慈曉琳

(上海永道環(huán)境技術(shù)有限公司，上海 200092)

水體中有一個(gè)重要的污染因素是較高的氮元素。氮元素的增加不僅會(huì)使水體產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化，還會(huì)危害水中的生物，對(duì)水質(zhì)造成破壞，使水資源更加緊缺。目前，國(guó)家正在不斷加強(qiáng)對(duì)水污染治理的管理力度，提高污水處理廠污水排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，污水處理廠必須嚴(yán)格控制排水中總氮的濃度。

常見(jiàn)的污水處理廠脫氮技術(shù)主要是兩類：一類是物理化學(xué)法，包括折點(diǎn)加氯法、離子交換法和膜分離法；另一類是生物法，包括反硝化生物濾池、生物膜反應(yīng)器和人工濕地等。在生物法中，污水處理廠最常用的工藝是反硝化脫氮工藝。其反應(yīng)原理是，在缺氧條件下，由于反硝化細(xì)菌的作用，廢水中的硝酸鹽氮(NO3-N)和亞硝酸鹽氮(NO2-N)被還原為氮?dú)?N2)。反硝化菌作為異養(yǎng)型生物，能在缺氧狀態(tài)時(shí)，利用有機(jī)物作為電子供體提供能量，使硝酸鹽中的氧作為電子受體被氧化。反硝化的反應(yīng)方程式如下：

(1)

(2)

從理論上講，反硝化1 g硝酸鹽氮消耗2.86 g BOD5，反硝化1 g亞硝酸鹽氮消耗1.71 g BOD5[1]。

但是反硝化菌作為異養(yǎng)型生物，需要額外提供碳源。不同類型的碳源對(duì)脫氮效果有不同的影響。本文主要研究了污水處理廠三種常用的碳源[2-4]，分別是乙酸、乙酸鈉和葡萄糖，考察了不同碳源對(duì)某污水處理廠缺氧池內(nèi)反硝化菌脫氮效果，脫氮速率以及反硝化后對(duì)水體中pH值的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

污泥：某污水處理廠缺氧池污泥。

水樣：用去離子水和硝酸鈉配置的初始硝酸鹽氮濃度為50 mg/L的模擬水樣。

試劑：乙酸、葡萄糖、鹽酸和氫氧化鈉均來(lái)自上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；乙酸鈉和硝酸鈉來(lái)自上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司；所有試劑均為分析純。

儀器S210pH計(jì)，梅特勒-托利多；DL-4C離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；5100溶解氧測(cè)定儀，YSI公司；SPH-310F搖床，上海世平實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；DR6000分光光度計(jì)，哈希公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

不同碳源反硝化實(shí)驗(yàn)方法為：常溫下，在多個(gè)相同反應(yīng)器內(nèi)分別添加經(jīng)過(guò)去離子水清洗后的某污水處理廠缺氧池污泥和1.1章節(jié)所述模擬水樣，添加后溶液體積相同，污泥濃度相同(MLSS為4000 mg/L)，并向反應(yīng)器內(nèi)投加不同的的碳源，用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH使pH值介于6.5～7.5，用氮?dú)鈱?duì)其進(jìn)行曝氣使DO值小于0.5 mg/L，通過(guò)比較多個(gè)反應(yīng)器內(nèi)樣品經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的反應(yīng)后，水中氮類指標(biāo)的變化情況，判斷不同碳源的反硝化效果。

pH值的測(cè)定采用GB/T6920 玻璃電極法。

硝酸鹽氮的測(cè)定采用HACH10020 變色酸法。

亞硝酸鹽氮的測(cè)定采用GB/T 7493 水質(zhì) 亞硝酸鹽氮的測(cè)定 分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同碳源對(duì)氮去除的影響

2.1.1 不同碳源對(duì)亞硝酸鹽氮去除的影響

本實(shí)驗(yàn)投加了充足的不同碳源后(充足的碳源是2倍的根據(jù)上述反應(yīng)溶液中硝酸鹽氮完全轉(zhuǎn)化所需碳源理論質(zhì)量)，測(cè)試了初始及反應(yīng)過(guò)程中，各個(gè)反應(yīng)器內(nèi)亞硝酸鹽的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，所配初始溶液不含有亞硝酸鹽氮，反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有明顯的亞硝酸鹽氮積累，這是由于污水處理廠的反硝化污泥菌群結(jié)構(gòu)不同，在充足的碳源存在條件下，硝酸鹽還原酶并未完全主導(dǎo)反硝化過(guò)程，此過(guò)程中硝酸鹽氮還原為亞硝酸鹽氮的速率低于亞硝酸鹽氮被還原為氮?dú)獾乃俾蔥5]。該污水處理廠在常規(guī)監(jiān)測(cè)缺氧池反硝化作用時(shí)，可以將硝酸鹽氮的變化做為主要指標(biāo)，其它污水處理廠也可根據(jù)此實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，判斷采用哪些指標(biāo)來(lái)監(jiān)測(cè)缺氧池反硝化作用。

2.1.2 不同碳源投加量對(duì)硝酸鹽氮去除的影響

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同量的不同碳源在反應(yīng)結(jié)束后，各個(gè)反應(yīng)器內(nèi)硝酸鹽氮的去除率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 硝酸鹽氮去除率隨碳源投加的變化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用不同碳源時(shí)，隨著碳源投加量的增加，水樣中硝酸鹽氮去除效率也隨之升高。此外，不考慮反硝化過(guò)程中的微生物細(xì)胞合成的情況下，可以由圖2去除曲線估算出去除每g硝酸鹽氮所消耗的碳源量，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和文獻(xiàn)中的參考數(shù)據(jù)比較結(jié)果如表1所示。

表1 碳源消耗量計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算，去除每單位硝酸鹽氮，乙酸消耗的量最少，葡萄糖消耗的量最大。盡管實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)有差距，但去除單位硝酸鹽氮所需要的碳源量高低排名是一致的。

2.2 不同碳源對(duì)反硝化速率的影響

本實(shí)驗(yàn)投加了充足的不同碳源后，測(cè)試了硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 氮去除隨反應(yīng)時(shí)間的變化

根據(jù)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)乙酸鈉作為碳源時(shí)，硝酸鹽氮去除速率最快，而選用葡萄糖時(shí)的反應(yīng)速率最慢，這是因?yàn)槠咸烟堑姆肿咏Y(jié)構(gòu)與乙酸等相比較為復(fù)雜,在微生物對(duì)葡萄糖的降解過(guò)程中，葡萄糖會(huì)先轉(zhuǎn)化為酸性的丙酮酸，再在乙酰輔酶A的作用下不完全氧化為乙醇和乳酸，隨后進(jìn)一步被異養(yǎng)反硝化菌吸收利用[6-7]，降解過(guò)程如圖4所示。

圖4 葡萄糖降解過(guò)程

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算該污水處理廠缺氧池反硝化菌的反硝化速率，并與文獻(xiàn)中的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

表2 反硝化速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)對(duì)比結(jié)果，可以得到某污水處理廠缺氧池污泥反硝化速率比文獻(xiàn)數(shù)據(jù)普遍偏低，這主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中使用的反硝化污泥來(lái)自實(shí)際以低污染物負(fù)荷運(yùn)行的污水處理廠，與文獻(xiàn)作者培養(yǎng)的污泥相比，反硝化菌濃度相對(duì)較低。污水處理廠在制定各自的缺氧池水力停留時(shí)間時(shí)，要考慮各自污泥的反硝化速率。

2.3 不同碳源對(duì)反硝化后水質(zhì)pH值的影響

將初始各反應(yīng)器內(nèi)pH值調(diào)至7.5，在反硝化過(guò)程中每隔1 h測(cè)試各個(gè)反應(yīng)器中的pH值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 pH值隨時(shí)間變化曲線

在反硝化過(guò)程中，當(dāng)pH值變化較大時(shí)，會(huì)對(duì)污水處理廠后續(xù)生化處理系統(tǒng)產(chǎn)生影響，而且反應(yīng)過(guò)程中pH的變化也會(huì)影響反硝化過(guò)程中的亞硝酸鹽氮積累，進(jìn)而干擾脫氮效果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示進(jìn)出水pH值變化，可以看出，乙酸和乙酸鈉作為碳源時(shí)，出水pH值較初始都有一定的升高或保持不變，這是因?yàn)橄跛猁}氮或亞硝酸鹽氮被還原為氮?dú)獾倪^(guò)程中會(huì)首先生成堿度，而葡萄糖作為碳源時(shí)出水pH值降低則是由于反應(yīng)過(guò)程中生成的丙酮酸和乳酸還沒(méi)有被完全利用[6-7]。

3 結(jié) 論

乙酸、乙酸鈉和葡萄糖三種碳源對(duì)反硝化速率的表現(xiàn)為乙酸>乙酸鈉>葡萄糖。使用這三種碳源時(shí)對(duì)于該污水處理廠在反硝化過(guò)程中均無(wú)明顯的亞硝酸鹽氮累積。去除單位質(zhì)量硝酸鹽氮所需的乙酸質(zhì)量最少，葡萄糖最高。使用乙酸和乙酸鈉作為碳源時(shí)，會(huì)導(dǎo)致出水pH值升高；而使用葡萄糖時(shí)則表現(xiàn)為pH值降低。各個(gè)污水處理廠需要根據(jù)各自的實(shí)際情況選擇合適的碳源。