不同碳源条件下A/O-MBR的脱氮性能对比研究

Posted 2023-01-14 碳源

篇首语：如果不能改变结果，那就完善过程。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了不同碳源条件下A/O-MBR的脱氮性能对比研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

　　传统的生物脱氮过程包括好氧硝化和厌氧反硝化2个过程，分别由不同的生物群落在各自适宜的条件下相互耦合完成。有机物作为脱氮的重要影响因素之一，直接控制着反硝化过程的进行。进水有机物较低时，反硝化过程因电子供体不足而受到抑制，脱氮效率低下〔1, 2〕。因此，在实际工程中常常利用外增碳源，提高进水中有机物的含量，改善反硝化条件，从而提高脱氮效果。常用的外增碳源主要有甲醇、葡萄糖等。然而，这些碳源在实际工程中运用并不经济。因此，寻求经济、安全、高效的碳源十分必要〔3〕。有研究指出，厨余发酵液中含有较多的VFA、乳酸、多糖等有机物，而且碳氮比较高〔4〕，具有作为碳源的潜能。

　　碳源的特性直接影响微生物的活性、反硝化速率、微生物产量以及微生物群落结构等〔5, 6, 7〕，进而直接影响脱氮效率。目前，有关利用厨余发酵液作为碳源的研究较少，关于其脱氮性能的报道更为少见。笔者利用厨余发酵液作为A/O-MBR的外增碳源，并将其脱氮特性与葡萄糖和乙酸钠进行比较，验证将其作为外增碳源的可行性。

　　1 材料与方法

　　1.1 A/O-MBR反应器

　　A/O-MBR反应器如图 1所示。

图 1 A/O-MBR反应器结构示意

　　该反应器有效体积为37.5 L,其中厌氧池、好氧池和膜池的体积比为1∶1∶1.膜组件为PVDF中空纤维膜，面积为0.5 m2,孔径为0.1 μm.好氧池与膜池之间利用穿孔隔板分开，膜池采用穿孔管曝气冲刷膜表面控制膜污染，气水比为20∶1; 好氧池采用微孔曝气头曝气供氧。运行期间，HRT为10 h,SRT 为30 d,污泥质量浓度为3 000～4 000 mg/L,MLVSS/ MLSS为0.70～0.75.反应器进水为投加不同基质(葡萄糖、乙酸钠、厨余发酵液)的校园生活污水，进水水质如表 1所示。厨余发酵液为厨余垃圾厌氧发酵产物，主要成分：COD 100～200 g/L;SCOD 60～120 g/L;VFA 10～15 g/L; 蛋白质10～30 g/L;多糖 50～100 g/L;TN 500～1 000 mg/L.

　　1.2 污染物测定方法

　　每天定时从反应器中取样分析NH4+-N、NO3--N、TN、COD,分析方法参照参考文献〔8〕。将混合液在3 500 r/min下离心10 min,取上清液测定COD;上清液通过0.45 μm滤膜后测定SCOD.

　　1.3 比反硝化速率

　　通过测定污泥的比反硝化速率(SDNR),比较3种碳源条件下活性污泥反硝化菌群的数量和活性。在反应器运行稳定的条件下，取厌氧池污泥0.5 L于玻璃瓶中，使污泥质量浓度为3 000 mg/L左右。向其中加入NaNO3和碳源(葡萄糖、乙酸钠和厨余发酵液),使NO3--N和COD最终分别为(35±5) mg/L和(300±20) mg/L.反应体系pH保持在7.0～8.2.实验过程中，定时取样分析NO3--N、NO2--N和COD.比反硝化速率：

　　式中：SDNR——比反硝化速率，mg/(g·h);

　　ρ(NO3--N)--NO3--N质量浓度，g/L;

　　X——污泥质量浓度，mg/L;

　　t——反应时间，h。

　　2 结果与讨论

　　2.1 不同碳源条件下污染物去除性能

　　2.1.1 COD的变化

　　不同碳源条件下COD的变化情况如图 2所示。

图 2 不同碳源条件下COD去除效果对比

　　从图 2可以看出，3种碳源条件下，进水COD波动较大，而出水COD均十分稳定，始终保持在20 mg/L以下，COD去除率均达到97%以上，COD去除十分彻底。这主要与膜的高效截留作用有关。进水中大部分有机物被膜组件截留于反应器中，有利于有机物的高效利用，保证出水水质。同时可以看出，投加厨余发酵液后，出水COD并无较大变化，表明厨余发酵液能够在短时间内被微生物适应，而且不会对其产生抑制作用。

　　2.1.2 NH4+-N的变化

　　不同碳源条件下NH4+-N的变化情况如图 3所示。

图 3 不同碳源条件下NH₄⁺-N去除效果对比

　　从图 3可以看出，3种碳源条件下，反应器出水NH4+-N保持在0.5 mg/L左右，NH4+-N去除率都达到98%以上，进水中的NH4+-N几乎被全部氧化，硝化过程进行得十分彻底，因此脱氮效果主要取决于反硝化过程。由图 3还可以看出，投加葡萄糖条件下，厌氧池的NO3--N较高，为3.5 mg/L左右，表明反硝化作用不够彻底，导致出水NO3--N较高;而投加乙酸钠和厨余发酵液条件下，厌氧池中NO3--N较低，为0.5 mg/L以下，表明反硝化作用十分完全，出水NO3--N较低。

　　2.1.3 TN的变化

　　不同碳源条件下TN的变化情况如图 4所示。

图 4 不同碳源条件下TN去除效果对比

　　由图 4可以看出，以葡萄糖为碳源，TN去除率为60%左右，而以乙酸钠和厨余发酵液为碳源，TN去除率相当，保持在80%左右。此外，以葡萄糖为碳源时，出水TN为15 mg/L左右，而以乙酸钠和厨余发酵液为碳源时，出水TN明显降低，保持在8 mg/L以下。由此可以得出，在运行条件几乎相同的情况下，葡萄糖的脱氮能力较乙酸钠和厨余发酵液都低。

　　2.2 脱氮能力对比

　　为解释3种碳源条件下脱氮效率的差异，进行了反硝化速率实验，验证3种碳源条件下污泥的反硝化性能。另外，考察了3种碳源条件下，反硝化COD的有效利用率，从而分析碳源的脱氮能力。

　　2.2.1 反硝化速率对比

　　3种碳源条件下污泥的比反硝化速率如图 5 所示。

图 5 不同碳源条件下的比反硝化速率对比

　　由图 5可知，葡萄糖为碳源条件下的比反硝化速率较乙酸钠和厨余发酵液为碳源时都低，仅为7.89 mg/(g·h),而后两者的比反硝化速率相当，分别为10.75、10.53 mg/(g·h).M. Sage等〔9〕指出，反硝化速率主要由快速降解COD、慢速降解COD以及内源代谢产物的反硝化速率构成，而主要取决于快速降解COD.因此可以看出，乙酸钠和厨余发酵液的降解速率比葡萄糖高，更易被微生物利用。研究表明，混合物的反硝化速率高于单一组分的反硝化速率〔9〕。厨余发酵液中含有VFA、乳酸、乙酸、多糖等多种物质，因此其比反硝化速率较快。此外，碳源影响着非反硝化菌群的代谢途径和活性〔10〕，因此3种碳源下的反硝化速率的差别也与各自条件下驯化的微生物种群的差异、微生物的生长状态以及活性相关。

　　2.2.2 COD利用效率对比

　　进水中的有机物，除了用于反硝化过程以外，还可能被用于微生物细胞合成以及能量消耗。根据电子平衡原理，将1 g NO3--N转化为N2需要消耗2.86 g COD.3种碳源条件下，反硝化COD的有效利用率如图 6所示。

图 6 不同碳源条件下反硝化COD利用效率对比

　　从图 6可以看出，运行期间，以葡萄糖为碳源时，反硝化COD利用率较低，仅有(13.7±5.0)%,而以乙酸钠和厨余发酵液为碳源时，反硝化COD利用率较高，且二者差别较小，分别为(18.9±5.3)%和(18.0±4.8)%.由此说明，葡萄糖作为碳源不易被微生物用于反硝化过程。而相比之下，乙酸钠和厨余发酵液更易被作为反硝化电子供体，其脱氮能力也高于葡萄糖。。

　　3 结论

　　在A/O-MBR中进行了葡萄糖、乙酸钠和厨余发酵液3种不同碳源的脱氮性能对比，结果表明，3种碳源条件下反应器硝化作用十分完全，NH4+-N去除率均达到98%以上。以葡萄糖为碳源时，反硝化过程不彻底，导致TN去除率只有60%左右，而以乙酸钠和厨余发酵液为碳源时，TN去除率均可达到80%以上。

　　反硝化实验表明，葡萄糖的比反硝化速率最低，仅为7.89 mg/(g·h).与葡萄糖相比较，乙酸钠和厨余发酵液为快速降解碳源。此外，厨余发酵液的脱氮能力与乙酸钠相当，并高于葡萄糖，可以作为理想的外增碳源。