新型復(fù)合碳源去除公園廢水中硝酸鹽的研究
在城市污水處理植物總氮去除工藝的選擇中，生物脫氮是目前經(jīng)濟(jì)有效的方法。在越來越嚴(yán)格的總氮排放標(biāo)準(zhǔn)下，污水中的有效碳源已成為總氮去除的主要限制因素，尤其是低碳氮比(C/N)的工業(yè)廢水，其C/N比一般為2 ~ 3。對(duì)于這類廢水，投加碳源是提高總氮去除率，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放的直接有效途徑。隨著總氮排放限值的逐步降低，對(duì)碳源的需求增加，也刺激了新型碳源的研發(fā)。
目前，外源碳源主要是甲醇、乙醇、乙酸鈉、葡萄糖等液態(tài)有機(jī)物，其中乙酸鈉和甲醇碳源應(yīng)用較為廣泛。前者具有易利用、響應(yīng)快、脫氮效果好等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，污泥產(chǎn)量高。后者運(yùn)行費(fèi)用低，污泥產(chǎn)量小，但反應(yīng)時(shí)間慢，應(yīng)急加藥效果往往較差，且有毒。長(zhǎng)期作為碳源，對(duì)尾水排放有一定影響。隨著總氮排放限值越來越嚴(yán)格，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，從外界輸入的碳源量大大增加，運(yùn)行成本增加。近年來，新型碳源的開發(fā)越來越受到重視，包括初沉污泥和剩余污泥的水解產(chǎn)物、玉米秸稈的有機(jī)質(zhì)浸出液、木屑固體的緩釋碳源等。
本研究采用一種新型復(fù)合碳源作為外加碳源去除工業(yè)廢水中的硝酸鹽。新碳源由玉米秸稈多步生物發(fā)酵獲得，其主要成分為各種單糖、斷鏈醇/酸。同時(shí)添加了一些微生物促進(jìn)劑和益生菌因子，有利于微生物的生長(zhǎng)。本研究以工業(yè)上常用的乙酸鈉碳源為對(duì)照，實(shí)驗(yàn)研究了新型復(fù)合碳源與乙酸鈉碳源的硝酸鹽去除性能差異，并在天津某工業(yè)園區(qū)水處理廠進(jìn)行了工程應(yīng)用驗(yàn)證，以進(jìn)一步確定新型復(fù)合碳源在實(shí)際工程應(yīng)用中的總氮去除效果。
1.測(cè)試零件
1.1廢水質(zhì)量
表1顯示了天津某工業(yè)園區(qū)的主要水質(zhì)參數(shù)以及相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的比值?？梢钥闯?，B/C值為0.299，基本可以滿足生物處理的要求。C/N值為8.80，而B/N值為2.63。為了滿足脫氮的要求，B/N值一般大于5。為了滿足TN的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要額外的可降解碳源來滿足TN去除的要求。
1.2測(cè)試方法
實(shí)驗(yàn)裝置:采用兩個(gè)攪拌速度可調(diào)的六聯(lián)攪拌反應(yīng)器，同時(shí)測(cè)試兩種碳源(新型復(fù)合碳源和乙酸鈉碳源)對(duì)反硝化過程的影響。
試驗(yàn)流程:從a 污水處理廠A2/O工藝缺氧池末端取一定量的泥水混合物，加入一定量的硝酸鹽，配制含有一定濃度硝態(tài)氮的試驗(yàn)原液。試驗(yàn)時(shí)，將原液的1L加入兩個(gè)六聯(lián)攪拌器的六個(gè)反應(yīng)器中，然后一組六聯(lián)反應(yīng)器加入對(duì)照組的乙酸鈉碳源，另一組六聯(lián)反應(yīng)器加入試驗(yàn)組的新復(fù)合碳源。加入碳源后，開始計(jì)時(shí)，以相同的反應(yīng)時(shí)間間隔取樣檢測(cè)。
1.3項(xiàng)目測(cè)量和方法
反應(yīng)前、反應(yīng)后和反應(yīng)過程中的水樣過濾后，取濾液測(cè)定水中的硝態(tài)氮(NO3-N)濃度，檢測(cè)方法為紫外分光光度法(HJ/T346—2007)。
不同時(shí)間間隔的NO3-N去除量按下式計(jì)算:
2.結(jié)果和討論
2.1轉(zhuǎn)速的影響
為了消除兩個(gè)六聯(lián)攪拌反應(yīng)器和攪拌強(qiáng)度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，首先考察了攪拌速度對(duì)反硝化脫氮的影響。試驗(yàn)條件:新型復(fù)合碳源濃度為200mg/L，乙酸鈉濃度為200mg/L，反應(yīng)時(shí)間為3h，在泥水混合物中加入NO3-N10mg/L。改變轉(zhuǎn)速為20、40、60、80、100和120rpm，分析轉(zhuǎn)速對(duì)硝酸鹽氮去除的影響。測(cè)試結(jié)果如圖1所示。
從圖1可以看出，對(duì)于新型復(fù)合碳源轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，在20 ~ 60 rpm范圍內(nèi)，NO3-N的去除量隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，這主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)速的增加有利于微生物與碳源和硝酸鹽的充分接觸，從而增加了NO3-N的去除量，當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加到120rpm時(shí)，NO3-N的去除量隨著轉(zhuǎn)速的增加而減少。一方面可能是轉(zhuǎn)速提高導(dǎo)致微生物聚集體解體，影響了微生物的活性；另一方面，轉(zhuǎn)速的提高導(dǎo)致進(jìn)入反應(yīng)器的空氣中的富氧率增加，導(dǎo)致水中的溶解氧增加，導(dǎo)致微生物以氧氣為電子載體，從而影響NO3-N的去除，因此，對(duì)于新的復(fù)合碳源，確定儀器轉(zhuǎn)速為60rpm。
對(duì)于醋酸鈉碳源的轉(zhuǎn)速測(cè)試，從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，NO3-N的去除量逐漸減少。雖然在20rpm下的去除速率略高于在40rpm下的去除速率，但是可以清楚地觀察到在20rpm下混合溶液沒有均勻混合。因此，醋酸鈉轉(zhuǎn)速試驗(yàn)下的儀器轉(zhuǎn)速確定為40rpm。
2.2反應(yīng)時(shí)間的影響
試驗(yàn)條件:新型復(fù)合碳源200mg/L，醋酸鈉200mg/L；采樣時(shí)間間隔分別為30、60、120、180和240min，考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)NO3-N去除的影響。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。
從圖2可以看出，對(duì)于乙酸鈉碳源和新型復(fù)合碳源，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，在3小時(shí)之前，NO3-N的去除量隨著反硝化時(shí)間的增加而逐漸增加，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在3 ~ 4小時(shí)之間時(shí)，NO3-N的去除量變化不大。因此，反應(yīng)時(shí)間確定為3h。
2.3碳源濃度的影響
實(shí)驗(yàn)條件:固定反應(yīng)時(shí)間為3h，考察了碳源濃度對(duì)硝酸鹽去除的影響。首先，基于200mg/L新型復(fù)合碳源，考察了220mg/L、240mg/L、260mg/L新型復(fù)合碳源對(duì)NO3-N的去除量之間的關(guān)系。然后，基于200mg/L乙酸鈉碳源，新復(fù)合碳源的以下濃度為120、140和110。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
從圖3可以看出，對(duì)于新型復(fù)合碳源和乙酸鈉碳源，NO3-N的去除量隨著碳源濃度的增加而線性增加。在200mg/L的新型復(fù)合碳源下，NO3-N的去除量為4.79mg/L，而去除等量NO3-N所需的乙酸鈉濃度為270mg/l。同樣，當(dāng)乙酸鈉濃度為200mg/L時(shí)，NO3-N的去除量為3.34mg/L，而在獲得相同NO3-N去除量的前提下，所需的新復(fù)合碳源濃度僅為140mg/L，其他新復(fù)合碳源濃度與乙酸鈉濃度在相同NO3-N去除量下的對(duì)應(yīng)關(guān)系可由圖3得到。見表2。從表中可以看出，與乙酸鈉碳源相比，在去除相同量NO3-N的情況下，新型復(fù)合碳源可以節(jié)約30%。
2.4硝酸鹽濃度的影響
試驗(yàn)條件:固定反應(yīng)時(shí)間為3小時(shí)，兩種碳源濃度為200mg/L時(shí)，考察原液中不同硝酸鹽濃度對(duì)硝酸鹽去除的影響。測(cè)試結(jié)果如表3所示。
從表3可以看出，當(dāng)新的復(fù)合碳源濃度為200mg/L時(shí)，改變?cè)褐械南跛猁}濃度并不改變硝酸鹽去除量。在8.64～15.60mg/L范圍內(nèi)，硝酸鹽去除量為6.24±0.14mg/L，而當(dāng)原液中硝酸鹽濃度為5.75mg/L時(shí)，硝酸鹽去除量為4.82mg/L。發(fā)現(xiàn)硝酸鹽濃度在9.05 ~ 15.40 mg/L范圍內(nèi)，硝酸鹽去除量為4.14±0.26，從表3可以看出，在相同碳源濃度下，與乙酸鈉碳源相比，新型復(fù)合碳源的硝酸鹽去除量可以提高50%。
2.5工程應(yīng)用
在天津某綜合工業(yè)園污水處理廠，比較了新型復(fù)合碳源和乙酸鈉碳源分別作為外碳源時(shí)總氮的去除效果。該廠生化處理工藝為A2O工藝，在缺氧池中添加碳源，選擇運(yùn)行條件基本相同的兩個(gè)系列(處理能力為10000m3/d)進(jìn)行工程應(yīng)用效果對(duì)比。實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段。A階段新復(fù)合碳源用量為乙酸鈉用量的70%，即節(jié)約用量30%，實(shí)驗(yàn)持續(xù)33天。在B階段，新的復(fù)合碳源的用量進(jìn)一步減少醋酸鈉用量的50%，實(shí)驗(yàn)持續(xù)20天。比較結(jié)果如圖4所示。
從圖4中可以看出，在階段A中，當(dāng)使用新的復(fù)合碳源作為外碳源時(shí)，二沉池出水中的總氮濃度大多低于乙酸鈉碳源，這表明新的復(fù)合碳源的投加量仍有下調(diào)的空間。實(shí)驗(yàn)B階段，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，以新型復(fù)合碳源為碳源時(shí)，二沉池出水總氮比乙酸鈉碳源少5天，僅占23.8%。因此可以推斷，在去除相同量硝酸鹽的情況下，新復(fù)合碳源的節(jié)約量最好控制在50%以內(nèi)。
3.結(jié)論
本研究通過靜態(tài)試驗(yàn)比較了新型復(fù)合碳源和傳統(tǒng)乙酸鈉碳源對(duì)硝酸鹽氮的去除效果，并對(duì)工程應(yīng)用效果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明:
①在靜態(tài)試驗(yàn)中，獲得相同的硝酸鹽去除量時(shí)，新型復(fù)合碳源比乙酸鈉碳源可節(jié)約30%。在相同碳源濃度下，新型復(fù)合碳源比乙酸鈉碳源能多去除50%的硝酸鹽。
②在實(shí)際工程應(yīng)用中取得的效果優(yōu)于靜態(tài)試驗(yàn)。如果用新型復(fù)合碳源替代傳統(tǒng)的乙酸鈉碳源，預(yù)計(jì)額外的碳源將節(jié)省40%左右。(來源:天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院、天津TEDA新水源科技發(fā)展有限公司、天津TEDA水業(yè)有限公司)
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標(biāo)簽: 新型復(fù)合碳源去除園區(qū)廢水中的硝酸鹽