甲醇与葡萄糖为碳源在反硝化过程中的比较

第31卷第3期　　　　　　　　　　　　　　上海师范大学学报(自然科学版)

2002年9月　　　　　　　　　Journal of Shanghai T eachers University (Natural Sciences ) V ol . 31,N o. 3Sep . 2002

甲醇与葡萄糖为碳源在反硝化过程中的比较

阎　宁, 金雪标, 张俊清

(上海师范大学城市与旅游学院, 上海200234)

摘　要:在颗粒滤床反应器内, 以葡萄糖或甲醇为碳源, 碳源充足时, 均可以比较完全地

去除硝酸盐, 但以葡萄糖为碳源的最佳碳氮比较甲醇为碳源高得多, 为6∶1～7∶1(C 6H 12O 6

∶NO 3-2N ) 。当碳源不足时, 反硝化过程存在亚硝酸盐积累现象, 严重。以CH 3OH 为碳源进行的反硝化速率较以12O 6快3倍。在本实验条件下, , k (3=L ・h , k

(C 6H 12O 6) =42mg/L ・h 。

关键词:; ; ::A 　　文章编号:100025137(2002) 0320041204

0　引　言

在异养型反硝化过程中, 作为电子供体的有机物应当能为微生物所降解, 不同的有机物(碳源) 反映出不同的反硝化速率[1]。以甲醇为碳源, 控制合适的C/N 值(CH 3OH :NO3-2N ) , 出水残留的有机物与硝酸盐很低,C OD Cr

对反硝化脱氮, 饮用水与废水处理有不同的要求。饮用水处理中, 要求投加的有机物含量低, 且出水中残留的有机物少, 可简省后续过程对有机物的去除, 甲醇可满足此要求, 某些饮用水工程中也采用乙醛和乙酸来代替甲醇[3], 因为它们价格较低, 毒性较小。在废水处理中, 常常希望反硝化过程能更多地去除有机物, 以最大限度地回收能量。因此, 研究不同的有机物在反硝化过程中的行为具有重要的实际意义。

2　实　验

2. 1　实验过程

实验装置见图1。反应柱内径40mm , 高度400mm , 反应柱有效容积500m L , 反应时间为1h 。柱内填充2～5mm 无烟煤粒, 水流上流式。

实验用水样为人工配置, 将自来水中加入碳源(甲醇或葡萄糖) 、硝酸盐(硝酸钠或硝酸钾) 及磷收稿日期:2002204210

基金项目:上海市自然科学基金(BL99004)

作者简介:阎　宁(19712) , 女, 上海师范大学城市与旅游学院实验师。金雪标(19632) , 男, 上海师范大学城市与旅游学院副教授。

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营养元素。

接种污泥取自城市污水处理厂二沉池, 经3

～5周的培养增殖后, 硝酸盐(进水NO 3-2N 40～

80mg/L ) 去除率在90%以上。

2. 2　分析方法

NO 3-2N :酚二磺酸光度法; NO 2-2N :N 2〔12萘

基〕2乙二胺光度法; C OD Cr :重铬酸钾法, 当

C OD Cr

检测限为5mg/L 。

3　结果与讨论

3. 1　最佳C/N 值比较1进水贮槽;2蠕动泵;3反应柱(S 1～S 5) ;4出水贮槽

图最佳碳氮比是指在一定的进水硝酸盐浓度

下, 图2, 以CH 3OH 为碳源, 进水3N 378. 84mg/L ,C OD Cr 328. 9mg/L 。1h 反应后, -2Cr ,0. 063,44. 87mg/L ,NO x -2N 与C OD Cr 去除率分别为

99. 41. 89kg NO 3-2N/m 3・d ,6. 82kgC OD Cr /m 3・d 。多次实验表明, , 最佳碳氮比为2. 8～3. 2(CH 3OH :NO 3-2N ) [2]。

图3,4,5, 以C 6H 12O 6为碳源, C 6H 12O 6:NO3-2N 大约为4∶1,6∶1,7∶1, 实测C ODCr :NO3-2N 分别为

3. 37∶1,5. 56∶1,6. 62∶1。

(CH 3OH 为碳源,q =500m L/h , 温度20±) 　　　　　　　　　(C 6H 12O 6为碳源,q =500m L/h , 温度20±) 2℃2℃

图2　C/N 与反硝化过程　　　　　　　　　　　　　　　　图3　C/N 与反硝化过程

图3反硝化是在碳源不足的条件下进行的, 经1h 反应后, 出水NO 3-2N 为1. 85mg/L ,C OD Cr 为15. 8mg/L , 反硝化主要发生在前1/4时间内。图4出水NO 3-2N 为0. 189mg/L , 残存的C OD Cr 为17. 9mg/L , 如除去自来水本底的C OD Cr (～10mg/L , 难降解的) , 实际残留的C OD Cr 值也很低。当进水C/N 进一步提高(图5) , 出水NO 3-2N 为0,C OD Cr 还有25. 6mg/L 。说明, 实际需要的C OD Cr /N 比在6～7

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(C 6H 12O 6为碳源,q =500m L/h , 温度20±) 　　　　　　　　　　(C 6H 12O 6为碳源,q =500m L/h , 20±) 2℃2℃

图4　C/N 与反硝化过程5　C/N 之间。以上说明, , 若利用反硝化处理废水中有机物, , 反之, 若以脱氮(控制总氮) , , 这样既能保证较高的除碳率(剩余有机物低) , 。

不同的碳源具有不同的最佳碳氮比, 对组份复杂的实际废水, 应尽量通过实验测定其最佳比值, 供设计参考。

3. 2　亚硝酸盐积累现象

当碳源充足时, 反硝化过程中亚硝酸盐积累(过程中最大浓度) 并不高, 一般小于1. 0mg/L , 但当碳源不足时, 积累浓度增加, 相比较葡萄糖为碳源积累严重。图3NO 2-2N 最大浓度为7. 2mg/L , 图4为8. 9mg/L , 这一现象在给水处理中应当重视。

3. 3　反硝化速率比较

根据有机物降解的难易程度, 可分成三类:易降解、不易降解和难以降解。不同的碳源物质, 表现出不同的反硝化速率。图6, 以CH3OH 为碳源时(C/N =3. 2∶1) , 碳源充足,NO 3-2N 在反应柱前10cm 内几乎全部被去除, 反硝化率高达99. 85%; 而以C 6H 12O 6为碳源时(C/N =7∶1) , 前10cm 反应柱内NO 3-2N 仅从40降至29mg/L , 反硝化率只有25. 3%, 尽管1h 反应后出水NO 3-2N 也很低, 只有0. 034mg/L , 总反硝化率也接近100%, 但明显看出, 以CH 3OH 为碳源进行的反硝化速率较以C 6H 12O 6为碳源的快得多。

在碳源充足条件下, 用图6以CH 3OH 为碳源的折点图的数据进行线性回归, 得出R =0. 9903, 可以认为, 反硝化宏观上表现出0级反应, 因此:

-τ, =k d τ

k =τ,

式中, k 为0级反应动力学表征常数, 综合了温度、反硝化菌浓度及实验环境条件; C 0为反应起始(τ=0) NO 3-2N 浓度, C t 为反应τ时间NO 3-2N 浓度, τ为反应时间(h ) 。

由此计算, k (CH 3OH ) =160mg/L ・h (前1/4反应柱计算) , k (C 6H 12O 6) =42mg/L ・h 。两者相差

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近4倍。

说明, 甲醇是易生物降解的低级醇类, 易被

反硝化细菌利用, 而葡萄糖作为相对复杂的有

机化合物, 它的生物降解较甲醇复杂, 缓慢。葡

萄糖首先需转化为丙酮酸, 在无氧条件下, 丙酮

酸在乙酰辅酶A 的作用下氧化不完全, 最终转

化为乙醇, 然后进一步降解, 被异养细菌吸收利

用[4]。

4　结　论

(1) 碳源充足时, 甲醇与葡萄糖均可以比较

完全地去除硝酸盐, 但以葡萄糖为碳源的最佳

碳氮比较甲醇为碳源高得多, 为6∶1～7∶1(C 6H 12

O 6∶NO 3-2N ) 。

(2) 碳源不足时, 反硝化过程存在亚硝酸盐(t =20±2℃,q =500m L/) 图6积累现象, 与甲醇为碳源比较, (3) , , 以CH 3OH 为碳源进行的反硝化速率较以C 6, 在相同条件下快4倍。在本实验条件下, 反硝化过程为0级反应,k (CH 3OH ) L h , k (C 6H 12O 6) =42mg/L ・h 。

参考文献:

[1]　AK UNNKJ C , et al. Nitrate and Nitrite Reductions with Anaerobic S ludge Using Various Carbon S ources :G lucose , G lyc 2

erol ,Acetic acid ,Lactic acid and methanol[J].Wat Res ,1993,27(8) :130321312.

[2]　金雪标, 等。饮用水中NO 3-去除[J].上海环境科学,1997,16(11) :28231.

[3]　王占生, 等。微污染水源饮用水处理[M]。北京:中国建筑工业出版社,1999.

[4]　徐亚同。不同碳源对生物反硝化的影响[J]。环境科学,1994,15(2) :29232.

A Compasrison Betw een the Processes of Denitrification

with G lucose and Methanol as C arbon Sourse

Y AN Ning , J I N Xue 2biao , Z ANGJun 2qing

(C ollege of City and T ourism , Shanghai T eachers University , Shanghai 200234, China )

Abstract :I f glucose or methanol is used as carbon s ource in denitrification nitrate can be fully rem oved in grain filter by the pro 2cess s o long as carbon substance is su fficient. But the best proportion of carbon to nitrogen with glucose as carbon s ource is much higher than that with methanol and will reach 6∶1～7∶1(C 6H 12O 6∶NO 3-N =6～7∶1) . Nitrate will accumulate when carbon s ource is insu fficient , and the accumulation will be beavier in the case of using glucose as carbon s ource. M oreover , reaction rate with methanol as carbon s ource is four times faster than that with glucose under the same condition. In the experimetn conducted by the authors denitrification showed zero degree in kinetic order k (CH 3OH ) =160mg/L ・h , k (C 6H 12O 6) =42mg/L ・h. K ey w ords :denitrification ; carbon s ource ; denitrification rate C/N