反硝化脱氮碳源研究现状

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第34卷第8期　　　　　　　　　　Vol. 34No. 8山西建筑　　　　　　　　　　　　　　　　　　2008年3月Mar. 　2008SHANXI 　ARCHITECTURE

文章编号:100926825(2008) 0820008202

反硝化脱氮碳源研究现状3

李基东

摘　要:针对目前我国污水处理厂存在的脱氮碳源不足的问题, 提出了以纤维素为主的固体碳源、污泥水解产生的挥发

性脂肪酸以及有机工业废水等新型碳源, 并探讨了这几种新型碳源的研究现状, 为提高脱氮效率提供了依据。关键词:碳源, 反硝化, 有机物, 脱氮, 硝酸盐中图分类号:X703文献标识码:A

　　2006年,27个国控重点湖库中, 劣Ⅴ类水质湖(库) 13个, 占

48%。其中, 太湖、滇池和巢湖水质均为劣Ⅴ类, 主要污染指标为总氮和总磷。氮化合物的主要危害表现为氨氮消耗水中的溶解氧, 硝酸盐和亚硝酸盐可转化为致癌物亚硝胺, 及水体的富营养化[1]。污水处理厂有效脱氮势在必行厂普遍存在碳源不足、, 高。特别是我国部分方中浓200mg/L , 。现行, , 有毒性等缺点。一些新型碳源的寻找成了目前的研究热点, 主要有以纤维素为主的固体碳源, 污泥水解产生的挥发性脂肪酸以及部分工业废水。

较高的脱氮率。预处理:Volokita对比了用1%(W /H ) NaOH ,1N HCl , 。p H :2,3]p H 9, 表明反应器内反。

, 几份研究结果表明在以纤维素作为碳源的系, 在运行一定周期以后脱氮效果都会出现不同程度的退化。

2　生物转化VFAs

生物转化VFAs 的过程实际上为混合菌群的厌氧消化的一部分, 通过控制反应条件, 把厌氧消化控制在水解产酸阶段, 利用产酸菌将水解产物短链脂肪酸转化为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acid , VFA ) 。目前外加碳源生物脱氮中使用最多的是甲醇和乙醇。但甲醇和乙醇作为碳源的反硝化速率比相应的VFA 低[5], 因为它们在生物降解时是先被转化成相应的VFA , 然后进一步降解。在反硝化过程中, 乙酸在形成乙酰辅酶A 后可直接被利用, 故有较高的反硝化速率。丙酸先形成丙酰辅酶A , 通过一系列的酶促羧化反应和异构反应, 被转化成琥珀酰辅酶A 并进入TCA 循环和继续被氧化, 因此它用作碳源时反硝化速率较低。丁酸和戊酸首先形成丁酰辅酶A 和戊酰辅酶A , 通过β2氧化, 形成一个乙酰辅酶A 和一个2碳(或3碳) 的脂肪酸, 并按上述途径继续, 故它们的反硝化速率介于乙酸和丙酸之间。

目前, 针对污泥厌氧消化的水解酸化阶段的研究越来越多, 因为以污泥作为对象的水解产酸在提供可作为碳源的VFAs 的同时, 可以达到污泥的减量化, 有良好的发展前景。国外大多数的研究利用污水处理厂的初沉污泥水解发酵产酸, 也有对初沉污泥与剩余污泥的混合污泥和高浓度污水的水解酸化研究[6]。按照水解温度的不同区分, 目前比较典型的水解方式是热水解和常温水解。

1　固体碳源

传统外加碳源采用甲醇、乙醇等液态有机物作为碳源, 因而部分研究者转向与之相对的固体碳源, 目前比较多的研究集中在纤维素和可生物降解聚合物上。其原理是采用结构疏松的有机碳物质, 在经微生物将其转化为反硝化菌可利用碳源的同时, 承担生物膜的载体。对于以固定碳源作为反硝化碳源的反应中, 存在着以下影响因素。

1. 1　温度

研究表明温度对氮的去除起着重要作用, Volokita 等选用废报纸作为碳源, 在14℃～32℃的区间内, 随着温度的升高, 反硝化脱氮的效果明显提高, 在32℃时的氮去除率几乎是14℃时的

[2,3]

3倍。金赞芳等人的研究显示, 在14℃～18℃的区间内, 反硝化速率随温度的升高变化不大, 而从18℃～23℃的过程中, 反硝化速率增加了55%。而在14℃～29℃的区间内, 反硝化速率随温度升高了2倍, 这是因为提供碳源的纤维素降解菌和脱氮的反硝化菌的活性都跟温度有一定关系, 大多属于中温型细菌, 最

[4]

适生长温度为25℃～40℃。

1. 2　流速

Volokita 观察了流速与氮去除率的关系。在0. 5m/d 到1. 5m/d 的流速区间内, 逐渐提高流速至0. 8m/d 之前的去除率

2. 1　热水解

热水解是今年来发展起来的一种有效的污泥预处理技术, 污

泥经过热水解处理后, 微生物絮体解体, 有利于提高后续厌氧消化效率。王治军等[7]在210℃的条件下对剩余污泥进行热水解, 观察各项参数随温度的变化情况。SCOD 的浓度随时间的延长而增大, 在75min 时,SCOD 占到了TCOD 的34. 7%。随着热水解温度的升高和热水解时间的延长, 污泥的总有机酸的浓度也不断升高, 在75min 时,VFAs 占到了SCOD 的30%～40%, 乙酸占到VFAs 的50%。A. Shanableh 的研究显示在低于374℃时亚临界状态下, 大于95%的固体有机物能够被水解成液态, 并且有10%～11%的TS 转化为乙酸。

都保持在100%, 而在最高流速为1. 5m/d 时, 去除率只有30%。过高的流速会导致纤维素降解菌被从碳源上冲刷流失。S oares 等人在0. 054m/d ～0. 092m/d 的流速范围内观察到了最高脱氮率发生在流速最低点。金赞芳[2,3]在4. 4h ～7. 7h 停留时间的变化范围内, 同样获得氮去除率随停留时间的延长而提高。

1. 3　其他因素

可利用面积:考虑到报纸的部分面积被印刷油墨所覆盖, Volokita 对比了报纸和未印刷的纸张, 发现在使用未印刷纸时有

收稿日期:2007210228　　3:国家高技术研究发展计划项目(863) (项目编号:2005AA6010100122) 作者简介:李基东(19812) , 男, 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室硕士研究生, 上海　200092

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2. 2　常温水解

考虑到为维持高温水解会消耗过高的能源问题, 大多数的研究集中在较低温度的水解上。对水解产酸效果起主要影响的因素如下:

1) 温度:是影响水解的重要因素, 一般的污泥水解发酵在中

) 和高温(42℃) 下进行。吴一平等[8]发温(20℃～42℃～75℃

现, 在17℃,25℃,33℃时, 转化率分别达到8. 39%,9. 73%和12. 15%, 显示了水解产率与温度的关系, 温度的升高使厌氧硝化菌的活性增强, 使得水解效率随温度的升高而升高。因此, 在一定的温度范围内, 升高温度是提高水解效率简便的使用方法。

2) p H :是影响酶活性的主要因素, 苑宏英[6]在p H =10的条件下, 得到了最大量的溶解性蛋白质和碳水化合物, 也就是说获得了最大量的产酸基质, 并且没有甲烷的生成, 说明总VFAs 的消耗量较少, 因此取得了最大比例的有机酸,60%的剩余污泥(TCOD ) 转化成了SCOD , 其中45%的SCOD 为VFAs 。

3) 停留时间(HRT ,SRT ) :因素, 水力停留时间越长, , 越高。温度为171d 3. %; HRT 延长至3d 时, 9. %Elfsiniotis 在利用初沉污泥产酸的过程中, 从0h 12h 逐渐升高HRT ,VFAs 的产量也逐渐升高, 并且没有甲烷的生成; 在HRT =12h 时得到了最大产酸率0. 12mg/(mg ・d ) 。当HRT 继续升高到15h 时, 甲烷开始生成, 表明有一定量的VFAs 被转化成了甲烷。与水力停留时间相对应的固体停留时间(SRT ) 对水解的影响起着同样的作用, 并且在多数的研究中, 因为没有安装固体回流装置, 所以SRT 与HRT 相同。

4) 污泥粒径:由于水解是在污泥表面进行的反应, 因此, 对于同样质量的污泥, 污泥粒径越小, 比表面积越大, 水解反应也就越快。采用污泥粉碎方式减小污泥粒径, 不仅使污泥的水解转化效率得到大幅度提高, 并且能缩短1/3的水力停留时间[8]。

Elfsiniotis 对比了以初沉污泥水解得到的VFAs 与人工按一定比例配制的VFAs 作为反硝化碳源的效果, 结果显示单纯使用乙酸作为碳源时, 拥有最高的反硝化速率, 丙酸最差, 只有乙酸的1/2左右。而通过初沉污泥水解得到的VFAs 的反硝化速率与乙丙混合酸的反硝化速率所差不大, 并且出水中没有硝酸盐氮与亚硝酸盐氮被检出, 证明污泥水解产物可以有效地作为反硝化脱氮的碳源。各种VFA 用作碳源时的反硝化速率见表1。

表1　几种挥发酸作为碳源的反硝化速率

所用VFAs 种类乙酸丙酸乙酸+丙酸水解酸

--NgVSS -1d -1) k (gNO 低, 毒性小, 如果可以直接投加至生活污水厂作为反硝化脱氮的

碳源, 不仅可以解决脱氮过程中碳源不足的问题, 还可以利用城市污水处理单元, 节省工业废水处理所消耗的资源。食品工业废水等高浓度有机废水是比较理想的选择。部分食品废水COD 高达1000mg/L 左右, 可生化性好, 并且总氮含量小于5mg/L , 磷含量小于0. 2mg/L , 在能够提供碳源的同时并不会引入其他污染物, 是比较理想的碳源。高景峰等以啤酒废水作为脱氮碳源, 以SBR 法工艺获得对氮的完全去除, 并且实验表明啤酒废水拥有比甲醇更高的反硝化速率。傅威等以上海溶剂厂的异丙叉丙酮废水、邻苯二甲酸二丁脂、邻苯二甲酸二辛脂和前三种废水的混合废水配制而成的废水作为焦化废水生物脱氮的外加碳源, 取得了良好效果, 4　1, 0. 0150±0. 00560. 0072±0. 00200. 0134±0. 00390. 0111±0. 0048

3　工业废水

部分工业废水拥有很高的有机物浓度及可生化性, 氮磷含量

。

2) 对几种新型的碳源进行比较, 固体碳源在自然界有大量的资源, 但由于其形态特点, 比较适合固定生物反应器, 在目前的应用会受到一定的限制。合适的工业废水作为碳源, 能提供较高的反硝化速率, 但由于其来源受到工业类型、布局及产量等诸多因素的限制, 对其广泛应用有很大制约。生物转化VFAs 来源于污泥的水解, 碳源直接由污水厂内部提供, 减少了运输方面的限制。水解所产生的VFAs 拥有很高的反硝化速率, 并且在提供高效碳源的同时达到对污泥减量化的目的, 是比较有优势的碳源。

3) 今后的研究可以致力于对碳源的优选和纯化方面, 并且在满足脱氮目的的同时达到对废物的资源化。参考文献:

[1]章非绢. 生物脱氮技术[M ].北京:中国环境科学出版社,

1992. 10.

[2]金赞芳, 陈英旭, 小仓纪雄. 以纸为碳源去除地下水硝酸盐的研究[J].应用生态学报,2004,15(12) :12.

[3]金赞芳, 陈英旭, 小仓纪雄. 以棉花为碳源去除地下水硝酸盐的研究[J].农业环境科学学报,2004,23(3) :5122515.

[4]史家　, 徐亚同, 张圣章. 环境微生物学(第二版) [M ].上海:

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[5]Constantin,H. , Fick , M. Influence of C 2sources on the denitrifi 2cation rate of a high 2Nitrate concentrated industrial wastewater [J].Water Res ,1997(31) :5832589.

[6]苑宏英, 陈银广, 周　琪. 污泥生物转化为VFAs 及用于生物除磷的研究进展[J].工业水处理,2006,26(2) :1352136. [7]王治军, 王　伟. 剩余污泥的热水解试验[J].中国环境科学,

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[8]吴一平, 王旭东. 初沉污泥作为生物脱氮除磷快速碳源的转化因素研究[J].西安建筑科技大学学报,2005,137(4) :12213.

The research situation of denitrif ying denitrif ication carbon source

L I Ji 2dong

Abstract :Aiming at the problems existed in polluted water management of the default of denitrification carbon source , it puts forward the new carbon source of the solid carbon source based on fiber , the volatile fatty generated in sludge hydrolysis and the organic industry liquid waste , and this supply reference to increase the denitrification efficiency.

K ey w ords :carbon source , denitrifying , organic substance , denitrification , nitrate