污水脱氮处理反硝化工艺分析-第2页-北极星水处理网

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2. 1 短程发酵性能及其产物分布

本研究主要考察了厌氧发酵过程的前2 个阶段:水解和酸化,图1 用反应过程中SCOD 浓度的变化情况来表征水解效率(SCOD/ TCOD),可以看出,随着发酵时间的延长,SCOD 的浓度均是在36 h 内先迅速增加后逐步趋于平稳,4 个TS 条件下SCOD的增加量分别为7. 78 g˙L - 1 (TS1 )、10. 59 g˙L - 1(TS2 )、21. 55 g˙L - 1 (TS3 )和10. 85 g˙L - 1 (TS4 ),因此4 个固体浓度条件下的水解率也分别从最初的25% 分别增加到34. 4% 、36. 3% 、42. 3% 和35. 6% 。

可以看出, 尽管在TS4 条件下的SCOD 浓度最高(69. 12 g˙L - 1 ),但是这仅比TS3 时(SCOD = 67. 63g˙L - 1 )增加了1. 49 g˙L - 1 。

由此可见,在一定的固体浓度范围内,水解率会随固体浓度的增加而增加,但是当超过一定的限值之后,过高的固体浓度反而会对水解过程有所抑制,因此本实验中TS3 是最适合短程水解的条件。JIANG等的实验结果也表明,最合适的有机负荷率(OLR)是11 g˙L - 1 ,而非16 g˙L - 1 ,同时作者认为反应器中OLR 过高会导致发酵系统的不稳定。

根据不同的固体浓度,单相厌氧发酵可以分为湿式发酵( < 5% TS)、半干式发酵(5% ~ 10% TS)和干式发酵(10% ~ 20% TS)3 类,NAGAO 等[15] 研究了OLR 在3. 7 ~ 12. 9 kg˙(m3 ˙d) - 1 的范围内变化时对厨余垃圾单相厌氧发酵性能的影响,结果表明OLR = 9. 2 kg˙(m3 ˙d) - 1 有最优的发酵性能;VEEKEN等认为,当发酵系统中水分含量过少时并不会完成较高的水解率,这是因为酸向甲烷转化的过程只能发生在液相环境中,因此高固体浓度和低水分含量的环境会减少液相中酸的产生,这些结论都与本实验得出的结果是一致的。

如图2 所示,乳酸和乙酸是短程自由发酵过程中的2 种最主要的有机酸,占据了总有机酸(TOA)含量的90% 以上,并且在4 个固体浓度条件下,乳酸的含量都要比乙酸高。图2(a)表明,乙酸含量随着固体浓度增加而增加,在TS4 时乙酸有最大产值为3. 8 g˙L - 1 ,这个结论与RAMOS 等[17] 的结论是一致的。但是乳酸的产量并没有随着固体浓度增加而直线增加(图2(b)),乳酸的最高产量发生在TS3 条件下(12. 34g˙L - 1 ),而并非TS4 条件下(8. 26 g˙L - 1 ),但是RAMOS 等得到的结论却是乳酸含量随固体浓度增加而增加,在TS = 90 g˙L - 1 时乳酸产量有最大值,这种差异性是由于发酵类型的不同而导致的,根据前面对单相厌氧发酵的分类,本研究中的TS2 、TS3 、和TS4 都属于半干式发酵,而RAMOS 等[17] 的实验中TS = 1、5、10、40 和90 g˙L - 1 应该属于湿式发酵,因此可以看出,不同的发酵类型对不同有机酸产量影响不同。

基于以上结论,从图3(c)可以看出TOA 总产量是在TS3 条件下达到了最大值(16. 56 g˙L - 1 ),该条件下,TOA 中包含了75% 的乳酸、21% 的乙酸和4%的丙酸和丁酸,这个结果与以前的结论是不一样的,比如JIANG 等[9] 和LIM 等通过调节pH= 6 从而使得发酵产物中VFA(主要是乙酸、丙酸和丁酸) 的产量占SCOD 的60% 以上。WU 等和PROBST 等认为,厨余垃圾中包含了大量丰富的乳酸菌(LAB) 是乳酸大量产生的直接原因,LAB 很容易将碳水化合物和蛋白质等有机物转化成乳酸,并且乳酸的产生在酸性环境比碱性和中性环境更容易进行。因此本研究中的短程自由发酵完成的是乳酸为主的发酵过程。

由于自由发酵过程中并不调节pH,有机酸的生成使得系统中的pH 在12 h 内就快速下降到3 左右,极低的pH 会抑制有机酸的生成;所以有机酸的产率在12 h 后变得比较缓慢(图2),同时发酵液中也会有滞留大量的碳水化合物。由此可见自由发酵导致不完全的水解酸化过程,同时也使得发酵过程中的有机物的损耗量(生物气的产生)不超过10% ,这与文献中报道的50% 以上的基质损耗量相比较要小许多;因此,尽管有机酸不是自由发酵最主要的产物,但是它可以降低发酵基质气体形式的损耗。图3 显示的是TS3 条件下的发酵液中的有机物成分,其中碳水化合物是最主要的成分,其次是乳酸和乙酸,其中还包含约29% 的未知有机物,可能是乙醇、长链脂肪酸或者一些更复杂的有机酸。乙酸、丙酸和丁酸等VFAs 的反硝化性能在前人的研究中已经得到了明确的验证 ;乳酸也被认为是乙酸和丙酸产生的前驱物 ,也可以认为是一种良好的反硝化碳源,SAGW 等的研究就验证了乳酸盐的反硝化性能;LEE等的研究表明,碳水化合物虽然是一种慢速降解碳源,但是它对反硝化菌群丰富度和代谢多样性有强化作用;因此,发酵液既包含了快速降解的有机物(乙酸和乳酸),也包含了慢速降解的有机物(碳水化合物和蛋白质),它的反硝化性能需要得到验证。在接下来的研究中,我们考察了TS3 条件下发酵液的反硝化性能。

原标题：污水脱氮处理反硝化工艺分析

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