不同碳源材料用于污水厂尾水生物反硝化碳源的效果研究

书书书第３１卷第３期２０１１年３月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３１，Ｎｏ．３Ｍａｒ．，２０１１基金项目：国家重大水专项巢湖项目（Ｎｏ．２００８ｚｘ０７１０３００４，２００８ｚｘ０７３１６００４）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＳｐｅｃｉａｌＰｒｏｇｒａｍｏｆＷａｔｅｒＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ（Ｎｏ．２００８ｚｘ０７１０３００４，２００８ｚｘ０７３１６００４）作者简介：文辉（１９８５—），女，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；通讯作者（责任作者），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]：ＷＥＮＨｕｉ（１９８５—），ｆｅｍａｌｅ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]文辉，陈云峰，高良敏．２０１１．不同碳源材料用于污水厂尾水生物反硝化碳源的效果研究［Ｊ］．环境科学学报，３１（３）：４９９５０４ＷｅｎＨ，ＣｈｅｎＹＦ，ＧａｏＬＭ．２０１１．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｂｉｏｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｅｗａｇｅｐｌａｎｔｗａｓｔｅｗａｔｅｒｕｓｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３１（３）：４９９５０４不同碳源材料用于污水厂尾水生物反硝化碳源的效果研究文辉１，２，陈云峰３，，高良敏２１．中国科学院安徽光学精密机械研究所，合肥２３００３１２．安徽理工大学地球与环境学院，淮南２３２００１３．安徽省环境科学研究院，合肥２３００６１收稿日期：２０１００６２７　　　修回日期：２０１００８０５　　　录用日期：２０１００８２６摘要：针对污水厂尾水氮素高度硝化的现状，通过正交试验研究了不同固体碳源在不同的反应时间、硝氮进水浓度、碳源比例及温度条件下的反硝化速率及对硝态氮的去除率．结果表明，以麦秆为碳源去除硝氮最优条件是温度为２５℃，反应时间为１０ｈ，进水硝氮浓度为３０ｍｇ·Ｌ－１，麦秆与水的质量比为１∶５０；以ＰＨＡｓ为碳源去除硝氮的最优条件是温度为１５℃，反应时间为３０ｈ，进水硝氮浓度为４５ｍｇ·Ｌ－１，ＰＨＡｓ与水的质量比为１∶５０；以ＰＢＳ为碳源去除硝氮的最优条件是温度为３５℃，反应时间为３０ｈ，进水硝氮浓度为３０ｍｇ·Ｌ－１，ＰＢＳ与水的质量比为１∶２００．关键词：固态碳源；反硝化；脱氮文章编号：０２５３２４６８（２０１１）０３４９９０６　　　中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标识码：ＡＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｂｉｏｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｅｗａｇｅｐｌａｎｔｗａｓｔｅｗａｔｅｒｕｓｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｍａｔｅｒｉａｌｓＷＥＮＨｕｉ１，２，ＣＨＥＮＹｕｎｆｅｎｇ３，，ＧＡＯＬｉａｎｇｍｉｎ２１．ＡｎｈｕｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ＆ＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ２３００３１２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥａｒｔｈａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ２３２００１３．ＡｎｈｕｉＡｃａｄｅｍｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｈｅｆｅｉ２３００６１Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２７Ｊｕｎｅ２０１０；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ５Ａｕｇｕｓｔ２０１０；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ２６Ａｕｇｕｓｔ２０１０Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｃｏｎｔｅｎｔｏｆｎｉｔｒａｔｅｎｉｔｒｏｇｅｎｉｎｓｅｗａｇｅｐｌａｎｔｗａｓｔｅｗａｔｅｒ，ｗｅｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｒａｔｅｓｏｆｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｒｅｍｏｖａｌｏｆｎｉｔｒａｔｅｎｉｔｒｏｇｅｎｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｌｉｄｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｔｈｒｏｕｇｈｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒｒｅｍｏｖｉｎｇｎｉｔｒａｔｅｎｉｔｒｏｇｅｎｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｓａｒｅｌｉｓｔｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｆｏｒｗｈｅａｔｓｔｒａｗ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓ２５℃，ｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｔｉｍｅｗａｓ１０ｈ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓ３０ｍｇ·Ｌ－１ａｎｄｔｈｅｍａｓｓｒａｔｉｏｏｆｓｔｒａｗｔｏｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗａｓ１∶５０．ＦｏｒＰＨＡｓ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓ１５℃，ｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｔｉｍｅｗａｓ３０ｈ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓ４５ｍｇ·Ｌ－１ａｎｄｔｈｅｍａｓｓｒａｔｉｏｏｆＰＨＡｓｔｏｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗａｓ１∶５０．ＦｏｒＰＢＳ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓ３５℃，ｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｔｉｍｅｗａｓ３０ｈ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓ３０ｍｇ·Ｌ－１ａｎｄｔｈｅｍａｓｓｒａｔｉｏｏｆＰＢＳｔｏｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗａｓ１∶２００．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌｉｄｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅ；ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｎｉｔｒａｔｅｒｅｍｏｖａｌ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）塘西河属巢湖左岸直接入湖的一级支流，水体污染严重，对塘西河下游规划湿地及巢湖富营养化造成极大隐患．２００８年４月开始试运行的塘西河污水处理厂，建成目标是将处理后的中水一方面作为塘西河景观补水，另一方面用于区域内道路清洗、植被灌溉等，实现污水零排放目标．但是对该厂现状出水水质进行分析，发现其出水没有达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》中规定的Ⅰ级Ａ标准，而且尾水呈现氮素高度硝化、碳源严重不足的特点，因此本课题的研究目的就是针对尾水水质，以潜流人工湿地的工艺形式，进一步处理其尾水，使出水水质达到Ⅰ级Ａ水平．而如何针对人工湿地工艺实施有效补碳，是实现强化反硝化和脱氮的重点．鉴于人工湿地自然开环　　境　　科　　学　　学　　报３１卷放的运行环境，近年来国内外许多研究者通过多种途径寻找无毒、廉价的缓释碳源来代替传统碳源（Ｂｌｏｗｅｓ，１９９４；Ｖｏｌｏｋｉｔａ，１９９６ａ；Ｖｏｌｏｋｉｔａ，１９９６ｂ；Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ，２０００），富含纤维素类物质的天然固体有机物以及一些可生物降解的人工材料正越来越多的用作外加碳源，比如棉花（金赞芳等，２００４ａ）、稻壳（徐锁洪等，２００１）、纸（金赞芳等，２００４ｂ）、可降解餐盒（王旭明等，２００８）、聚己内酯ＰＣＬ（刘江霞等，２００８）、淀粉和聚乙烯醇（周贵忠等，２００８）等．本研究在综合考查了多种碳源的脱氮效果基础之上，最后选取了麦秆、聚丁二酸丁二醇酯（ＰＢＳ）和聚羟基脂肪酸酯（ＰＨＡｓ）这３种固态碳源进一步研究其在不同条件下的反硝化速率及对硝态氮的去除率，为人工湿地工艺设计提供技术参数．２　实验材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　碳源的选取及预处理不同碳源的组成成分及其预处理方法见表１．表１　碳源的选取及预处理Ｔａｂｌｅ１　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｓ碳源组成成分预处理方法麦秆主要成分为纤维素，具有便宜、耐降解、使用简便等特点用去离子水洗２遍，在干燥箱中１００℃干燥０５ｈ，６５℃干燥２４ｈ后，剪成１～３ｃｍ长聚羟基脂肪酸酯（ＰＨＡｓ）ＰＨＡｓ是一种天然的高分子生物材料，乳黄色颗粒，同时具有良好的生物相容性、生物可降解性和塑料的热加工性能乳黄色颗粒直接使用聚丁二酸丁二醇酯（ＰＢＳ）是一种具有完全生物降解性能的高分子聚酯塑料，为白色结晶型聚合物，具有良好的成型加工性能和优异的生物降解性白色颗粒直接使用２．２　试验方法与装置试验装置为２５０ｍＬ锥形瓶，进行批式试验，加入等量的石子以模拟人工湿地结构，加入浓度为１０００ｍｇ·Ｌ－１的活性污泥（取自塘西河污水处理厂）１０ｍＬ，加入不同重量的固态碳源以及１００ｍＬ含有不同硝态氮浓度的试验配水，瓶口裹上封口膜，置于２５℃的恒温生化培养箱中培养３～７ｄ，再根据试验设计逐个改变试验条件．２．３　试验废水配制根据污水处理厂的出水水质（硝氮浓度为３０ｍｇ·Ｌ－１左右），将一定量的硝酸钾、磷酸氢二钾以及其它微量元素加入到自来水中，配制成大量试验用水，设置硝态氮浓度梯度分别为４５ｍｇ·Ｌ－１、３０ｍｇ·Ｌ－１以及１５ｍｇ·Ｌ－１，磷酸盐的浓度保持１．５ｍｇ·Ｌ－１．２．４　分析方法硝酸盐采用紫外分光光度法测定；ＣＯＤＣｒ采用重铬酸钾法测定；亚硝氮采用Ｎ（１萘基）乙二胺光度法测定；扫描电镜使用ＪＳＭ６４６０ＬＶ．３　结果（Ｒｅｓｕｌｔｓ）３．１　空白试验为了考查试验装置中的石子和活性污泥对试验结果的影响，因此以ＰＨＡｓ为固体碳源设置了３个不同的空白对照实验，分别是配水装置、配水＋石子装置、配水＋石子＋污泥装置．由图１可以看出，在空白对照实验中，配水＋石子组和配水＋石子＋污泥组硝态氮含量与试验配水基本保持一致，可以断定，石子和污泥对试验过图１　空白对照试验Ｆｉｇ．１　Ｂｌａｎｋｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｔｒｉａｌｓ００５３期文辉等：不同碳源材料用于污水厂尾水生物反硝化碳源的效果研究程的影响可以忽略不计．配水＋石子＋污泥组在试验刚启动时有过一定的脱氮效果，但是没有持续下去，可能是因为培养的活性污泥在刚参加实验时，存在着一定的活性，可能含有一部分的反硝化细菌，但是这种成分是微量的，很快的消耗完，此时又没有足够的碳源来给其补充能量，因此没有投加碳源的对照组渐渐丧失脱氮的能力，进一步证实了活性污泥作为反硝化菌接种物的可行性．３．２　正交试验的设计影响反硝化作用的因素很多，比如ｐＨ，溶解氧等等，但是考虑到运用到人工湿地的工艺形式上，加酸碱调ｐＨ和控制溶解氧等在工程项目上不是很现实，为了综合考虑各影响因素对工程运行时的影响，因此选取温度、反应时间、进水硝氮浓度和碳源比例这４种因素进行正交试验的设计，选择Ｌ９（３４）正交设计表，见表２．表２　因素水平表Ｔａｂｌｅ２　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ水平因素Ａ温度／℃Ｂ反应时间／ｈＣ进水硝氮浓度／（ｍｇ·Ｌ－１）Ｄ碳源投加量／ｇ１１５１０１５０．５２２５２０３０１３３５３０４５２３．２．１　麦秆为碳源的实验计划表及直观分析表　采用极差法对以麦秆为碳源的实验结果进行分析，表３　麦秆极差直观分析表Ｔａｂｌｅ３　Ｉｎｔｕｉｔｉｏｎｉｓｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｗｈｅａｔｓｔｒａｗ所在列１２３４因素温度／℃反应时间／ｈ进水硝氮浓度／（ｍｇ·Ｌ－１）碳源投加量／ｇ硝氮去除率实验１１５１０１５０．５１０．０４％实验２１５２０３０１４９．４６％实验３１５３０４５２６５．７９％实验４２５１０３０２８８．４３％实验５２５２０４５０．５５５．１５％实验６２５３０１５１５５．６５％实验７３５１０４５１５３．１６％实验８３５２０１５２７１．３９％实验９３５３０３００．５８６．３９％Ｋ１４１．７６３％５０．５４３％４５．６９３％５０．５２７％Ｋ２６６．４１０％５８．６６７％７４．７６０％５２．７５７％Ｋ３７０．３１３％６９．２７７％５８．０３３％７５．２０３％Ｒ２８．５５０％１８．７３４％２９．０６７％２４．６７６％　　注：Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３为不同的影响因子在不同水平下硝氮去除率和的平均值，Ｒ为极差，表明各因子对结果的影响程度．结果表明，在所设４因素３水平正交试验中，使用麦秆作为碳源的去除率变化范围较大，在１０．０４％～８８．４３％之间；相对而言，进水硝氮浓度为显著影响因子，Ｒ（进水硝氮浓度）＞Ｒ（温度）＞Ｒ（碳源比例）＞Ｒ（反应时间），并且４个影响因子差距不大，最优反应条件即：温度为２５℃，反应