不同剩余污泥发酵液对NOx还原的影响

中国环境科学2016,36(10)：2964~2971ChinaEnvironmentalScience不同剩余污泥发酵液对NOx-还原的影响何岳兰,王淑莹*,李夕耀,马斌,郭思宇(北京工业大学,北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124)摘要：在(35±1)℃,且pH值分别为酸性(pH=4.0,5.0,6.0)和碱性(pH=8.0,9.0,10.0)条件下进行剩余污泥厌氧发酵,批次试验研究了相同体积的不同污泥发酵液对NOx-还原过程的影响.结果表明:当pH=8.0产生的发酵液做碳源时反应速率最高,NO3-和NO2-的比还原速率分别为16.28mg/(gVSS·h)和17.51mg/(gVSS·h).酸性条件产生的发酵液做碳源时NO2-还原过程较NO3-还原过程快;而碱性条件产生的发酵液做碳源时NO3-还原速率高,且产生了反硝化过程中亚硝酸盐积累现象,其中pH=10.0产生的发酵液做碳源时反硝化过程亚硝积累率高达82.5%.关键词：污泥发酵液；反硝化；碳源；碳氮比中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)10-2964-08EffectofdifferentwasteactivatedsludgefermentationsupernatantsonNOx-reductionprocess.HEYue-lan,WANGShu-ying*,LIXi-yao,MABin,GUOSi-yu(EngineeringResearchCenterofBeijing,KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,PRChina).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(10)：2964~2971Abstract：Thisresearchadoptedthe(35±1)℃temperatureandpHwereacidity(pH=4.0,5.0,6.0)andalkaline(pH=8.0,9.0,10.0)conditionstoconductwasteactivatedsludgeanaerobicfermentation,usinganequalvolumeofdifferentfermentationliquidascarbonsourceresearcheditseffectonNOx-reductionprocess.Theresultsshowedthat:whenthefermentationliquidproducedinpH=8.0conditionascarbonsource,thehighestreactionrateappeared,NO3-andNO2-reductionraterespectivelywere16.28mg/(gVSS·h)and17.51mg/(gVSS·h).TheNO2-reductionprocesswasfasterthantheNO3-reductionprocesswhilethefermentationliquidascarbonsourceproducedbyacidiccondition,buttheNO3-reductionratewashigherwhenthefermentationliquidascarbonsourceproducedbyalkalinecondition.Meanwhile,whichproducedthenitriteaccumulationphenomenonamongthedenitrificationprocess,theaccumulationrateofnitriteduringdenitrificationprocessreached82.5%whenthefermentationliquidascarbonsourceproducedinpH=10.0condition.Keywords：sludgefermentationliquid；denitrification；carbonsource；C/N生物脱氮技术被污水处理厂广泛采用[1-4],而生物脱氮往往需要充足的碳源,目前我国大多数污水处理厂存在碳源不足的问题[5-6].甲醇是近年来常被污水处理厂采用的反硝化碳源,但是甲醇价格昂贵,其投资费用占污水处理厂操作和维护费用的70%以上[7].因此,经济且高效的碳源开发成为研究的热点[8-12].污泥厌氧发酵可使污泥减量,溶出的挥发性脂肪酸(VFAs)可以作为生物脱氮过程中一种既经济又高效的碳源代替甲醇[13].一些研究者将污泥厌氧发酵液加入到生物强化除磷工艺[14]、生物脱氮工艺[4]、反硝化除磷工艺[15]等,发现利用污泥发酵液做脱氮除磷碳源有利于实现短程硝化反硝化[16],同时氮磷去除效率高于普通碳源[4,14].在氮氧化物(NOx--N)还原过程中,反硝化菌可利用的碳源种类较多,黄惠珺等[17]发现碳源不同活性污泥储存的内碳源不同.因此,反硝化速率与碳源类型密切相关.而厌氧发酵产酸过程可收稿日期：2016-02-18基金项目：住建部2014年科学技术项目计划(2014-k7-022);北京工业大学第13届研究生科技基金项目(ykj-2014-10898)*责任作者,教授,[e-mail]10期何岳兰等：不同剩余污泥发酵液对NOx-还原的影响2965以在pH值为3.0~12.0进行,且不同的pH值条件产生的酸化产物种类和含量不同[18-19].因此,利用不同的pH值条件产生的污泥发酵液做反硝化碳源,对反硝化过程的影响差别较大.剩余污泥厌氧发酵过程中产甲烷菌适宜生长的pH值为7.0±0.5,在此pH值范围内污泥厌氧发酵过程为产甲烷型过程,产酸量极低[20].因此,pH=7.0±0.5条件下产生的污泥发酵液不适宜做反硝化碳源.本研究在(35±1)℃条件下,调节不同pH值(4.0,5.0,6.0,8.0,9.0,10.0)进行剩余污泥厌氧发酵长期培养,批次试验考察等体积的酸性(pH=4.0,5.0,6.0)和碱性(pH=8.0,9.0,10.0)条件下产生的剩余污泥发酵液做碳源对反硝化性能的影响,并从发酵液特性来分析讨论其影响效果.通过本研究,对比不同pH值条件下产生的污泥发酵液特性及其做碳源时反硝化性能,可为反硝化替代碳源的选择提供理论支持.1材料与方法1.1试验污泥表1两套生物脱氮反应器水质及运行参数Table1Wastewaterqualityandoperatingparameterofnitrificationsystems项目单位SBR-CNDSBR-SCNDSCODmg/L78.37~230.20110.10~276.30NH4+-Nmg/L37.61~70.1353.00~78.41进水水质NOx--Nmg/L0~0.790~1.18V有效L86000SRTd2016运行参数HRTh1222注:SCOD为溶解性化学需氧量;NH4+-N为氨氮;V有效为有效容积;SRT为污泥龄;HRT为水力停留时间.根据试验需求,试验污泥分为3类:硝酸盐(NO3-)还原污泥、亚硝酸盐(NO2-)还原污泥和污泥发酵所用的剩余污泥.3类污泥分别取自于北京市某实验室处理实际生活污水的序批式全程硝化反硝化反应器(SBR-CND)的曝气结束污泥、序批式短程硝化反硝化反应器(SBR-SCND)的曝气结束污泥及SBR-SCND的剩余污泥.表1为两套生物脱氮反应器进水水质及运行参数,试验期间运行稳定,平均总氮去除率大于95%;表2为3类试验污泥的基本特征.表2试验污泥的基本特征Table2Characteristicofsludgeusedinthisstudy指标NO3-还原污泥NO2-还原污泥剩余污泥SCOD30.72~54.6040.30~60.5042.21~68.42NH4+-N0~2.360~4.060~6.45NOx--N19.30~24.9626.41~28.460~1.18PO43--P0~0.300~0.390.10~0.59MLSS2400±5002500±50018000±200pH7.30±0.057.25±0.057.50~7.90注:除pH值外,其他指标单位均为mg/L.PO43--P为磷;MLSS为污泥浓度.1.2污泥发酵液来源试验装置采用密闭的SBR(图1).将上述实验室SBR-SCND的剩余污泥投加至图1的污泥厌氧发酵系统,分别在酸性(pH=4.0,5.0,6.0)和碱性(pH=8.0,9.0,10.0)条件下进行连续搅拌中温[(35±1)℃]厌氧发酵,调节pH值时采用5mol/L的HCl和1mol/L的NaOH,各系统HRT和SRT均为16d,挥发性悬浮固体(MLVSS)为15g/L左右.运行稳定后,取各系统污泥发酵液上清液做NOx-还原过程碳源,表3反映了试验中所用污泥发酵液的有机物含量和比例.表3试验中所用不同pH值条件产生的污泥发酵液的有机物含量和比例Table3Organicmattercontentandproportionofsludgefermentationliquidusedinthisstudy指标单位pH=4.0pH=5.0pH=6.0pH=8.0pH=9.0pH=10.0SCODmg/L3145.943084.06812.884222.717159.1110754.21VFAsmgCOD/L566.451410.96204.752448.945020.854211.10乙酸mgCOD/L231.58330.4536.751537.353142.952205.19丙酸mgCOD/L72.97379.1831.56590.44756.51630.62VFAs/SCOD%18.045.825.258.070.139.2乙酸/VFAs%40.923.418.062.862.652.4丙酸/VFAs%12.926.915.424.115.115.02966中国环境科学36卷1.3批次试验将上述实验室的NO3-还原污泥和NO2-还原污泥的混合液分批次接种0.9L到图1试验装置的NOx-还原系统中,混合液以氮气去除其中的溶解氧后分别投加上述pH值为酸性和碱性条件下厌氧发酵产生的污泥发酵上清液0.1L作为碳源.试验过程中不控制pH值,试验温度维持在(25±0.5)℃,MLSS均控制在2500mg/L左右.每组试验均平行做3次,反应时间为2h.35℃上清液4000g离心15min0.45µm滤膜过滤分析污泥厌氧发酵系统NOx还原系统pH图1试验装置Fig.1Schematicdiagramofexperimentalsystem1.4分析项目与方法试验过程中pH值采用德国WTWpH3310仪在线监测;MLSS和MLVSS采用质量法;试验样品经0.45µm的微孔纤维滤膜过滤后,滤液用于指标分析.SCOD采用5B-3(B)型COD快速测定仪检测;NH4+-N,NOx--N,PO43--P采用流动注射分析仪(LachatQuik-Chem8500,LachatInstrument,USA)检测;蛋白质采用改良型Bradford法蛋白质浓度测定试剂盒测定(生工SK3041);多糖采用苯酚-硫酸法测定;VFAs采用气相色谱法测定[19].2试验结果2.1酸性发酵液做碳源对NOx-还原的影响连续搅拌中温[(35±1)℃]厌氧发酵系统在酸性条件(pH=4.0,5.0,6.0)下产生的污泥发酵液做碳源对NOx-还原过程的影响如图2所示.从图2可以看出:不同pH值条件下产生的污泥发酵液做反硝化碳源,NOx-还原速率差异较大.而且在相同反应时间内,不同电子受体对同一发酵