固体碳源投加量强化低C/N污水脱氮的研究

唐 婧，杨羽菲

(沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，沈阳 110168)

传统的生物脱氮工艺中，碳源不足是低C/N比污水反硝化脱氮的技术瓶颈，直接影响出水水质[1]﹒理论上，COD/N 为4～6 时可满足反硝化对碳源的需求，但实际上，C/N 需要达到5～10 才能获得较好的脱氮效果[2]﹒我国大多数污水处理厂进水水质中有机物浓度偏低，很多地区的污水厂进水COD/N＜3～5，导致脱氮效果不佳﹒因此，传统的硝化/反硝化工艺只有在碳源充足的条件下才能实现，外加碳源的脱氮技术也因此受到了广泛的关注﹒

Hamazah 等[3]分别采用甲醇和乙醇为碳源进行脱氮处理，氮的去除率分别为95%～97%和88%～92%﹒但是这样的碳源若投加量控制不当容易导致不完全的反硝化或者造成二次污染，此外甲醇本身具有的毒性会存在潜在危险﹒已有研究表明，以棉花、稻草、稻壳和玉米芯作为固体碳源时，玉米芯可溶性碳源较多，并且有较好的长期反硝化效果[4]﹒邵留等[5]以玉米芯、稻草和稻壳作为固体碳源时，发现系统对硝态氮的去除率均在80%以上﹒玉米芯中纤维素占32%～36%，半纤维素占35%～40%，木质素占13.1%，还包括少量的灰分、果胶以及含氮化合物等[6-7]﹒相比于昂贵的高分子材料，以纤维素为主的天然材料价格低廉、分布广泛，还具有生物调节释碳能力﹒

研究选用经碱处理过的玉米芯作为固体碳源处理低C/N 比污水，考察不同玉米芯投加量对系 统脱氮的影响以及出水COD 的浓度，综合确定了针对低C/N 比污水高效脱氮的固体碳源最佳投加量﹒

1 实验部分

1.1 试验仪器

BPG-9070A 型烘箱(浙江赛德仪器设备有限公司)；HQ30d 型便携式溶解氧测定仪(浙江赛德仪器设备有限公司)；Spectrum WFZ75 系列紫外可见分光光度计(上海谱元仪器有限公司)﹒

1.2 试验材料

1.2.1 固体碳源

试验所用固体碳源为玉米芯，采自阜蒙县生态园﹒首先将玉米芯蒸煮后洗净，切割成体积约为1 cm3的方块，烘箱80 ℃进行干燥；然后将玉米芯碱预处理后洗净、中和、烘干、密封保存﹒

1.2.2 试验用水

试验用水采用人工模拟低C/N 比市政污水，由自来水中加入葡萄糖为碳源、硝酸钾和氯化铵为氮源以及磷酸二氢钾作为磷源组成，控制氨氮质量浓度为50 mg/L，硝态氮质量浓度为25 mg/L，磷质量浓度为3.5±0.5 mg/L，同时加入1 mg/L 酵母膏以及1 ml/L 微量元素溶液﹒H2SO4和NaOH用于调节pH，反应水温控制在20～25 ℃﹒

1.2.3 试验步骤

试验在4 个烧杯中进行，每个烧杯定量投加碱预处理后的玉米芯、活性污泥以及200 mL 实验配水，有效容积为1 L；在每个烧杯中分别加入0，2.5，5.0 和7.5 g 的玉米芯；MLSS 为3 000 mg/L，进水COD 约为120±5 mg/L，进水C/N≈1.5，pH 为7.0，通过微曝气方式控制溶解氧DO 为2.0 mg/L；每24 h 换水200 mL，取样测定氨氮、硝态氮、亚硝态氮和COD 浓度﹒

2 试验结果与讨论

2.1 固体碳源投加量对氨氮的影响

图1 为不同玉米芯投加量下的各组分出水氨氮浓度变化曲线﹒从中不难看出，各组分的出水氨氮浓度都在5 mg/L 以下；0，2.5，5.0 和7.5 g各组出水氨氮浓度分别为2.97～5.13，2.29～3.85，2.37～3.50 和1.84～3.05 mg/L，其差别不大﹒由此推断，固体碳源对于系统的氨氮去除率影响不是很大，均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A 排放标准﹒

图1 固体碳源投加量对氨氮的影响

2.2 固体碳源投加量对硝态氮的影响

图2 为不同玉米芯投加量下各组分出水硝态氮的浓度变化﹒由图2 可知，未加玉米芯组出水硝态氮浓度由10 mg/L 左右降至2 mg/L 左右后趋于稳定，其余不同玉米芯投加量的组分出水硝态氮浓度均小于2 mg/L﹒有机碳源不仅是微生物生长繁殖的能量来源，也是异养反硝化的关键因素之一﹒由此可知，玉米芯的投加有利于系统硝态氮的去除，处理效果较好﹒

图2 固体碳源投加量对硝态氮的影响

2.3 固体碳源投加量对亚硝态氮的影响

图3 为不同玉米芯投加量下的各组分出水亚硝态氮浓度积累情况﹒

图3 固体碳源投加量对亚硝态氮的影响

图3 中，未投加玉米芯的组分出水亚硝态氮出现了积累的现象，并且其浓度呈逐渐上升的趋势﹒在试验进行的前9 d，投加2.5 g 玉米芯的组分中亚硝态氮浓度低于0.02 mg/L，第10 d 亚硝态氮浓度突然升高，为0.06 mg/L；其余组分在试验期间亚硝态氮浓度小于0.02 mg/L，均未出现积累的现象﹒由此可认为，以玉米芯作为碳源能够避免自养反硝化脱氮除磷中亚硝态氮的累积，有利于系统的完全反硝化﹒

2.4 固体碳源投加量对总氮的影响

图4 为不同玉米芯投加量下各组分出水总氮的浓度变化﹒由图4 可知，未投加玉米芯的组分出水总氮的浓度由14.40 mg/L 降低至6.00 mg/L；其余各组分出水总氮的浓度分别为2.10～3.70(玉米芯7.5 g)，2.43～5.00(玉米芯5 g)和2.88～4.54 mg/L(玉米芯2.5 g)﹒玉米芯可以为异养反硝化菌提供电子供体，NO3−作为最终电子受体进行反硝化[8]﹒试验结果表明，玉米芯的投加有利于系统中氮的去除，而且在一定范围内投加量越大，氮的去除效果越好﹒

图4 固体碳源投加量对总氮的影响

2.5 固体碳源投加量对COD 的影响

图5为不同玉米芯投加量下各组分出水COD的浓度变化曲线﹒

图5 固体碳源投加量对COD 的影响

图5 中，未投加玉米芯组分的出水COD 浓度始终保持在10 mg/L 左右；其余各组分第1 d出水COD 浓度均有不同程度升高，投加2.5，5.0和7.5 g玉米芯组分出水COD浓度分别为175.97，224.70 和370.90 mg/L﹒随着反应的进行，各组分出水COD 浓度减少至趋于平稳，这是由于玉米芯缓慢释放可溶性碳源而导致出水COD 浓度升高，但随着微生物对可溶性碳源的利用，出水COD 浓度又减少直至趋于稳定﹒但是由于玉米芯投加量的不同，出水COD 浓度降至一级A 标准要求的50 mg/L 所用的时间也有所不同，不难看出投加2.5 g 玉米芯的组分在反应进行第4 d 时出水COD 浓度达到一级A 标准要求﹒因此，从系统脱氮效果和出水COD 浓度2 方面考虑，确定玉米芯的投加量为5.0 g/200 ml(即25.0 g/L)﹒

3 结论

针对低C/N 比污水，以碱预处理过的玉米芯作为外加碳源和微生物载体，可解决因碳源不足而导致的脱氮效率低的问题，强化污水厂对此类污水的处理效果﹒研究结果表明，玉米芯投加量为5.0 g/200 ml(25.0 g/L)时，出水NH3-N，NO3-N和TN 去除率分别为93%～95%，92%～96%和93%～97%；系统NO2−-N 浓度小于0.02 mg/L，没有出现积累现象；出水COD 浓度满足一级A 标准要求﹒因此，外加固体碳源投加量控制在25.0 g/L 时，不仅可以满足系统脱氮的要求和强化系统的脱氮效率，也不会导致系统出水COD 浓度超标﹒