北极星环保网讯:目前,越来越严格的出水水质标准使得氮的高效去除已经成为国内外污水处理厂面临的一个重要的问题,而城市生活污水中可生物降解有机物不足是氮去除效率低的主要原因;因此外增碳源的选取、制备以及性能分析得到了国内外研究者的重视。关于含碳有机物作为反硝化碳源的研究已经有大约20 多年的历史。尽管许多研究认为,甲醇、乙醇、乙酸和葡萄糖等化学有机物良好的反硝化性能;但是费用和经济效益使得它们在实际中很难得到大面积的应用,并且还有可能面临导致出水水质恶化等问题。一些工业有机废水,比如水解的糖液、啤酒废水和食品厂废水等,由于相对洁净、组成稳定以及包含了丰富的有机物等特性,所以它们在污水处理过程中也得到了一定的应用。
厨余垃圾由于包含了大量丰富的有机物,因此也可以作为一种理想的碳源基质。厌氧发酵过程包含了水解、酸化、产乙酸和产甲烷4 个阶段,前2 个阶段的发酵产物主要是有机酸,比如乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸VFA、乳酸和乙醇等单一有机物,因此可以考虑将其作为反硝化碳源。目前国内外对厨余垃圾厌氧发酵的研究大部分都是操作条件(pH、温度、基质浓度、水力停留时间和有机负荷率)对发酵过程和产物的影响 ,尤其是对VFA 的关注更为明显;但是这些研究一般都是需要较长的发酵时间(5 ~ 7 d)、碱的大量消耗(调节pH)以及有机物的损耗(生物气的大量产生),这些缺陷使得厨余发酵产物难以应用到大规模的实际工程中。
因此,本研究基于“以废治废”的理念,从节约时间和成本的角度考虑了一种不调节pH 的短程自然发酵过程,事实上,短程发酵过程不仅缩短了发酵时间,而且其产物除了包含丰富的有机酸,还包含了大量的未被酸化的大分子有机物(碳水化合物和蛋白质)。最后, 我们探究这种短程发酵液的反硝化性能,为其以后在污水厂中的实际应用提供依据。
1材料与方法
1. 1 实验材料
实验所用的厨余垃圾取自于西安思源学院学生食堂,主要包括米饭、面条、馒头、蔬菜、肉和蛋类等食物残渣,原料首先人工剔除掉其中的骨头以及塑料等无机杂质,然后利用食物粉碎机将其破碎至颗粒尺寸5 mm 以下,其物理化学特性见表1。
接种污泥取自于西安思源学院污水厂的厌氧污泥,经自然存放3 d 后倒去上清液备用。
1. 2 厌氧发酵实验
厌氧发酵实验是在有效容积为10 L 的密封发酵罐中完成的,整个发酵过程在室温(25 ℃ ) 下进行,发酵过程的初始固体浓度(TS)通过控制厨余原料和自来水的质量比来实现的:m(厨余) ∶ m (自来水) = 1 ∶ 1,TS1 = (9 ± 0. 3)% ;m (厨余) ∶ m (自来水) = 2 ∶ 1,TS2 = (11 ± 0. 6)% ;m (厨余) ∶ m (自来水) = 3 ∶ 1,TS3 = (13 ± 0. 5)% ;m (厨余) ∶ m (自来水) = 4 ∶ 1,TS4 = (15 ± 1. 1)% ,发酵过程为60 h 时水解酸化液中有机酸和溶解性化学需氧量浓度变化幅度在5% 以内,即认为发酵过程达到稳定状态。发酵过程中,每隔12 h 取样进行分析。
实验开始前添加1 /3 体积的接种污泥和2 /3 的体积的厨余原料,密闭发酵之前用高纯氮气吹脱5 min确保厌氧环境,为了完全混合,机械搅拌速率控制为80 r˙min - 1 ,整个发酵过程中不调节pH。发酵过程结束之后,发酵混合物在10 000 r˙min - 1 下离心20 min 后再将上清液过0. 45 μm 滤膜得到的液体就认为是发酵液。
1. 3 硝酸盐利用速率( NUR) 实验
通过1. 2 部分得到的发酵液即作为一种碳源进行反硝化性能的研究。发酵液的反硝化性能参数:反硝化速率(vDN )和反硝化能力(PDN )可以通过NUR 实验来测定的,NUR 的具体操作方法参考文献。
反硝化污泥的驯化过程是:发酵液和NaNO3 分别作为碳源和氮源,并补充一定量的微量元素,控制初始COD/ NO3 -N = 8,在经过15 个连续反硝化过程之后出水NO3 -N 小于1 mg˙L - 1 ,即认为污泥驯化过程结束。NUR 实验采用1 L 的密闭小瓶作为的反应器,首先调整反应器中的驯化污泥MLVSS = (2 500 ± 200)mg˙L - 1 ,然后将发酵液和硝酸钠分别作为碳源和氮源,控制初始NO3 -N 为50 mg˙L - 1 ,通过添加不同量的发酵液调节初始阶段的COD/ NO3 = 2、4、6、8 和10,反应初始阶段pH 用1 mol˙L - 1 NaOH 和HCl 调节为7,反应时间为300 min,定时测定反硝化过程中的COD,NO2 -N 和NO3 -N,整个NUR 实验在室温条件(25 ℃ )下进行。
1. 4 分析方法
厌氧发酵过程中,碳水化合物的测定是以葡萄糖作基准物的是苯酚-硫酸法 ,蛋白质的测定是以牛血清蛋白为基准物的费林试剂法。VFA 用气相色谱(GC,Agilent 6890N)测定,进样口和检测器温度分别为200 ℃ 和250 ℃ ,柱子型号为WAXETR (30 m × 0. 25 mm × 0. 25 μm),升温程序为:柱温由100 ℃ 以3℃ ˙min - 1 的速率上升到160 ℃ ,保持2 min,之后以20 ℃ ˙min - 1 的速率上升到250 ℃ ,保持10 min。乳酸用液相色谱(LC,Shimadzu Co. Ltd. )测定,分析柱为COSMOSIL 5C18-II,流动相为0. 05 mmol˙L - 1 磷酸盐缓冲液(50 mmol˙L - 1 NaH2 PO4 ∶ 50 mmol˙L - 1 H3 PO4 = 9 ∶ 1),UV 检测器温度和波长分别设为40 ℃ 和210 nm,流速1 mL˙min - 1 。
TS、VS、MLSS、MLVSS、COD,NO3 -N 和NO2 -N 的测定采用国家规定的标准方法。
