保定市鲁岗污水处理厂不同碳源反硝化反应速率测定分析

马向民 李志杰 郁伟杰 刘伟 王瑞哲

摘 要：通过对保定市鲁岗污水处理厂不同碳源反硝化反应速率测定分析比较，确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问题，以确保COD增加量不对后端工艺处理造成负担，也为后期自动化投药系统提供数据支持。

关键词：污水处理厂；反硝化速率；碳源；碳氮比

保定市鲁岗污水处理厂位于白洋淀上游，对出水水质要求较高，原A2/O工艺经多次升级改造，增加深度处理工艺（磁混凝高效沉淀池+反硝化深床滤池+高级氧化），使出水水质达到Ⅳ类地表水标准，并尽量做到大三类水标准（TN≤9mg/l）。本实验研究主要以该厂回流污泥为研究对象，选用5种碳源：醋酸钠，甲醇，冰醋酸，葡萄糖，复合碳源，对不同碳源的反硝化速率进行测定，分析探讨究竟添加何种碳源及如何添加可达到成本比较低效果又比较满意，为今后工艺运行调控和改建自动化投药系统提出合理化建议和改进方案，可供同类工艺设计师参考。目前该厂采用醋酸钠为外加碳源，用量为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，反硝化深化滤池污水停留24min。

1 试验装置与方法

1.1 试验原理

反硝化反应是由反硝化菌在缺氧条件下，利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物作为碳源和电子供体，将NO3—N及NO2—N还原为气态氮（N2）或N2O、NO。

反硝化速率为单位质量的挥发性活性污泥在单位时间内的脱硝量，如式所示：

NUR=△N/△TM

NUR—反硝化速率，单位为mg/（g·h）；△N—混合液中硝态氮（NO3—N）浓度的变化量，单位为mg/L；△T为反应时间，单位为h；M一混合液中的挥发性活性污泥浓度（MLVSS），单位为g/L。

1.2 试验装置

测定反硝化速率的试验装置为1000ML玻璃反应器，电磁搅拌器，吹氮装置。

1.3 测定方法

本次试验的取样为曝气池后二沉池中的回流污泥，取500ML回流污泥，静沉4小时后去除上清液，再加入已用氮气排除空气后的蒸馏水，加入硝酸钾使硝氮浓度为30mg/L左右，加入丙烯基硫脲（ATU），移入反应器，定容加碳源使COD为160mg/L左右，电磁搅拌。然后开始计时，同时取第一个水样，测量初始COD和硝氮值，随后间隔分钟数为4、8、12、16、20、25、30、35、40、50、60、70、80、100、120、140、160、180、200、220、240、260，取样并过滤。测定所取样品的硝氮值与混合液的MLVSS值及COD值。以时间为横坐标，硝酸盐的浓度为纵坐标绘制曲线，并求得反硝化速率。因为鲁岗厂反硝化深床滤池停留时间24分钟，缺氧池停留时间260分钟，所以设计该取样时间点。

1.4 测试仪器

T6新世纪紫外分光光度计，哈希COD加热器，烘箱，马弗炉，电子天平。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

研究期间共进行了5次试验及多次重复验证试验，室温21～23摄氏度，主要结果如下表所示。

经多次验证试验确认，当硝氮过量时，260分钟时甲醇、醋酸钠、冰醋酸均无过多残留，复合碳源、葡萄糖有较多COD残留。

2.2 结果分析

（1）在260分钟内甲醇、乙酸钠、冰醋酸、复合碳源均能将反硝化进行彻底，反硝化大体分三个阶段，第一阶段0～25分钟，速率快，第二阶段25～180分钟，速率中等也比较稳定，第三阶段180分钟之后，速率下降明显。甲醇和复合碳源在硝氮浓度小于5mg/l的低浓度情况下依然保持反硝化速率基本不变，应该是因为初始碳氮比较大，COD依然充足，反硝化速率与初始COD浓度正相关。

（2）前25分钟反硝化平均速率比較快，冰醋酸9.4，醋酸钠7.9，复合碳源5.8，甲醇4.8，葡萄糖最低3.9。冰醋酸和醋酸钠更适合快速去除硝氮，但冰醋酸要考虑对后续pH值影响，醋酸钠极为合适。甲醇速率不高，是因为微生物对甲醇有适应过程，起始段会比较慢，复合碳源速率也不高。从反硝化平均速率图中还可看出初始的25分钟里，反应速率下降很快，之后总体趋于平稳。

（3）25至60分钟反硝化平均速率大为下降，依次为复合碳源3.8，醋酸钠3.4，甲醇3.3，冰醋酸2.5，葡萄糖0.5。

（4）60至120分钟反硝化平均速率比较稳定，依次为冰醋酸3.9，甲醇3.2，醋酸钠2.9，复合碳源2.9，葡萄糖0.5。

（5）120至180分钟因为接近反硝化终点，有些因硝氮浓度所剩不多，反硝化速率开始下降，依次为冰醋酸3.9，复合碳源2.8，甲醇2.7，醋酸钠1.7，葡萄糖0.9。

（6）180至260分钟逐渐反硝化结束，硝氮浓度低，反硝化速率大幅下降，葡萄糖依然缓慢稳定的反硝化，此时COD均未消耗完，这将对后续工艺产生影响，所以建议实际生产中应参考表4中实际消耗的碳氮比计算投药量，避免浪费和造成出水COD增高。

（7）COD投加量安全性问题：无论添加何种碳源，都不应产生大量COD残留，从表3表4可以看出，260分钟后，葡萄糖有大量的COD残留，且硝氮未反硝化完。复合碳源也有COD残留，经反复试验，残留反硝化速率较低，这会对后续工艺产生较大影响。若大幅减少用药量，必然会影响反硝化速率，使反硝化进行不彻底，且还会有一定比例的COD残留，所以要找好平衡。醋酸钠、冰醋酸、甲醇若稍降低一些投药量，达到适宜的碳氮比，应该容易降低COD残留，对反硝化速率影响也不大。冰醋酸因为消耗碱度，会对好氧段硝化反应产生影响，可投加CaCO3增加碱度，有研究表明碱度维持在220mg/l左右时，对氨氮去除效果最好，具体还需进一步实验确定。

（8）反硝化速率线性问题：不同碳源反硝化速率曲线均有一段时间呈线性，但并不一致。一般起始阶段速率很高，硝氮浓度陡降，这二三十分钟里不成线性。冰醋酸、甲醇和葡萄糖在开始反应几分钟后就会进入平台期，甲醇是8～20分是平台期，冰醋酸和葡萄糖4～20分是平台期。25分钟之后，基本呈现线性，斜率高低不同。在反硝化末期，硝氮浓度已经较低，COD浓度也降低很多，反硝化速率曲线变平缓。甲醇还是保持了原有线性，复合碳源和葡萄糖也基本保持，应该是因为COD浓度依然较高的缘故。毕竟不是单纯的化学反应，只是有一段大体呈线性。

（9）碳源选择：在生产中究竟选择何种碳源，哪种碳源又经济又好用，在不同时期不同情况下，会有不同选择，一味追求将总氮降到很低，既贵且难做到，只能尽量找平衡点（随着出水总氮标准要求的越来越高），在冬季气温低，总氮不容易控制，可以用优质碳源，如醋酸钠，在气温适宜后，水质控制得很好的情况下可以尝试其他碳源，也可以混合添加，也可以尝试降低投药量或停止加药。若选择甲醇，要对细菌进行一段时间的驯化，驯化后效果很好，比醋酸钠便宜。甲醇有期货交易，可以套期保值，以稳定成本。总之碳源添加，多不如少，过犹不及。碳源价格波动较大，按本次实验条件和数据估算了当前投加碳源大概成本表如下（其中醋酸钠为采购价，其他为市场询价）：

结语

综合安全性和经济性考虑，甲醇、醋酸钠、冰醋酸、复合碳源都是可选的碳源。（1）需要节约成本可优先考虑甲醇，但由于该厂处于居民区附近，甲醇虽然费用低，产泥量小，反硝化速率稳定，但易燃有毒，属甲类危险品，不宜使用，若新建污水处理厂，远离居民区，在控制住风险的情况下可以优先使用。（2）冰醋酸为乙类危险品，是大气污染VOC的重要组成部分，环保部门监管多，储存条件要求高，而且有降低出水pH值的可能，这些弊端不易克服，可应急使用。（3）葡萄糖反硝化速率低，COD容易大量剩余，且容易引起细菌大量繁殖，导致污泥膨胀，影响出水水质，直接添加效果并不理想，且考虑不能和反硝化滤池共用药剂，不适合鲁岗污水处理厂工艺使用。（4）此次复合碳源反应速度也较好，但有COD殘留，在控制好COD残余的情况下，可酌情使用。（5）醋酸钠反应快、安全性高、稳定，但是费用较高，根据碳氮比把握好用药量，可最大限度降低成本，目前还是最佳方案。

总之，无论使用哪种碳源都要把握好季节和用药量，保证在反硝化效果的同时尽量减少过量投加COD，降低COD残余，减少碳源浪费和对后续处理的影响。

参考文献：

［1］李亚新，郑兴灿.污水生物脱氮除磷技术［M］.中国建筑工业出版社，1998.

［2］徐晓妮，王社平，张日霞，等.西安市第三污水处理厂Orbal氧化沟反硝化速率测定分析［J］.科学技术与工程，2009，9（24）：75767579+7587.

［3］孙宇，曾佳楠，吴月龙.某污水处理系统生化池碱度与NH3N关系研究［J］.水处理技术，2022，3.

作者简介：马向民（1972— ），男，汉族，河北保定人，本科，工程师，研究方向：污水处理、水质监测。