城市河流中碳源对同步硝化反硝化的影响

1、城市河流中碳源对同步硝化反硝化的影响 同步硝化反硝化(simultaneous nitrification denitrification，SND)能够实现有氧环境与厌氧环境的一体化，使硝化与反硝化反应在同一时空条件下同步发生，因其耗能少、碱度低、继续出水等优点被广泛应用于生物脱氮领域。有机碳源(COD)为反硝化过程供应电子供体，是反硝化过程的必备条件。 不同碳源、不同碳氮比、下的SND脱氮效果差异较大，常见的外加碳源有易生物降解碳源甲醇、乙醇、乙酸，慢速可生物降解碳源淀粉、蛋白质等，这些碳源有很好的供碳效果，但也存在许多问题，如甲醇毒性大、碳源过度投加易产生二次污染等。 基于外加碳源存在的弊

2、端，水体中的部分自然有机质若能作为碳源对氮的转化去除产生乐观作用，可以合理调控外加碳源的投入，是水体氮污染治理的新思路。 溶解性有机质(dissolved organic matter，DOM)在水体中广泛存在，主要来源于植物残体(内源输入)和人类活动(外源输入)，在水体中能与众多污染物相结合，对水生态系统产生重要影响。 基于不同来源腐殖酸的化学组成与结构差异，河流腐殖酸元素组成中碳含量占50%以上。 研究自然水体中碳源在硝化反硝化过程的作用，可以作为水环境治理过程中合理有效投加碳源的理论依据，促进水体氨氮和氮氧化物的去除。 北水道是北京市最重要的排水河道，地表水污染非常严峻，80%以上河段的

3、水质为劣类，水体氮浓度差异较大，有机碳源组分较多。 研究发觉：北水道水体中的DOM有含腐殖物质76.18%、类蛋白质物质两类23.82%，经Pearson 相关性分析，这两类DOM与总氮、氨氮的质量浓度呈显著的正相关关系。本研究模拟北水道水环境条件，选用乙醇和淀粉作为有机碳源，研究不同COD/N对氮转化的影响。另外，选取类似于河流腐殖酸的纯腐殖酸和色氨酸两类有机质，研究DOM对氮转化的影响，为排入城市河流的污水前处理标准及河流水体氮污染控制和防治供应参考。 1试验部分 1.1试验装置与设计 采用BM-Advance呼吸仪(英国，Strathtox)作为反应器举行室内模拟试验(图1)。呼吸仪由主

4、机、恒温器、软件和电脑组成，主机部分包括SBR反应池、蠕动泵及电子控制面板，其中，反应池由曝气室和反应室两部分组成。反应器主体为有机玻璃，有效容积为1 L，运行周期为9 h，其中低氧曝气8 h，缺氧搅拌1 h。 反应器内pH值控制在7.28.0，利用加热和珀尔贴系统控制温度为30 。为了实现同步硝化反硝化进程，通过控制曝气量使溶解氧(DO)浓度控制在0.50.6 mg/L。试验多周期运行稳定后，每小时取水样测定各形态氮浓度。 图1 呼吸仪试验装置暗示 1.2试验用水及接种污泥 北水道水质如表1所示，氨氮是氮污染的主要形式。试验模拟北水道低污染区的水质特点举行人工配水，主要由NH4Cl、KH2P

5、O4、CaCl2、MgSO47H2O、NaHCO3按一定比例配制，其中NaHCO3可以调整反应器内的pH。SND反应器配水成分如表2所示。 表1北水道水质情况 试验污泥取自北京市环境科学庇护研究院污水处理系统的膜生物反应器(membrane bio-reactor,MBR)的生物接触氧化池，膜生物反应器以膜组件取代末端二沉池，反应中可维持较高的活性污泥浓度，通过有效的截留作用使微生物得到充分繁殖，为实现深度脱氮供应可能。试验污泥沉淀后约占反应器容积的1/4。考虑到硝化细菌和反硝化细菌生长 繁殖环境条件的差异，按照北水道底泥性质对活性污泥举行不加碳源的硝化菌驯化和投加碳源的反硝化菌驯化。在温度为

6、1830 ，pH7的条件下，调控(DO)浓度为28 mg/L，缺氧环境控制13 h，并投加有机碳源，对试验污泥举行驯化。经45 d驯化后，污泥的硝化效率可达到80%以上，系统的TN去除率可达到40%50%。 表2反应器平均进水水质 1.3监测项目与方法 反应过程中，温度和DO直接由电脑控制，分离维持在30 和0.50.6 mg/L，监测项目主要包括 待检测水样测定前均采用0.45 m中速滤纸过滤，水体TN利用MultiN/C2100总氮分析仪(AnalytikJena，德国)测定； 利用FIAstar流淌注射分析仪(FOSS，丹麦)举行测定。 2结果与争论 2.1有机碳源和不同COD/N对SN

7、D系统脱氮性能的影响 不同COD/N条件下，外加碳源乙醇、淀粉后，TN、 的浓度变化如图2、图3所示。 图2 投加乙醇时，不同C/N对氮转化的影响 由图2可知：通过投加易生物降解的有机碳源乙醇，模拟北水道水质C/N为6.5时， 和TN浓度随时光均消失下降，而浓度前1 h变化不大，1 h后逐步升高，初始C/N为16时,和TN浓度表现出相像的下降趋势，TN和的去除率为72%。 浓度无显然的变化。 不同形态氮转化的趋势差异性表明，外加有机碳源乙醇时，不同C/N对影响程度大于TN和为6.5时，反应前1 h，因为污泥表面积大，表面具有多糖类黏质层，有机碳可以被污泥快速吸附，在水解酶作用下，大分子有机物被

8、分解为小分子物质，与溶解性有机物一同 在透膜酶的作用或在浓度差的推进下抉择性渗入细胞体内，因此反应前期主要发生污泥的吸附作用。 随着反应时光的延伸，低C/N条件下，反硝化作用所需碳源不充沛，导致转化为N2的反硝化反应举行不彻低，SND效率不高。C/N为16时，反硝化过程得到充沛的电子供体，反应举行彻低，无堆积，SND效果较好。但过多的碳源会使异养型反硝化菌大量繁殖占领优势地位，反硝化菌优先利用举行合成代谢，消耗大量DO，使得自养好氧型硝化菌的活性受到抑制，而的去除主要依赖硝化作用，因此高C/N条件下TN去除率高， 氧化却不充分。 图3 投加淀粉时，不同C/N对氮转化的影响 由图3可知：投加慢速

9、生物降解有机碳源淀粉时，反应时光内，和TN降解速率均小于外加乙醇的反应器，反应整体趋缓。模拟北水道C/N为6.5时，前4 h TN和降解速率较为缓慢，去除率分离为6%和30%，4 h后降解速度加快，分离达到25%和73%。 浓度随反应时光的延伸渐渐增大，由0增强到1.69 mg/L；初始C/N为16时，展现先堆积后被消耗的趋势，在4 h左右浓度最大，为1.46ml/L，浓度前5 h迅速降低，58 h降低缓慢，8 h后去除率达到77%，TN去除率达到59%。两种C/N条件下，浓度基本为0。对照不同C/N发觉，低D/N条件下，慢速可生物降解有机碳源不足以供养氮转化反应所需能量，致使氮 的转化降解速

10、率缓慢，反应举行不彻低；高C/N可以加快转化的反应进程，促进TN的降解。因此在投加慢速可生物降解有机碳源的状况下，可以通过提升C/N来加快反应进程。 由此可知：以淀粉作为外加碳源时，TN和降解过程较缓慢，反应周期内不能实现有效降解。反应前期，淀粉作为慢速生物降解碳源先被转移到微生物体内，无法被直接利用，短时光内脱氮效率低，但可以作为储存碳源，维持反应的举行；反应后期，淀粉渐渐被释放出来，供应反硝化的碳源，TN去除率便 随着碳源的增强而增大。 反应举行一定时光后，淀粉对污泥起到较好的黏附作用，使得反应器内的污泥絮体变得紧实，又为反应过程供应了一定的缺氧环境，保证了反硝化过程的顺当举行，使得SND

11、效果增加。 对于易生物降解和慢速生物降解的碳源，TN去除率随着碳源浓度的增强而增强，且易生物降解的碳源因为更易为生物利用而在同等浓度下有更高的TN去除率和硝化速率。但C/N过高也会妨碍硝化反应的举行，使得氧化不彻低。不同C/N反应过程中，浓度始终保持在较低水平(临近0)，这是由于的转化过程非常快速，作为中间产物极不稳定，难以堆积。 2.2DOM和有机碳源对SND系统氮转化的影响比较 图4、图5为投加了相近碳元素浓度(5.56.5 mg/L)的不同碳源反应器中浓度的变化状况。因为量低、不稳定，极易被硝化菌氧化为的浓度变化不再予以争论。 由图4可知：选定的反应时光内，除淀粉外，投加乙醇、腐殖酸、色

12、氨酸的反应器的硝化率基本都能达到100%。投加色氨酸和腐殖酸的反应器内氧化速度最快，去除率均在2 h内90%；投加乙醇的反应器内浓度匀速减小至0；投加淀粉的反应器在8 h后去除率为54%。可见，在相近碳源浓度下，乙醇、腐殖酸、色氨酸的硝化速率都比较高，但腐殖酸、色氨酸的硝化速率比较快，说明这两种自然水体中存在、人为活动也会产生的DOM，在SND过程中对硝化有很好的促进作用。已有研究表明，经腐殖酸预处理后，亚硝酸盐氧化菌(NOB)的活性会得到提高，在一定程度上促进硝化反应平衡右移。 由图5可知:在该碳源浓度范围内，投加各碳源的反应器内反硝化率都不高，消失了不同程度的堆积。对照图4发觉，投加色氨酸

13、的反应器，在氧化彻低后仍持续有堆积；投加腐殖酸的反应器，在2 h后产生量为氧化量的52%，且氧化彻低后，浓度基本保持不变；投加乙醇和淀粉的反应器， 浓度最小，且随着的降解，的浓度保持低速增长。这可能是由于色氨酸含氮丰盛，可能在反应过程中释放出有机氮或无机氮，因此，投加色氨酸的反应器在2 h后氧化彻低的状况下，仍旧造成的持续堆积，对SND进程造成妨碍。而投加腐殖酸的反应器在氧化彻低后， 的浓度维持在相对稳定的水平，未进一步转化，说明腐殖酸的存在不会加重氮污染。 有文献指出：腐殖质既可以作为电子受体，也可以作为电子供体，因此在SND过程中可以作为电子穿梭体加速微生物对矿物、有机物的分解代谢，使得硝

14、化反硝化反应加速举行。腐殖酸作为腐殖质的主要组分，可以促进SND的反应进程。4种反应器都消失一定程度的堆积，是因为随着反应时光增强，反应器内的碳 源浓度越来越低，导致反硝化过程所需的碳源供应不足，妨碍了反硝化过程的举行，因此北水道水体氮浓度超标受水体碳源不足的影响。 2.3DOM和有机碳源对SND系统脱氮性能的影响比较 投加相近碳元素浓度(5.56.5 mg/L)的状况下，SND系统反应周期内DOM和碳源对总氮去除状况如图6所示。 图6 投加DOM和有机碳源时TN浓度变化 可知：投加色氨酸的反应器消失TN浓度增大的现象。因为色氨酸是蛋白类物质，含有丰盛的氮，可能经过一系列化学反应会释放出氮，造

15、成TN的堆积。 腐殖酸对TN的去除率为47.75%，仅次于易生物降解的碳源乙醇(TN去除率为51.43%)，说明腐殖酸作为水体DOM占比最大的有机物在水体除氮过程中起到了乐观作用。反应中后期TN浓度消失0.2 mg/L的微弱回升现象，是由于腐殖酸作为反硝化细菌唯一的电子供体时，可以促进细菌对亚硝酸盐和N2O的还原，从而造成TN的堆积回升。但因为水体氮 的转化去除主要通过同步硝化反硝化作用，故TN回升程度细微。 4种碳源中，乙醇的总氮去除率最高，腐殖酸次之，色氨酸的去除率最低，易生物降解的碳源对TN的去除效果最好，水体中广泛存在的腐殖酸有利于TN去除；但水体中的色氨酸会加剧TN堆积。投加腐殖酸、色氨酸的反应器后期TN又消失了回升，投加色氨酸的反应器更为显然，因为这两种DOM的代表碳源组成成分复杂，尤其是色氨酸含有丰盛的氨 基，可能在反应后期释放出一定量的氮，致使反应器后期TN展现回升现象。 3结论 1)TN去除率随着C/N的增大而增大，投加易生物降解碳源乙醇时，TN去除率从49%(COD/N为6.5)升高至72%(COD/N为16)；投加慢速生物降解碳源淀粉时，反应时光内TN去除率从25%(C/N为6.5)升高至59%(C/N为16)。碳源不足是水体氮污染的重要缘由，增强碳源投入，尤其是易生物降解有机碳源，可以提高SND效率，促进TN的去除。 2)乙醇