餐厨垃圾水解酸化液作碳源的脱氮效果研究

中国环境科学2014,34(4)：917~923ChinaEnvironmentalScience餐厨垃圾水解酸化液作碳源的脱氮效果研究李梦露1,蒋建国1,2,3*,张昊巍1(1.清华大学环境学院,北京100084；2.清华大学固体废物处理与环境安全教育部重点实验室,北京100084；3.清华大学区域环境质量协同创新中心,北京100084)摘要：针对餐厨垃圾水解酸化液作外加碳源的反硝化脱氮效果进行研究,考察了人工配水条件下水解酸化液反硝化处理的适宜COD/NO3--N比范围,在适宜COD/NO3--N比条件下与甲醇、乙酸钠的反硝化效果进行对比,并验证了水解酸化液对于生活污水的反硝化效果.结果表明,人工配水条件下利用水解酸化液作碳源的适宜COD/NO3--N比为4.9~6.0,反硝化速率最高可达25.0mgNO3--N/(gVSS·h).反应过程存在2个不同的硝态氮去除速率阶段,并出现了亚硝氮积累.餐厨垃圾水解酸化液为含多种VFA成分的混合物,其反应过程中硝态氮的去除速率比甲醇、乙酸钠等纯物质做碳源时的硝态氮去除速率快.将餐厨垃圾水解酸化液用于生活污水脱氮处理,当COD/NO3--N比为6时,水中的硝态氮以及亚硝氮均能够得到较为彻底的去除.关键词：餐厨垃圾水解酸化液；COD/NO3--N；碳源；生活污水；反硝化脱氮中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2014)04-0917-07Effectofkitchenwastehydrolysisproductsondomesticwastewaterdenitrification.LIMeng-lu1,JIANGJian-guo1,2,3*,ZHANGHao-wei1(1.SchoolofEnvironment,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China；2.KeyLaboratoryforSolidWasteManagementandEnvironmentSafety,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China；3.CollaborativeInnovationCenterforRegionalEnvironmentalQuality,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China).ChinaEnvironmentalScience,2014,34(4)：917~923Abstract：BatchexperimentswerecarriedouttodeterminetheeffectofCOD/NO3--Nratioonsyntheticdomesticwastewaterdenitrificationusingkitchenwastehydrolysisproductsascarbonsource,andcomparisionwasmadebetweenkitchenwastehydrolysisproducts,methanolandsodiumacetatefortheperformanceofdenitrificationattheoptimumCOD/NO3--Nratiorespectively.Then,theeffectofkitchenwastehydrolysisproductsonauthenticdomesticwastewaterdenitrificationwasproved.ForeachexperimentwithdifferentCOD/NO3--Nratio,theconcentrationofnitrate(NO3--N)、nitrite(NO2--N)、ammonianitrogen(NH4+-N)andchemicaloxygendemand(COD)wereinvestigated.COD/NO3--Nratiorangingfrom4.9to6.0wassuitablefordomesticwastewaterdenitrificationusingthekitchenwastehydrolysisproductsascarbonsource,andthehighestdenitrificationratewas25.0mgNO3--N/(gVSS⋅h).Inthedenitrificationprocess,therewere2stageswithdifferentnitrateremovalrateaswellasobviousnitriteaccumulation.Theself-madekitchenwastehydrolysisproductsconsistedofvariousVFAs,andthedenitrificationratewashigherforthekitchenwastehydrolysisproductscomparedwithpuresubstancessuchasmethanolandsodiumacetate.TheutilizationofkitchenwastehydrolysisproductsascarbonsourceforauthenticwastewaterdenitrificationwasprovedtobeattheoptimalsituationwhentheCOD/NO3--Nratioof6wasachieved.Attheoptimalsituation,theremovalofnitrateandnitritewasexhaustive.Keywords：kitchenwastehydrolysisproducts；COD/NO3--N；carbonsources；domesticwastewater；denitrification随着我国居民生活水平的不断提高,餐厨垃圾的产生量不断增加.餐厨垃圾具有有机物含量高、容易腐败等特点,具有潜在的较高利用价值[1].餐厨垃圾水解酸化液是对餐厨垃圾进行厌氧消化的水解酸化阶段产生的发酵产物,其主要成分为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等挥发性脂肪酸(VFA)[2].餐厨垃圾水解酸化液具有有机物含量高、可生化性好、价格低廉、无毒害作用等特点[3-4],若采用其作为污水处理厂的反硝化碳源,不仅可以调节污水厂碳氮比,提高脱氮效率,还可收稿日期：2013-07-28基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07301-001)*责任作者,教授,[e-mail]918中国环境科学34卷解决因采用甲醇作碳源而造成的毒性高、处理成本昂贵等问题[5-6],既可满足污水厂对于外加碳源的需求,也可对餐厨垃圾进行有效处理.目前,国内外已有较多学者利用纯VFA物质或多种混合VFA作碳源进行反硝化实验,得到的实验结果表明,与广泛使用的甲醇、葡萄糖等碳源相比,VFA具有较好的反硝化性能,且碳氮比是影响反硝化性能较为关键的因素[7-9].若碳氮比较低,则污水中的氮素难以通过反硝化过程得到完全去除,但若加入的碳源过多,不仅会造成出水COD超标,还会使异化硝酸盐还原生成铵盐的途径占优[10-11].但这些实验中使用的碳源组成较为单一,且其价格昂贵,用于污水厂碳源成本较高.国外学者[3,12]对高浓度污水进行水解酸化,利用成分较为复杂的酸化液进行反硝化实验,结果表明,污水水解酸化生成的VFA混合物也具有较好的利用潜能,但与餐厨垃圾水解酸化液相比[13-14],酸化液中VFA浓度较低,会增加其在反硝化时的使用量,提高污水厂运行成本.尽管目前国内外已有利用餐厨垃圾水解酸化液进行反硝化脱氮处理的研究[15-16],但其并未对水解酸化液作碳源的适宜碳氮比进行探讨,也没有利用其对真实的生活污水开展实验.本研究以餐厨垃圾水解酸化液作为外加碳源,探究其在人工配水条件下的适宜COD/NO3--N范围,并与甲醇、乙酸钠等传统外加碳源相比较;利用餐厨垃圾水解酸化液对生活污水进行反硝化脱氮实验,验证餐厨垃圾水解酸化液在生活污水中的反硝化效果,为其在污水厂脱氮处理中的应用提供依据.1材料与方法1.1实验材料人工配水实验阶段,以餐厨垃圾水解酸化液作为外加碳源,反硝化过程所需的有机物均来自水解酸化液.同时在配水中加入氮源,浓度约为35mg/L(以氮计).并加入磷源、钙源、镁源以及微生物生长所需要的Fe、Zn、Cu、Mn、I等各类微量元素.加入的物质与其浓度(mg/L)分别为:餐厨垃圾水解酸化液,140~220(以COD计,mg/L);KNO3,约35(以氮计);KH2PO4,3(以磷计);CaCl2,3.80;MgSO4,17.5;FeCl3,0.90;CuSO4,0.02;MnSO4,0.10;H3BO3,0.08;KI,0.41.实际生活污水取自北京市肖家河污水厂的进水,其中硝态氮浓度小于1mg/L,亚硝氮浓度接近于零,氨氮的浓度为20~32mg/L,COD为182~279mg/L.实验所用污泥为北京市清河污水厂的好氧污泥.污泥放入反应器中进行驯化.在COD/NO3--N为5的条件下,以水解酸化液作为COD碳源,每天进行2次反硝化处理循环.持续观察硝态氮去除率的变化曲线,待硝态氮去除率达到稳定状态,即可开始间歇性反硝化实验.实验所用水解酸化液来源于餐厨垃圾厌氧水解过程产物,水解酸化液中各VFA组分及浓度(g/L)为:乙醇,1.3;乙酸,15.9;丙酸,15.8;异丁酸,0.48;丁酸,10.12;异戊酸,0.91;戊酸,1.79.水解酸化液各指标浓度(g/L)如下:COD,92.5;氨氮,1.415;硝态氮,0.31.水解酸化液的制备条件及过程参考文献[13].1.2实验装置实验装置为有机玻璃制成,外径20cm,有效容积为9L.在器壁的上、中、下端分别设置4个取样口.采用鼓风曝气,空气压缩机产生的气体经过安装在反应器底部的多孔扩散器进行溶解氧供给.采用机械搅拌器对反应器进行搅拌,保证了反应过程泥水混合液的均匀.装置示意图如图1所示.进水线排水线搅拌器压缩空气图1装置示意Fig.1Schematicdiagramofexperimentalsystem4期李梦露等：餐厨垃圾水解酸化液作碳源的脱氮效果研究9191.3实验方法研究COD/NO3--N比对反硝化效果的影响的实验中,采用人工配置的污水进行反硝化实验.实验每个周期为5h.反应开始时一次性加入相应的碳源,反应阶段为4h,随后进行1h的沉淀、换水,每次排水为总水量的一半即4.5L.首先在COD/NO3--N比为4.0~6.3之间确定水解酸化液适宜的碳氮比范围,随后观察在适宜碳氮比范围内水解酸化液的反硝化过程.实验温度为常温,反应器中污泥浓度维持在VSS=2800mg/L左右.前半小时每隔10min取1个样,30~60min期间每隔15min取一个样,1h至反应结束期间每隔30min取一个样.测定系统COD、NO3--N、NO2--N、NH4+-N浓度变化,对比不同外加碳源的反硝化特性.利用水解酸化液对生活污水进行实验时,曝气、厌氧、沉淀与排水进水的时间分别为16,6,2h.首先将生活污水加入到反应器中,通过曝气将氨氮、有机氮转化为硝态氮.随后停止曝气,加入外加碳源调节污水中的C/N,即开始反硝化反应.反硝化阶段反应前1.5h每15min取样1次,1.5h之后则每1h取样1次.测定SBR反应器中NO3--N、NO2--N、NH4+-N浓度变化.1.4分析方法MLSS、MLVSS采用重量法测定.COD、NO3--N、NO2--N、NH4+-N通过滤纸过滤后进行测定.其中,COD以重铬酸钾法测定,NO3--N、NO2--N、NH4+-N分别以紫外分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法以及纳氏试剂光度法进行测定.实验中的反硝化速率通过计算反应快速阶段中单位时间单位污泥浓度的硝酸盐去除速率得出.2结果与讨论2.1COD/NO3--N比对水解酸化液反硝化效果的