隨著水體富營養化的加劇，國家對氮磷污染的治理越來越重視，目前，城市生活污水處理主要采用生物脫氮工藝，生物脫氮可通過反硝化作用將硝態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，但會提高運行成本〔1〕。研究采用剩余污泥經乙醇型發酵后液相產物作為反硝化碳源，與甲醇、生活污水作為反硝化碳源進行對比研究，考察了其在反硝化過程中硝態氮、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
污水廠剩余污泥在5MPa、150℃條件下進行高壓熱水解處理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酸發酵反應器，在有機負荷為10.56kg/（m3•d）、溫度為（35±1）℃、pH為4.2~4.6條件下進行乙醇型發酵，最后將發酵后污泥在5000r/min條件下離心10min，取上清液，經測定上清液中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
上清液作為反硝化碳源試驗的同時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大學校園生活污水，主要水質指標為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服力，通過投加自來水、硝酸鉀、磷酸二氫鉀以及供微生物生長所需的微量元素，將3種碳源條件下進水水質控制在表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后每隔一段時間進行取樣分析。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的高壓反應釜內進行；污泥乙醇型發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行；反硝化試驗用六聯攪拌機型號為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的分析純藥劑。

2試驗結果與討論

2.1反硝化過程分析

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

由圖1可見，反硝化過程中NO3--N濃度隨著反應的進行均呈階段性變化，C1、C3作為反硝化碳源時呈三階段變化，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，反硝化反應主要發生在第一階段，C1作為反硝化碳源時快速反應期為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，反應進行240min后，C1、C3作為反硝化碳源時NO3--N去除率分別為45.6%和17.9%。而以C2作為反硝化碳源時，反應杯中NO3--N變化呈現出兩個階段，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，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，前20min反應杯中NO2--N質量濃度達到最大值，分別為4.52、5.76mg/L，遠大于以C2為碳源時的0.56mg/L。B.H.L.Kelso等〔2,3〕在進行反硝化特性研究時，NO2--N質量濃度也發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所占比例遠大于C3，這些溶解性基質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NO2--N還原酶不能及時將生成的NO2--N還原，造成反應初期的NO2--N積累現象，但隨著反應的進行，碳源中易利用基質的比例不斷降低，NO3--N與NO2--N還原量漸趨平衡，系統NO2--N開始下降。而C3作為碳源時，因其溶解性基質比例低，故反應杯中NO2--N積累的現象不如C1、C2作為碳源時明顯。

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

由圖3可見，COD變化趨勢與NO3--N變化趨勢相似，C1作為反硝化碳源時，前30min反應杯中COD急速下降，之后下降速度減緩，120min后基本不發生變化，這是因為C1中富含易被反硝化菌利用的基質乙醇和乙酸，反應初期降解速度快，之后隨著易降解基質含量的減少，不易被降解的碳源開始被利用，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基本沒有變化，而C3為碳源時快速反應階段僅持續10min。還可以看出，整個反應過程中，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，C1中富含反硝化菌易利用基質，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）〕為硝態氮質量濃度（mg/L）。式中：Δt——反硝化時間，h；

rD——反硝化率，mg/（L•h）。在反硝化過程中，rD除與環境條件有關外，還與進水中碳源組分有關，現定義進水碳源中溶解性易利用基質為COD(Ss)、顆粒性慢速可利用基質為COD(Xs)、內源呼吸基質為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）為基質時的反硝化速率，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，反應杯中NO3--N濃度和反硝化速率隨反應時間的變化情況如圖4所示。

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

由表2可見，隨著反應的進行，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，說明利用C1作為反硝化碳源時，C1中溶解性易利用基質對反硝化反應的進行起著主要作用，顆粒性慢速可利用基質次之，而內源呼吸產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，反應杯中硝態氮濃度隨反應時間的變化情況如圖5所示。

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

由表3可見，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，說明C2中溶解性易利用基質決定著系統的反硝化反應進程。

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

由圖6可見，與C1作為碳源時相似，隨反應的進行呈現出3條硝態氮降解曲線，各階段對應的反應速率如表4所示。具體參見http://www.dowater.com更多相關技術文檔。

由表4可見，C3作為碳源時第一階段反硝化速率遠小于C1，其反硝化過程所消耗碳源以顆粒性慢速可利用基質和內源呼吸產物為主。在相同反應條件下，通過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，總比反硝化速率無明顯區別，分別為2.26、2.23mg/（g•h），是C3作為碳源時的2.86倍。可見，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，系統反硝化過程中NO3--N的降解過程分為三個階段，而以甲醇作為碳源時，NO3--N的降解過程為兩個階段。（2）采用上清液和甲醇作為反硝化碳源時，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降低運行成本。

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