剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)物處理方法

隨著(zhù)水體富營(yíng)養化的加劇，國家對氮磷污染的治理越來(lái)越重視，目前，城市生活污水處理主要采用生物脫氮工藝，生物脫氮可通過(guò)反硝化作用將硝態(tài)氮轉化為氮氣排出系統，達到脫氮的目的，該方法雖然可有效提高生物脫氮效率，但會(huì )提高運行成本〔1〕。研究采用剩余污泥經(jīng)乙醇型發(fā)酵后液相產(chǎn)物作為反硝化碳源，與甲醇、生活污水作為反硝化碳源進(jìn)行對比研究，考察了其在反硝化過(guò)程中硝態(tài)氮、COD等變化規律，并對比分析了不同碳源下，反硝化速率的區別。

1試驗材料

1.1反硝化碳源制備
污水廠(chǎng)剩余污泥在5MPa、150℃條件下進(jìn)行高壓熱水解處理30min（剩余污泥取自北京市高碑店污水處理廠(chǎng)二沉池），處理后污泥投加到產(chǎn)酸發(fā)酵反應器，在有機負荷為10.56kg/（m3•d）、溫度為（35±1）℃、pH為4.2~4.6條件下進(jìn)行乙醇型發(fā)酵，最后將發(fā)酵后污泥在5000r/min條件下離心10min，取上清液，經(jīng)測定上清液中COD6634~6876mg/L，VFA為3256~3432mg/L，其中乙酸和乙醇的量占VFA總量的70%以上。

1.2反硝化水質(zhì)
上清液作為反硝化碳源試驗的同時(shí)采用甲醇和生活污水作為碳源與之對比。生活污水為中國地質(zhì)大學(xué)校園生活污水，主要水質(zhì)指標為COD100~250mg/L，NH4+-N22~55mg/L，TN34~69mg/L，TP3~7mg/L。反硝化間歇試驗廢水中碳源分別為上清液（C1）、甲醇（C2）和生活污水（C3），為保證提高對比試驗的說(shuō)服力，通過(guò)投加自來(lái)水、硝酸鉀、磷酸二氫鉀以及供微生物生長(cháng)所需的微量元素，將3種碳源條件下進(jìn)水水質(zhì)控制在表1所示范圍內。

1.3反硝化試驗方法
反硝化試驗裝置由六聯(lián)攪拌機和燒杯組成，攪拌速度控制在70r/min。反硝化污泥取自某城市污水處理廠(chǎng)反硝化池。試驗溫度為（20±2）℃，燒杯中混合液MLSS在3600~3680mg/L，MLVSS在2700~2790mg/L。攪拌5min后每隔一段時(shí)間進(jìn)行取樣分析。為保證試驗的準確性，每種碳源條件下均設3組平行試驗。

1.4設備及試劑
高壓熱水解試驗在型號為GSH-5、有效容積為5L、最高承壓10MPa的高壓反應釜內進(jìn)行；污泥乙醇型發(fā)酵試驗在有效容積為9.0L、帶有攪拌及水浴加熱的有機玻璃裝置內進(jìn)行；反硝化試驗用六聯(lián)攪拌機型號為MY3000-6B。試驗用甲醇、硝酸鉀、磷酸二氫鉀、硫酸鋅、硫酸鎂、硫酸鎳、氯化鐵、硫酸銅均為西隴化工股份有限公司生產(chǎn)的分析純藥劑。

2試驗結果與討論

2.1反硝化過(guò)程分析

2.1.1反硝化過(guò)程硝態(tài)氮變化情況
以C1、C2、C3作為碳源時(shí)，反硝化過(guò)程中NO3--N濃度變化情況如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，反硝化過(guò)程中NO3--N濃度隨著(zhù)反應的進(jìn)行均呈階段性變化，C1、C3作為反硝化碳源時(shí)呈三階段變化，即第一階段為快速反應期，第二階段為低速反應期，第三階段為緩慢反應期，反硝化反應主要發(fā)生在第一階段，C1作為反硝化碳源時(shí)快速反應期為30min，NO3--N由56.23mg/L降至39.05mg/L；C3作為反硝化碳源時(shí)快速反應期為前10min，但此階段NO3--N僅由54.85mg/L降至51.40mg/L，反應進(jìn)行240min后，C1、C3作為反硝化碳源時(shí)NO3--N去除率分別為45.6%和17.9%。而以C2作為反硝化碳源時(shí)，反應杯中NO3--N變化呈現出兩個(gè)階段，即快速反應期和緩慢反應期，快速反應期為前90min，此期間NO3--N由54.21mg/L下降至3.15mg/L；緩慢反應期NO3--N下降速度緩慢，反應240min后降至29.89mg/L。

由圖2可見(jiàn)，3種碳源條件下均出現了NO2--N積累的情況，達到最大值后迅速下降直至消失。C1和C3作為碳源時(shí)，前20min反應杯中NO2--N質(zhì)量濃度達到最大值，分別為4.52、5.76mg/L，遠大于以C2為碳源時(shí)的0.56mg/L。B.H.L.Kelso等〔2,3〕在進(jìn)行反硝化特性研究時(shí)，NO2--N質(zhì)量濃度也發(fā)生了相同的變化趨勢，這是由于NO3--N還原酶與NO2--N還原酶對碳源的競爭導致的，因為C1、C2中可直接利用的溶解性基質(zhì)所占比例遠大于C3，這些溶解性基質(zhì)快速的被反硝化菌所利用，將系統中NO3--N轉化為NO2--N，而此時(shí)NO2--N還原酶不能及時(shí)將生成的NO2--N還原，造成反應初期的NO2--N積累現象，但隨著(zhù)反應的進(jìn)行，碳源中易利用基質(zhì)的比例不斷降低，NO3--N與NO2--N還原量漸趨平衡，系統NO2--N開(kāi)始下降。而C3作為碳源時(shí)，因其溶解性基質(zhì)比例低，故反應杯中NO2--N積累的現象不如C1、C2作為碳源時(shí)明顯。

2.1.2反硝化過(guò)程COD變化情況
C1、C2、C3為碳源條件下，反硝化過(guò)程中COD變化情況如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，COD變化趨勢與NO3--N變化趨勢相似，C1作為反硝化碳源時(shí)，前30min反應杯中COD急速下降，之后下降速度減緩，120min后基本不發(fā)生變化，這是因為C1中富含易被反硝化菌利用的基質(zhì)乙醇和乙酸，反應初期降解速度快，之后隨著(zhù)易降解基質(zhì)含量的減少，不易被降解的碳源開(kāi)始被利用，造成反應30min后COD變化緩慢，反應120min后可被利用基質(zhì)消耗殆盡，反應逐漸轉向內源呼吸階段。以C2為碳源條件下快速反應階段持續至90min，之后反應杯中COD基本沒(méi)有變化，而C3為碳源時(shí)快速反應階段僅持續10min。還可以看出，整個(gè)反應過(guò)程中，系統對C1和C2的利用率差別不明顯，分別為63.8%和66.2%，而對C3的利用率僅為35.1%。由此可見(jiàn)，C1中富含反硝化菌易利用基質(zhì)，可以取代C2作為反硝化外加碳源。

2.23種碳源反硝化速率研究
對于任意反硝化系統，可用下式計算其反硝化速率：

0.6表示還原1gNO2--N為1gN2與還原0.6gNO3--N為1gN2所需要的電子供體數相同，〔C（NO3--N）+0.6C（NO2--N）〕為硝態(tài)氮質(zhì)量濃度（mg/L）。式中：Δt——反硝化時(shí)間，h；

rD——反硝化率，mg/（L•h）。在反硝化過(guò)程中，rD除與環(huán)境條件有關(guān)外，還與進(jìn)水中碳源組分有關(guān)，現定義進(jìn)水碳源中溶解性易利用基質(zhì)為COD(Ss)、顆粒性慢速可利用基質(zhì)為COD(Xs)、內源呼吸基質(zhì)為COD(end)，則：

式中：rD1——基于COD（Ss）、COD（Xs）和COD（end）的反硝化速率，mg/（L•h）；

rD2——基于COD（Xs）和COD（end）的反硝化速率，mg/（L•h）；

rD3——基于COD（end）的反硝化速率，mg/（L•h）；

rD，Ss、rD，Xs、rD，end——COD（Ss）、COD（Xs）、COD（end）為基質(zhì)時(shí)的反硝化速率，mg/（L•h）；

反硝化系統的比反硝化速率可用下式表示：

式中：KD——反硝化系統的比反硝化速率，mg/（g•h)；

XV——反應杯中MLVSS質(zhì)量濃度，mg/L。

2.2.1上清液為碳源的反硝化速率
C1作為碳源時(shí)，反應杯中NO3--N濃度和反硝化速率隨反應時(shí)間的變化情況如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，C1作為反硝化碳源時(shí)，有3條硝態(tài)氮的降解曲線(xiàn)，各階段對應的反應速率如表2所示。

由表2可見(jiàn)，隨著(zhù)反應的進(jìn)行，反硝化速率和比反硝化速率逐漸降低，且第一階段的反硝化速率遠大于第二、三階段。從表中還可看出，系統總反硝化速率與第二階段的反硝化速率接近，說(shuō)明利用C1作為反硝化碳源時(shí)，C1中溶解性易利用基質(zhì)對反硝化反應的進(jìn)行起著(zhù)主要作用，顆粒性慢速可利用基質(zhì)次之，而內源呼吸產(chǎn)物對反硝化作用影響不大。

2.2.2甲醇為碳源的反硝化速率
C2作為碳源時(shí)，反應杯中硝態(tài)氮濃度隨反應時(shí)間的變化情況如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，C2作為反硝化碳源時(shí)，有2條硝態(tài)氮的降解曲線(xiàn)，各階段對應的反應速率如表3所示。

由表3可見(jiàn)，第一階段的反硝化速率和比反硝化速率遠遠大于第二階段，且第一階段的反硝化速率是總反硝化速率2.42倍，說(shuō)明C2中溶解性易利用基質(zhì)決定著(zhù)系統的反硝化反應進(jìn)程。

2.2.3C3作為碳源時(shí)的反硝化速率
C3作為碳源時(shí)，反應杯中硝態(tài)氮濃度隨反應時(shí)間的變化情況如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，與C1作為碳源時(shí)相似，隨反應的進(jìn)行呈現出3條硝態(tài)氮降解曲線(xiàn)，各階段對應的反應速率如表4所示。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

由表4可見(jiàn)，C3作為碳源時(shí)第一階段反硝化速率遠小于C1，其反硝化過(guò)程所消耗碳源以顆粒性慢速可利用基質(zhì)和內源呼吸產(chǎn)物為主。在相同反應條件下，通過(guò)3種碳源下反硝化速率的對比試驗可知，上清液和甲醇作為碳源時(shí)，總比反硝化速率無(wú)明顯區別，分別為2.26、2.23mg/（g•h），是C3作為碳源時(shí)的2.86倍�？梢�(jiàn)，應用上清液代替甲醇作為反硝化系統的外加碳源，同樣可使反硝化系統保持高的反硝化速率，且費用較甲醇低。

3結論
（1）在相同的試驗條件下，采用上清液和生活污水作為反硝化碳源時(shí)，系統反硝化過(guò)程中NO3--N的降解過(guò)程分為三個(gè)階段，而以甲醇作為碳源時(shí)，NO3--N的降解過(guò)程為兩個(gè)階段。（2）采用上清液和甲醇作為反硝化碳源時(shí)，反應初始階段的NO2--N積累現象明顯高于生活污水作為反硝化碳源，但沒(méi)有對反硝化速率造成影響。（3）在相同的試驗條件下，采用上清液代替甲醇作為反硝化系統的外加碳源，可在保持高反硝化速率的同時(shí)降低運行成本。