低碳氮比污水外加碳源生物脱氮技术研究进展_方远航

低碳氮比污水外加碳源生物脱氮技术研究进展方远航(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168)摘要:针对低碳氮比生活污水脱氮效率低下、效果不理想的问题，文中介绍包括小分子有机物、大分子有机物、以纤维素为主的天然材料、人工合成的高分子材料及修饰天然材料所得新型材料等外加碳源辅助生物脱氮技术，并对各种外加碳源的不足进行阐述。关键词:低碳氮比;外碳源;生物脱氮;反硝化中图分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:1004－7948(2017)02－0013－03doi:103969/j．issn．1004－7948．2017．02．003引言早期污水处理厂多是重点考虑化学需氧量的去除，而没有脱氮功能，即便是北美、日本、欧盟等发达国家，城镇综合污水中的有机物经二级生化处理后，去除率可达到95%以上，然而氮的去除率仅为30%，磷的去除率则更少［1］，出水中氮、磷的含量依旧较高。随着2015年4月2日“水十条”的正式发布，对污水厂出水总氮浓度提出了更严格的要求，各地也积极实施对污水厂的升级改造。然而污水的脱氮过程主要是由反应器内的微生物完成的，影响微生物处理效率的因素很多，其中有机碳浓度以及温度是影响反硝化脱氮过程的主要因素。北方地区冬季污水处理厂的运行结果表明，碳源不足是碳氮比污水的反硝化脱氮的技术瓶颈，随着有机碳浓度及温度的降低，反硝化过程受到很大的冲击，直接影响出水水质［1］。若在寒冷地区采用传统的硝化－反硝化工艺处理低碳氮比城市综合污水，因碳源不足以及低温将严重影响反硝化过程，使得出水氮含量严重超过排放标准，这种出水排放到自然水体后，将给藻类提供大量营养物质，使得水中浮游生物迅速增殖，溶解氧浓度降低，其他水生生物死亡，最终导致水体富营养化事件暴发，破坏自然水体的生态平衡［3－4］。因此，如何提高寒冷地区的低碳氮比污水总氮去除率已成为国内外研究的热点。目前，大多采用外加碳源以提高污水中碳氮比，以期达到良好的脱氮效果。外加碳源种类主要包括:小分子有机物、大分子有机物、以纤维素为主的天然材料、人工合成的高分子材料及修饰天然材料所得新型材料。1小分子有机物甲醇、乙酸、乙酸钠等小分子物质易被微生物利用，因此在污水脱氮工艺中常常被用作外加碳源。英国建立的欧洲第一座饮用水生物脱氮厂就以甲醇为碳源［5］，在10℃条件下最大脱氮速率达到160gN/(m3·h)。阎宁［6］以葡萄糖和甲醇的对比研究发现，以葡萄糖为碳源的反硝化速率仅是以甲醇为碳源的1/3。Mohseni-Bandpi［7］等在研究地下水中硝氮氮的去除时，外加碳源分别选用甲醇、乙醇和乙酸。研究表明:当进水硝态氮为76mg/(m2·h)时，硝氮氮的去除率分别为93%、91%和98%。碳源分子越小，越易被反硝化菌利用，脱氮效果就越好。因此实际污水处理中多采用小分子有机物作为外加碳源。但甲醇、乙醇、乙酸等物质易引起有一定的毒害等问题，而且液体的运输成本较高［8］，另外投加量不当易造成有机物的二次污染。2大分子有机物大分子物质如葡萄糖、蔗糖等均属于常见的化工原料，成本相对较低，也可作为反硝化微生物的碳源。谭佑铭［9］等以乙酸、蔗糖和葡萄糖作为碳源进行反硝化系统脱氮研究表明，当进水硝氮氮为55mg/L时，3种物质作为碳源时的脱氮效果均较好，硝氮氮去除率均达到96%以上。Lorrain［10］等—31—2017年第2期(总第413期)节能ENEＲGYCONSEＲVATION利用蔗糖、醋酸盐和乙醇作为碳源，对反硝化系统的脱氮效果进行研究，试验表明使用蔗糖作为碳源时的反硝化速率为0.6～0.9mg/(L·d)，而醋酸盐和乙醇作为碳源时的反硝化速率达到1.4～1.6mg/(L·d)。由于甲醇等物质的毒性大、运输成本高，蔗糖等大分子有机物易引起工艺中的管道堵塞;而且液体碳源的投加需要复杂的投加控制系统，投加过量将增加运行成本和出水有机物超标，投加不足则会使反硝化过程进行不完全，出水存在亚硝氮积累现象，这些都是进一步开发利用中急需解决的问题。3以纤维素为主的天然材料纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，分子式为(C6H10O5)n，纤维素类物质是植物细胞壁的主要成分，容易获得。目前作为固体缓释碳源进行研究的天然物质主要有木屑、麦秆、稻壳、棉花、稻草、花生壳等。WillieJonesB［11］等以木屑和麦秆作为缓释碳源与Kaldnes塑料颗粒处理高氮废水的效果进行比较。试验表明利用麦秆和木屑作为缓释碳源时的反硝化速率分别达到(1360±80)gN/(m3·d)和(1360±40)gN/(m3·d)，而塑料颗粒的反硝化速率为(1330±70)gN/(m3·d);出水中并没有发现氨氮，同时亚硝氮浓度约为2.0mg/L。