目前,我国现行污水处理厂,特别在我国南方城市普遍存在的反硝化碳源不足的问题已成为制约生物脱氮效率的重要因素.要获得理想的反硝化效果需要考虑外加碳源以补充反硝化脱氮电子供体的要求.甲醇应是最理想的反硝化补充碳源,但其高成本,高毒性以及运输困难等问题让研究者开始对新型外碳源进行探索和研究.因此,本文的研究内容围绕不同来源的各类碳源及其优化后的反硝化特性展开,在实验室进行碳源选择的基础研究,并进行现场试验,初步探索了几种典型碳源的实际运行效果.

试验研究首先通过SBR间歇反应试验,考察了乙酸钠,垃圾渗滤液,污泥水解产物,淀粉溶液为碳源的反硝化过程中碳源和氮素的变化,分析其脱氮效率和耗碳速率并进行了动力学分析,建立了表观动力学模型.

结果表明,间歇式反硝化试验中硝态氮和有机碳降解过程呈阶段性,反应初始的第Ⅰ阶段(各碳源系统反应时间不同,平均20min左右)中,硝酸盐浓度迅速下降,去除率达到60%～87%.而亚硝酸盐不断积累,直至最高值10～20mg/L.此后反应第Ⅱ阶段内(各碳源系统反应时间不同,平均50min左右),硝酸盐降解速度明显下降,亚硝酸盐浓度开始下降,直至硝酸盐和亚硝酸盐降解完全.采用分段零级动力学模型分析有机碳和当量硝酸盐浓度随时间的变化可以得出乙酸钠第Ⅰ阶段脱氮速率最高,为0.835g N/g VSS·d,新鲜垃圾沥滤液第Ⅰ阶段耗碳速率最高,为5.853g TOC/g VSS·d.所有碳源系统中反应第Ⅰ阶段的脱氮和耗碳速率都比第Ⅱ阶段高,而第Ⅱ阶段的反硝化过程对碳源需求更大.

采用基于Monod方程的动态模型能够很好的拟合间歇反硝化过程中硝酸盐和亚硝酸盐的变化趋势.所得的动力学参数表明以乙酸钠为碳源时,硝酸盐和亚硝酸盐还原的底物降解速率最快,分别为1.300g N/g VSS·d和1.120g N/g VSS·d. 研究对回流污泥碳源和秸秆碳源优化条件展开了初步探索.结果表明,污泥水解酸化时间越长,VFAs的产生量越大,乙酸是VFAs中的主要成分.水解八天后的水解产物中总VFAs占SCOD的37.7%,乙酸含量占SCOD的18.2%.用污泥水解酸化第八天的产物作为碳源进行间歇反硝化试验,反应第一阶段硝酸盐降解速率k_(D1)为0.759g N/g VSS·d,仅低于乙酸钠而高于其他碳源.

对秸秆在推流式生物膜反应器和完全混合式悬浮反应器运行方式下反硝化情况的研究表明,推流式生物膜反应器的反硝化效果较好.在推流式生物膜反应器中,当停留时间为42.3h时,进水硝酸盐浓度为37.5mg/L,出水硝酸盐浓度为5.1mg/L,硝酸盐去除率为86%,而亚硝酸盐始终低于1mg/L.出水硝酸盐浓度和去除率随水力停留时间的延长而增大,而反硝化速率与水力停留时间呈负对数关系.

而在完全混合式反应器中,初始硝酸盐在吸附和内源反硝化的作用下得到降解,秸秆碳源溶出量很少,没有发现明显的脱氮现象. 在实验室的研究基础上,选取乙酸钠和垃圾渗滤液为外加新型碳源进行了现场A~2/O连续流试验,并与外加甲醇传统碳源的效果进行了比较.试验结果表明,外加碳源使得系统TN去除率平均提高了15.1%,出水水质TN下降到10mg/L以下,达到国家一级A类标准(GB  ** 18-2002).

比较各碳源不同投加量的系统脱氮速率和耗碳速率可得,当乙酸钠投加浓度为60mg/L时,脱氮速率比其他工况条件下都高,为0.0107mg TN/mg MLVSS·d.所得动力学参数可以作为缺氧反硝化工艺提供可靠的设计依据.通过经济技术分析得出垃圾渗滤液作为外加碳源成本远低于甲醇,是工程上经济实用的碳源.