剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)物處理方法

隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化的加劇，國(guó)家對(duì)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(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦鱿到y(tǒng)，達(dá)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(yùn)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(duì)比研究，考察了其在反硝化過(guò)程中硝態(tài)氮、COD等變化規(guī)律，并對(duì)比分析了不同碳源下，反硝化速率的區(qū)別。

1試驗(yàn)材料

1.1反硝化碳源制備
污水廠剩余污泥在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二沉池），處理后污泥投加到產(chǎn)酸發(fā)酵反應(yīng)器，在有機(jī)負(fù)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(cè)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(yàn)的同時(shí)采用甲醇和生活污水作為碳源與之對(duì)比。生活污水為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)校園生活污水，主要水質(zhì)指標(biāo)為COD100~250mg/L，NH4+-N22~55mg/L，TN34~69mg/L，TP3~7mg/L。反硝化間歇試驗(yàn)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(duì)比試驗(yàn)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(zhǎng)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(nèi)。

1.3反硝化試驗(yàn)方法
反硝化試驗(yàn)裝置由六聯(lián)攪拌機(jī)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反硝化池。試驗(yàn)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(yàn)的準(zhǔn)確性，每種碳源條件下均設(shè)3組平行試驗(yàn)。

1.4設(shè)備及試劑
高壓熱水解試驗(yàn)在型號(hào)為GSH-5、有效容積為5L、最高承壓10MPa的高壓反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行；污泥乙醇型發(fā)酵試驗(yàn)在有效容積為9.0L、帶有攪拌及水浴加熱的有機(jī)玻璃裝置內(nèi)進(jìn)行；反硝化試驗(yàn)用六聯(lián)攪拌機(jī)型號(hào)為MY3000-6B。試驗(yàn)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(yàn)結(jié)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濃度隨著反應(yīng)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(yīng)期，第二階段為低速反應(yīng)期，第三階段為緩慢反應(yīng)期，反硝化反應(yīng)主要發(fā)生在第一階段，C1作為反硝化碳源時(shí)快速反應(yīng)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(yīng)期為前10min，但此階段NO3--N僅由54.85mg/L降至51.40mg/L，反應(yīng)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(yīng)杯中NO3--N變化呈現(xiàn)出兩個(gè)階段，即快速反應(yīng)期和緩慢反應(yīng)期，快速反應(yīng)期為前90min，此期間NO3--N由54.21mg/L下降至3.15mg/L；緩慢反應(yīng)期NO3--N下降速度緩慢，反應(yīng)240min后降至29.89mg/L。

由圖2可見(jiàn)，3種碳源條件下均出現(xiàn)了NO2--N積累的情況，達(dá)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(yīng)杯中NO2--N質(zhì)量濃度達(dá)到最大值，分別為4.52、5.76mg/L，遠(yuǎn)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(shì)，這是由于NO3--N還原酶與NO2--N還原酶對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的，因?yàn)镃1、C2中可直接利用的溶解性基質(zhì)所占比例遠(yuǎn)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(tǒng)中NO3--N轉(zhuǎn)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(yīng)初期的NO2--N積累現(xiàn)象，但隨著反應(yīng)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(tǒng)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(yīng)杯中NO2--N積累的現(xiàn)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(shì)與NO3--N變化趨勢(shì)相似，C1作為反硝化碳源時(shí)，前30min反應(yīng)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?yàn)镃1中富含易被反硝化菌利用的基質(zhì)乙醇和乙酸，反應(yīng)初期降解速度快，之后隨著易降解基質(zhì)含量的減少，不易被降解的碳源開(kāi)始被利用，造成反應(yīng)30min后COD變化緩慢，反應(yīng)120min后可被利用基質(zhì)消耗殆盡，反應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)向內(nèi)源呼吸階段。以C2為碳源條件下快速反應(yīng)階段持續(xù)至90min，之后反應(yīng)杯中COD基本沒(méi)有變化，而C3為碳源時(shí)快速反應(yīng)階段僅持續(xù)10min。還可以看出，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)C1和C2的利用率差別不明顯，分別為63.8%和66.2%，而對(duì)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(duì)于任意反硝化系統(tǒng)，可用下式計(jì)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(shù)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(xiàn)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(nèi)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(tǒng)的比反硝化速率可用下式表示：

式中：KD——反硝化系統(tǒng)的比反硝化速率，mg/（g•h)；

XV——反應(yīng)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(yīng)杯中NO3--N濃度和反硝化速率隨反應(yīng)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，各階段對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率如表2所示。

由表2可見(jiàn)，隨著反應(yīng)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(yuǎn)大于第二、三階段。從表中還可看出，系統(tǒng)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(duì)反硝化反應(yīng)的進(jìn)行起著主要作用，顆粒性慢速可利用基質(zhì)次之，而內(nèi)源呼吸產(chǎn)物對(duì)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(yīng)杯中硝態(tài)氮濃度隨反應(yīng)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，各階段對(duì)應(yīng)的反應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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)決定著系統(tǒng)的反硝化反應(yīng)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(yīng)杯中硝態(tài)氮濃度隨反應(yīng)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(yīng)的進(jìn)行呈現(xiàn)出3條硝態(tài)氮降解曲線，各階段對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率如表4所示。具體參見(jiàn)http://www.yiban123.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(yuǎn)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(nèi)源呼吸產(chǎn)物為主。在相同反應(yīng)條件下，通過(guò)3種碳源下反硝化速率的對(duì)比試驗(yàn)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(qū)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(yīng)用上清液代替甲醇作為反硝化系統(tǒng)的外加碳源，同樣可使反硝化系統(tǒng)保持高的反硝化速率，且費(fèi)用較甲醇低。

3結(jié)論
（1）在相同的試驗(yàn)條件下，采用上清液和生活污水作為反硝化碳源時(shí)，系統(tǒng)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(yīng)初始階段的NO2--N積累現(xiàn)象明顯高于生活污水作為反硝化碳源，但沒(méi)有對(duì)反硝化速率造成影響。（3）在相同的試驗(yàn)條件下，采用上清液代替甲醇作為反硝化系統(tǒng)的外加碳源，可在保持高反硝化速率的同時(shí)降低運(yùn)行成本。