

（3）采用水解酸化措施对果汁废液进行预处理，控制水解酸化时间为4～5 h，通过水解发酵可提高果汁废液的VFA，VFA平均提高率达到57%。

（4）在污水处理厂的1个生物系统进行应用，果汁废液平均投加量为24 t/d，与未投加果汁废液生物系统相比，出水TN降低了2～3 mg/L，乙酸钠投加量可降低0.6～0.9 t/d，每年可节约外加碳源成本约24～36万元，实现了以废治废。