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不同碳源条件下A/O-MBR的脱氮性能对比研究唐嘉陵1，王晓昌1，夏四清1，2（1．西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055；2．同济大学环境科学与工程学院，上海200092）［摘要］碳源是影响脱氮效果的关键因素之一。在A/O-MBR中进行了葡萄糖、乙酸钠和厨余发酵液的脱氮性能对比。结果表明：3种碳源条件下反应器对ＮH4+-Ｎ的去除率都较高，达到98%以上；以葡萄糖为碳源时，反硝化作用不够彻底，TＮ去除率只有60%，而乙酸钠和厨余发酵液的反硝化作用明显，TＮ去除率达到80%。通过批式实验得出，葡萄糖的比反硝化速率最低，乙酸钠和厨余发酵液的比反硝化速率较高，且相当；同时，葡萄糖的反硝化COＤ利用效率也比乙酸钠和厨余发酵液低，说明其脱氮能力低于后两者。［关键词］碳源；脱氮；厨余发酵液；比反硝化速率［中图分类号］Ｘ703［文献标识码］A［文章编号］1005-829Ｘ（2015）06-0031-04ＣomparisonofnitrogenremovingcapacityofＡ/Ｏ-ＭBRunderdifferentcarbonsourceconditionsTａｎｇJiａｌiｎｇ1，ＷａｎｇＸiａｏｃｈａｎｇ1，ＸiａSiｑiｎｇ1，2（1．SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055，China；2．SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China）Ａbstract：Cａrｂｏｎｓｏurｃeiｓｏｎeｏｆｔｈeｍｏｓｔｃriｔiｃａｌｆａｃｔｏrｓｗｈiｃｈｈａveiｎｆｌueｎｃeｏｎｎiｔrｏｇeｎreｍｏviｎｇeｆｆeｃｔ．ＩｎA/O-MBR，ｔｈeｎiｔrｏｇeｎreｍｏviｎｇｃａｐａｃiｔieｓｏｆｇｌuｃｏｓe，ｓｏｄiuｍａｃeｔａｔeａｎｄｆerｍeｎｔeｄｌiｑuiｄｏｆｋiｔｃｈeｎｗａｓｔeｈａveｂeeｎｃｏｍｐａreｄ．TｈereｓuｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈereａｃｔｏrｈａｓｈiｇｈeｆｆeｃｔiveｎeｓｓｏｎｔｈeirＮH4+-Ｎreｍｏviｎｇrａｔeｓ，reａｃｈiｎｇ98%ｏrｍｏre，uｎｄerｔｈreeｋiｎｄｓｏｆｃａrｂｏｎｓｏurｃeｃｏｎｄiｔiｏｎｓ．Ｗｈeｎｇｌuｃｏｓeuｓeｄａｓａｃａrｂｏｎｓｏurｃe，iｔｓｄeｎiｔriｆiｃａｔiｏｎiｓｎｏｔｃｏｍｐｌeｔe，ｗｈｏｓeTＮreｍｏviｎｇrａｔeiｓｏｎｌy60%．Buｔｔｈeｄeｎiｔriｆiｃａｔiｏｎeｆｆeｃｔｏｆｓｏｄiuｍａｃeｔａｔeａｎｄｆerｍeｎｔeｄｌiｑuiｄｏｆｋiｔｃｈeｎｗａｓｔeａreｏｂviｏuｓ，ｗｈｏｓeTＮreｍｏviｎｇrａｔeｓａreｂｏｔｈ80%．Tｈereｓuｌｔｓｆrｏｍｂａｔｃｈｔeｓｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈeｓｐeｃi-ｆiｃｄeｎiｔriｆiｃａｔiｏｎrａｔeｏｆｇｌuｃｏｓeiｓｔｈeｌｏｗeｓｔ，ｗｈiｌeｓｐeｃiｆiｃｄeｎiｔriｆiｃａｔiｏｎrａｔeｓｏｆｓｏｄiuｍａｃeｔａｔeａｎｄｆerｍeｎｔeｄｌiｑuiｄｏｆｋiｔｃｈeｎｗａｓｔeａreｈiｇｈerａｎｄａｐｐrｏｐriａｔe．TｈeCOＤuｔiｌiｚａｔiｏｎrａｔeｏｆｇｌuｃｏｓeｄeｎiｔｆiｃａｔiｏｎiｓａｌｓｏｌｏｗerｔｈａｎｔｈｏｓeｏｆｓｏｄiuｍａｃeｔａｔeａｎｄｆerｍeｎｔeｄｌiｑuiｄ，iｎｄiｃａｔiｎｇｔｈａｔiｔｓｄeｎiｔriｆiｃａｔiｏｎｃａｐａｃiｔyiｓｌｏｗerｔｈａｎｔｈｏｓeｏｆｔｈeｌａｔｔerｔｗｏ．Keywords：ｃａrｂｏｎｓｏurｃe；ｎiｔrｏｇeｎreｍｏvａｌ；ｆerｍeｎｔeｄｌiｑuiｄｏｆｋiｔｃｈeｎｗａｓｔe；ｓｐeｃiｆiｃｄeｎiｔriｆiｃａｔiｏｎrａｔe（SＤＮR）传统的生物脱氮过程包括好氧硝化和厌氧反硝化2个过程，分别由不同的生物群落在各自适宜的条件下相互耦合完成。有机物作为脱氮的重要影响因素之一，直接控制着反硝化过程的进行。进水有机物较低时，反硝化过程因电子供体不足而受到抑制，脱氮效率低下〔1-2〕。因此，在实际工程中常常利用外增碳源，提高进水中有机物的含量，改善反硝化条件，从而提高脱氮效果。常用的外增碳源主要有甲醇、葡萄糖等。然而，这些碳源在实际工程中运用并不经济。因此，寻求经济、安全、高效的碳源十分必要〔3〕。有研究指出，厨余发酵液中含有较多的ＶＦA、乳酸、多糖等有机物，而且碳氮比较高〔4〕，具有作为碳源的潜能。碳源的特性直接影响微生物的活性、反硝化速率、微生物产量以及微生物群落结构等〔5-7〕，进而直接影响脱氮效率。目前，有关利用厨余发酵液作为碳［基金项目］水体污染与治理科技重大专项（2013ZＸ07310）；陕西省污水处理与资源化重点科技创新团队项目（2013KCT-13）；城市污水处理设施升级改造及资源化利用技术（CＸ12160）第35卷第6期2015年6月工业水处理ＩｎｄuｓｔriａｌＷａｔerTreａｔｍeｎｔＶｏｌ．35Ｎｏ．6Juｎ．，201531源的研究较少，关于其脱氮性能的报道更为少见。笔者利用厨余发酵液作为A/O-MBR的外增碳源，并将其脱氮特性与葡萄糖和乙酸钠进行比较，验证将其作为外增碳源的可行性。1材料与方法1．1A/O-MBR反应器A/O-MBR反应器如图1所示。图1A/O-MBR反应器结构示意该反应器有效体积为37．5L，其中厌氧池、好氧池和膜池的体积比为1∶1∶1。膜组件为PＶＤＦ中空纤维膜，面积为0．5ｍ2，孔径为0．1μｍ。好氧池与膜池之间利用穿孔隔板分开，膜池采用穿孔管曝气冲刷膜表面控制膜污染，气水比为20∶1；好氧池采用微孔曝气头曝气供氧。运行期间，HRT为10ｈ，SRT为30ｄ，污泥质量浓度为3000～4000ｍｇ/L，MLＶSS/MLSS为0．70～0．75。反应器进水为投加不同基质（葡萄糖、乙酸钠、厨余发酵液）的校园生活污水，进水水质如表1所示。厨余发酵液为厨余垃圾厌氧发酵产物，主要成分：COＤ100～200ｇ/L；SCOＤ60～120ｇ/L；ＶＦA10～15ｇ/L；蛋白质10～30ｇ/L；多糖50～100ｇ/L；TＮ500～1000ｍｇ/L。表1反应器进水水质1．2污染物测定方法每天定时从反应器中取样分析ＮH4+-Ｎ、ＮO3--Ｎ、TＮ、COＤ，分析方法参照参考文献〔8〕。将混合液在3500r/ｍiｎ下离心10ｍiｎ，取上清液测定COＤ；上清液通过0．45μｍ滤膜后测定SCOＤ。1．3比反硝化速率通过测定污泥的比反硝化速率（SＤＮR），比较3种碳源条件下活性污泥反硝化菌群的数量和活性。在反应器运行稳定的条件下，取厌氧池污泥0．5L于玻璃瓶中，使污泥质量浓度为3000ｍｇ/L左右。向其中加入ＮａＮO3和碳源（葡萄糖、乙酸钠和厨余发酵液），使ＮO3--Ｎ和COＤ最终分别为（35±5）ｍｇ/L和（300±20）ｍｇ/L。反应体系ｐH保持在7．0～8．2。实验过程中，定时取样分析ＮO3--Ｎ、ＮO2--Ｎ和COＤ。比反硝化速率：SＤＮR=ｄ〔ρ（ＮO3--Ｎ）〕Xｄt（1）式中：SＤＮR———比反硝化速率，ｍｇ/（ｇ·ｈ）；ρ（ＮO3--Ｎ）———ＮO3--Ｎ质量浓度，ｇ/L；X———污泥质量浓度，ｍｇ/L；t———反应时间，ｈ。2结果与讨论2．1不同碳源条件下污染物去除性能2．1．1COＤ的变化不同碳源条件下COＤ的变化情况如图2所示。图2不同碳源条件下COＤ去除效果对比从图2可以看出，3种碳源条件下，进水COＤ波动较大，而出水COＤ均十分稳定，始终保持在20ｍｇ/L以下，COＤ去除率均达到97%以上，COＤ去除十分彻底。这主要与膜的高效截留作用有关。进水中大部分有机物被膜组件截留于反应器中，有利于有机物的高效利用，保证出水水质。同时可以看出，投加厨余发酵液后，出水COＤ并无较大变化，表明厨余发酵液能够在短时间内被微生物适应，而且不会对其产生抑制作用。2．1．2ＮH4+-Ｎ的变化不同碳源条件下ＮH4+-Ｎ的变化情况如图3所示。从图3可以看出，3种碳源条件下，反应器出水ＮH4+-Ｎ保持在0．5ｍｇ/L左右，ＮH4+-Ｎ去除率都达到日期碳源类型COＤ/（ｍｇ·L-1）ＮH4+-Ｎ/（ｍｇ·L-1）TＮ/（ｍｇ·L-1）第1天—第23天葡萄糖300～40020～3521～38第24天—第49天乙酸钠200～35020～3020～33第50天—第73天厨余发酵液200～35015～2017～25试验研究工业水处理2015-06，35（6）3298%以上，进水中的ＮH4+-Ｎ几乎被全部氧化，硝化过程进行得十分彻底，因此脱氮效果主要取决于反硝化过程。由图3还可以看出，投加葡萄糖条件下，厌氧池的ＮO3--Ｎ较高，为3．5ｍｇ/L左右，表明反硝化作用不够彻底，导致出水ＮO3--Ｎ较高；而投加乙酸钠和厨余发酵液条件下，厌氧池中ＮO3--Ｎ较低，为0．5ｍｇ/L以下，表明反硝化作用十分完全，出水ＮO3--Ｎ较低。图3不同碳源条件下ＮH4+-Ｎ去除效果对比2．1．3TＮ的变化不同碳源条件下TＮ的变化情况如图4所示。图4不同碳源条件下TＮ去除效果对比由图4可以看出，以葡萄糖为碳源，TＮ去除率为60%左右，而以乙酸钠和厨余发酵液为碳源，TＮ去除率相当，保持在80%左右。此外，以葡萄糖为碳源时，出水TＮ为15ｍｇ/L左右，而以乙酸钠和厨余发酵液为碳源时，出水TＮ明显降低，保持在8ｍｇ/L以下。由此可以得出，在运行条件几乎相同的情况下，葡萄糖的脱氮能力较乙酸钠和厨余发酵液都低。2．2脱氮能力对比为解释3种碳源条件下脱氮效率的差异，进行了反硝化速率实验，验证3种碳源条件下污泥的反硝化性能。另外，考察了3种碳源条件下，反硝化COＤ的有效利用率，从而分析碳源的脱氮能力。2．2．1反硝化速率对比3种碳源条件下污泥的比反硝化速率如图5所示。图5不同碳源条件下的比反硝化速率对比由图5可知，葡萄糖为碳源条件下的比反硝化速率较乙酸钠和厨余发酵液为碳源时都低，仅为7．89ｍｇ/（ｇ·ｈ），而后两者的比反硝化速率相当，分别为10．75、10．53ｍｇ/（ｇ·ｈ）。M．Sａｇe等〔9〕指出，反硝化速率主要由快速降解COＤ、慢速降解COＤ以及内源代谢产物的反硝化速率构成，而主要取决于快速降解COＤ。因此可以看出，乙酸钠和厨余发酵液的降解速率比葡萄糖高，更易被微生物利用。研究表明，混合物的反硝化速率高于单一组分的反硝化速率〔9〕。厨余发酵液中含有ＶＦA、乳酸、乙酸、多糖等多种物质，因此其比反硝化速率较快。此外，碳源影响着非反硝化菌群的代谢途径和活性〔10〕，因此3种碳源下的反硝化速率的差别也与各自条件下驯化的微生物种群的差异、微生物的生长状态以及活性相关。2．2．2COＤ利用效率对比进水中的有机物，除了用于反硝化过程以外，还可能被用于微生物细胞合成以及能量消耗。根据电子平衡原理，将1ｇＮO3--Ｎ转化为Ｎ2需要消耗2．86ｇCOＤ。3种碳源条件下，反硝化COＤ的有效利用率如图6所示。从图6可以看出，运行期间，以葡萄糖为碳源时，反硝化COＤ利用率较低，仅有（13．7±5．0）%，而以乙酸钠和厨余发酵液为碳源时，反硝化COＤ利用工业水处理2015-06，35（6）唐嘉陵，等：不同碳源条件下A/O-MBR的脱氮性能对比研究33率较高，且二者差别较小，分别为（18．9±5．3）%和（18．0±4．8）%。由此说明，葡萄糖作为碳源不易被微生物用于反硝化过程。而相比之下，乙酸钠和厨余发酵液更易被作为反硝化电子供体，其脱氮能力也高于葡萄糖。图6不同碳源条件下反硝化COＤ利用效率对比3结论在A/O-MBR中进行了葡萄糖、乙酸钠和厨余发酵液3种不同碳源的脱氮性能对比，结果表明，3种碳源条件下反应器硝化作用十分完全，