城镇污水处理厂外加商业碳源的选择

全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-314江苏无锡2010年7月城镇污水处理厂外加商业碳源的选择孙永利1，许光明2，游佳1，郑兴灿1，陈轶1（1.国家城市给水排水工程技术研究中心，天津300074；2.常州市排水管理处，江苏常州213017）摘要：对以乙酸（钠）、葡萄糖和白砂糖作为碳源强化污水处理厂生物反硝化脱氮的效果进行了实验研究。结果表明，在一定条件下，三种物质在强化生物反硝化能力，提高总氮去除率方面均具有明显效果，但其反应时间和反应速率有所不同，以乙酸（钠）为碳源时的反应速率约为以葡萄糖和白砂糖为碳源时的2倍，而同等COD当量时的有效反应时间约为葡萄糖和白砂糖的一半。关键词：污水处理厂；外加碳源；强化反硝化生物脱氮除磷所需碳源不足是我国城镇污水处理厂的共性问题，根据2008年对785座城镇污水处理厂的统计分析，进水BOD/TKN低于4的污水处理厂高达515座，低于3的达337座，绝大多数城镇污水处理厂的碳源不能满足脱氮除磷所需。与此同时，随着排放标准的进一步提高，碳源不足生物系统氮磷稳定去除的影响更加突出，大量污水处理厂存在出水氮磷不达标或不能同时达标的问题，如何在充分挖掘内部碳源的同时，合理选择外部碳源，成为众多污水处理厂需要面对的一个问题。1试验原理与方法1.1试验碳源选择污水处理厂外加碳源时，不仅要考虑其经济成本和效益问题，同时需要兼顾碳源本身的安全性，以及在生物池内的实际有效停留时间等因素。作为一种生物系统，污水处理厂所需碳源的选择应遵循以下原则：①有机物本身容易生物降解，易被反硝化细菌利用，不存在残留物对后续出水达标造成不利影响的问题；②反应速度足够快，确保所投加的碳源尽量在厌缺氧功能区内消耗尽，避免增加后续曝气系统的负担，增加运行成本；③不会对系统内的微生物种群类型和含量造成影响，避免投加碳源前后出现微生物的短暂适应性问题；④价格便宜，安全性好，不存在安全隐患，且易于投加、保存和运输，可就近获得；⑤如周边有啤酒生产、食品加工等工业废水时，也可适当放宽上述要求，考虑作为碳源使用，但其前提是所投加工业废水具有较高的碳氮磷比例，不能额外增加生物系统氮磷负担。结合以上原则，课题组初步确定，甲醇和乙醇等液态物质，存在储存和运输方面的问题；作为一种易燃易爆和对人体有害的危险品，不适合用于居民区相对集中的城镇污水处理厂；其过量使用容易导致亚硝酸盐浓度积累，对生物系统造成不利影响，因此没有对甲醇和乙醇类物质的反国家科技支撑计划资助（2006BAC19B05）全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-315江苏无锡2010年7月硝化特性进行研究。部分文献也报道了淀粉等物质经厌氧发酵后作为污水处理厂碳源的试验结果，但基于淀粉为多糖结构，水解为小分子脂肪酸所需的时间长，且在水中的溶解性差，不易完全溶于水，容易造成残留和污泥絮体偏多等问题，也不在本试验研究选取的碳源内，为此本课题首先选择了乙酸（钠）、葡萄糖（单糖）和白砂糖（二糖）进行了相关的研究。1.2泥样与泥样预处理试验用活性污泥取自江苏省某A2/O工艺城镇污水处理厂回流污泥。该厂近三年来的进水水质分析结果表明，污水处理厂原水存在严重的碳源不足问题，其BOD5/TKN常年处于3以下水平，日均值大于3的时段不超过20%，且季节性变化明显，冬季的BOD5/TKN高于夏季。高排放标准使碳源投加成为后期该厂的必然选择。考虑回流污泥中存在的溶解氧可能会对所投加碳源的使用情况造成不利影响，通常需先对回流污泥进行搅拌，使DO降低至0.5mg/L以下后才开始碳源实验。1.3试验装置与分析方法碳源实验采用静态模拟实验方式，使用课题组自行研制的类似于传统搅拌器形式的大容量，可调速螺旋浆式四联搅拌器，反应器最大容积10L。一定量的碳源与回流污泥同步投加后连续搅拌，按一定间隔取样，并测定上清液硝酸盐氮浓度的变化趋势，绘制变化曲线。同步测定不投加任何碳源情况下，回流污泥自身的反硝化能力作为对比。2试验结果与讨论2.1乙酸钠强化反硝化实验取低溶解氧回流污泥6L，加入0.3g（50mg/L，折合COD当量30mg/L）乙酸钠后搅拌并连续取样测定混合液NO3--N的变化趋势，计算乙酸钠作碳源的反硝化速率，同期测定不投加任何碳源情况下的内源反硝化速率作对比。0.251015y=-0.0481x+10.111R2=0.9991y=-0.1822x+10.225R2=0.9999y=-0.0764x+8.0428R2=0.995012345678910110306090120150180时间（min）NO3--N浓度（mg/L）不添加碳源添加乙酸钠T=26℃MLSS=3.033g/L图1乙酸钠作外碳源的反硝化速率曲线从乙酸钠作外碳源的反硝化速率曲线不难看出，乙酸钠投加到生物系统后，对强化系统生物脱氮功能，提高TN去除率具有明显的作用。与无任何外加碳源的单纯内源反硝化相比，投加乙酸钠后不仅使生物降解有机物的反硝化速率提高，而同时也进一步提升了内源反硝化速率。试验全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-316江苏无锡2010年7月条件下，回流污泥不投加任何外加碳源时的反硝化速率为1.36mgNO3--N/(gVSS·h)，而投加乙酸钠时表现出的反硝化速率达到5.15mgNO3--N/(gVSS·h)，接近于不投加碳源情况下的4倍；而且投加乙酸钠后，可能是基于污泥表面吸附碳源的问题，后续的内源反硝化速率也有所提升，达到2.16mgNO3--N/(gVSS·h)，总体上强化了生物脱氮效果。2.2葡萄糖强化反硝化实验取低溶解氧回流污泥6L，加入0.2g（33mg/L，折合COD当量30mg/L）葡萄糖，搅拌并连续测定混合液NO3--N的变化趋势，计算葡萄糖作碳源的反硝化速率，同期测定不投加任何碳源情况下的内源反硝化速率作对比。y=-0.0481x+10.111R2=0.9991y=-0.0963x+10.067R2=0.9994y=-0.0586x+8.125R2=0.996012345678910110306090120150180时间（min）NO3--N浓度（mg/L）不添加碳源添加葡萄糖T=26℃MLSS=3.033g/LMLVSS=2.123g/图2葡萄糖作外碳源的反硝化速率曲线图中曲线可以看出，葡萄糖投加到回流污泥中，也表现出了与乙酸钠投加过程中类似的强化生物反硝化脱氮功能，只是葡萄糖强化生物脱氮的反硝化速率仅为2.72mgNO3--N/(gVSS·h)，低于乙酸钠投加时的速率，而其第二段速率（1.66mgNO3--N/(gVSS·h)）也低于乙酸钠投加时的速率。但是，葡萄糖投加时第一阶段持续的时间约达到50min，远高于乙酸钠的有效作用时间。2.3白砂糖强化反硝化特征同样取回流污泥6L，加入0.2g（33mg/L，折合COD当量30mg/L）白砂糖，连续搅拌取样，并绘制反硝化曲线，以无碳源情况下的反硝化曲线作对比。y=-0.0481x+10.111R2=0.9991y=-0.0915x+10.211R2=0.9978y=-0.0534x+8.5955R2=0.9969012345678910110306090120150180时间（min）NO3--N浓度（mg/L）不添加碳源添加白糖T=26℃MLSS=3.033g/LMLVSS=2.123g/L图3白砂糖作外碳源的反硝化速率曲线与乙酸钠和葡萄糖强化生物脱氮效果一样，将一定比例的白砂糖投加到回流污泥后，系统的全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-317江苏无锡2010年7月反硝化能力同样有所提高，其中白砂糖投加所表现出的第一阶段和第二阶段反硝化速率分别为2.45和1.48mgNO3--N/(gVSS·h)，普遍低于葡萄糖的数据，曲线拟合的持续时间为50min，与葡萄糖的基本相当。2.4三种碳源试验结果对比为进一步验证试验结论，课题组又进行了多次对比试验，选择其中两次试验结论对三种外加碳源的反硝化性能进行了对比分析，分析结果见表1所示。表1三种外加碳源的反硝化特征分析无碳源乙酸钠葡萄糖白砂糖试验批次与结论12121212碳源投加量（mg/L）--505033333333COD当量（mg/L）--303030303030一阶段速率mg/(gVSS·h)1.361.535.155.552.722.582.452.82一阶段时间（min）--202050505040二阶段速率mg/(gVSS·h)--2.162.771.661.981.481.98一阶段单位投加量的去除增量（mg/mg）0.0480.0260.0700.0450.0500.050一阶段单位COD的去除增量（mg/mg）0.0800.0430.0770.0500.0600.050注：以上试验所投加碳源的COD当量均为30mg/L从上述两个批次不同碳源之间的对比分析不难发现，由于所采用污泥浓度、试验温度等因素的影响，不同试验批次数据之间的试验结论有细微差别，但总体趋势趋于一致。从三种碳源的反硝化特征数据分析不难看出：①对于不同的泥样和试验批次，不投加碳源时的反硝化速率越高，一阶段（强化段）单位碳源投加量的NO3--N去除量和单位COD投加量的NO3--N去除量越低，也即污泥自身的内源反硝化能力越强，外碳源强化反硝化的效果越不明显，这一试验结论对外碳源投加点的选择具有一定的指导意义；②在相同COD投加当量的情况下，乙酸钠强化反硝化的速率明显高于葡萄糖和白砂糖，而葡萄糖则略高于白砂糖，也就是说小分子链碳源的反硝化速率明显高于大分子链，但葡萄糖和白砂糖的强化反应所持续时间比乙酸钠长。对于反硝化反应区停留时间较短的生物系统，以上结论可以作为碳源选择和投加量确定的重要依据；③由于具有相对较长的持续时间，葡萄糖和白砂糖在强化反硝化阶段表现出的单位COD的NO3--N去除增量与乙酸钠基本相当；但由于乙酸钠的COD当量相对较低，单位乙酸钠投加量的NO3--N去除增量则明显低于葡萄糖和白砂糖；④投加三种碳源后，试验均表现出第二阶段反硝化速率高于不投加任何碳源情况下的反硝化速率，这可能与外加碳源的吸附－释放有关，在厌/缺氧停留时间相对较长的生物系统中，第二阶段停留时间的增量也应考虑在内。3结论①在一定条件下，乙酸（钠）、葡萄糖和白砂糖均可作为外部碳源，用于提高污水处理厂生全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-318江苏无锡2010年7月物系统的反硝化能力。②乙酸钠强化反硝化表现出的速率通常为葡萄糖和白砂糖的2倍，但持续的有效时间通常仅为葡萄糖和白砂糖的一半。③在反硝化停留时间充足的情况下，乙酸钠、葡萄糖和白砂糖表现出基本相当的强化反硝化特征，每投加1mg/L的碳源，通常可以增加0.05mg/L左右的NO3--N去除量。④由于目前大多数污水处理厂的外部碳源的投加区域都含有原水投加，因此其成分与反应特征更加复杂，碳源的投加量与投加效果需要通过试验进一步验证。参考文献：[1]H.CONSTANTINandM.FICK.InfluenceofC-SourcesontheDenitrificationRateofaHigh-NitrateConcentratedIndustrialWastewater.Wat.,Res.,Vol.31,No.3,583-589[2]杨跃,张金松,黄文章,尤作亮.CBAF对污水厂二级出水的脱氮性能研究.中国给水排水,2007,23(23),63-66[3]李基东.反硝化脱氮补充碳源选择与研究.同济大学硕士学位论文，2007[4]邵留,徐祖信,尹海龙.污染水体脱氮工艺中外加碳源的研究进展.工业水处理,2007,27(12):10-14E-mail：[e-mail]电话：[phone]