第39卷第5期圆园19年5月工业水处理
陨灶凿怎泽贼则蚤葬造宰葬贼藻则栽则藻葬贼皂藻灶贼灾燥造援39晕燥援5May袁圆园19DOI院10.114/iwt.2018-0531
秸秆发酵液作污水反硝化脱氮外加碳源的潜能研究渊1.西南科技大学环境与资源学院袁四川绵阳621010曰2.四川省低成本废水处理技术国际科技合作基地袁
四川绵阳621010曰3.农业部沼气科学研究所能源微生物重点开放实验室袁四川成都610041冤
4尧6尧8添加发酵液作外加碳源袁探讨其反硝化脱氮效果遥结果表明院稻草尧玉米秸秆发酵的最佳温度均为35益曰稻草尧
咱摘要暂为解决污水处理中碳源不足的问题袁采用稻草尧玉米秸秆在25尧35尧55益下厌氧发酵袁以COD/TN分别为
黄胡林1袁2袁付新梅1袁2袁周正3
玉米秸秆发酵液的碳源投加量均在COD/TN为6时脱氮率最佳袁分别为80.1%尧97.3%遥综上所述袁秸秆发酵液是一种有潜能的优质碳源遥
咱关键词暂外加碳源曰农业秸秆曰发酵液曰反硝化咱中图分类号暂X703.1
咱文献标识码暂A
咱文章编号暂1005-829X渊2019冤05-0042-04
Potentialstudyonthenitrogenremovalbydenitrificationinwastewaterbyaddingtheanaerobicfermentationliquidofthestrawasanexternalcarbonsource
Mianyang621010袁China曰2.SichuanInternationalScienceandTechnologyCooperationBaseofLow鄄costWastewaterTreatmentTechnology袁Mianyang621010袁China曰3.KeyLaboratoryofEnergyMicrobiology袁
BiogasScientificResearchInstituteoftheMinistryofAgriculture袁Chengdu610041袁China冤渊1.SchoolofEnvironmentandResources袁SouthwestUniversityofScienceandTechnology袁
HuangHulin1袁2袁FuXinmei1袁2袁ZhouZheng3
Abstract院Inordertosolvetheproblemofinsufficientcarbonsourceinsewagetreatment袁anaerobicfermentationofbyaddingthefermentationliquidasanexternalcarbonsourceaccordingtoCOD/TNratiosof4袁6袁8respectively.TheamountsofthetwostrawsfermentationliquidaddedwerebothatCOD/TNof6.Theremovalratesofnitratenitrogenforricestrawandcornstalkwere80.1%and97.3%袁respectively.Insummary袁thefermentationliquidofstrawsisanexcellentexternalcarbonsourcecandidate.
Keywords院externalcarbonsource曰agriculturalstraw曰fermentationliquid曰denitrification
我国部分城市污水处理厂存在脱氮效率低的问题袁可以通过向缺氧区投加外碳源提高反硝化脱氮产生大量优质的外加碳源袁即挥发性脂肪酸渊VFA冤也1页遥效果和投加乙酸相同遥J.Tong等也1页利用回收氮磷后的剩余污泥水解酸化液作为外加碳源袁TN和TP的去除率分别为83.2%和92.9%遥但剩余污泥厌氧发酵产酸过程中会释放出大量的氨氮和正磷酸盐袁将效率遥已有研究表明剩余污泥在厌氧发酵产酸阶段会
ricestrawandcornstalkwerecarriedoutat25袁35袁55益andthedenitrificationefficiencyinwaterwasinvestigatedresultsshowedthattheoptimumfermentationtemperatureofricestrawandcornstalkwerebothat35益.Theoptimum
进一步增加污水处理的氮磷负荷也3页遥而木质纤维素类生物质主要成分为淀粉尧木质纤维素等袁其碳氮比留等也5页选择稻草作为碳源直接投加到含盐的污水中袁结果显示盐去除率保持在95%以上遥孙雅丽等也6页以刨花尧玉米芯尧腐朽木为碳源物质袁对污水中盐氮的去除效果进行了研究袁研究发现在运行初期盐氮的平均去除率达到95%遥另外龙建兵等也7页探索了乳酸作为外加碳源的可行性袁结果比剩余污泥高也4页袁更适合作为外加碳源的原材料遥邵
罗哲等也2页表明添加污泥产酸发酵液的强化脱氮除磷
咱基金项目暂国家自然科学基金项目渊21777143冤曰四川省人社厅留学回国人员科技活动项目资助渊14zd3128冤
42工业水处理圆园19-05袁39渊5冤黄胡林袁等院秸秆发酵液作污水反硝化脱氮外加碳源的潜能研究表明乳酸和乙酸在相同的时间内完成对磷的去除袁证明了乳酸作为碳源是可行的遥唐嘉陵等也8页发现以乳酸为主的发酵液袁当C/N渊质量比袁下同冤高于5.7时袁反硝化过程十分彻底遥所以在考察发酵液作为补充优质碳源时也需要考虑乳酸的作用遥
秸秆投加方式在已有的文献中都是直接投加进污水中袁但这种投加方式存在碳源的释放不能得到有效控制而导致出水COD不达标尧需要较长的水力停留时间等问题遥所以选择合适的投加方式成为亟待解决的问题遥本研究采用稻草和玉米秸秆作为原料袁探讨其在不同温度下厌氧发酵时发酵液中优质碳源的产生量和氮元素的溶出情况袁然后考察利用秸秆发酵液作为反硝化外加碳源的脱氮效果袁以期为农业秸秆作为污水反硝化补充碳源提供科学依据袁为秸秆的资源化利用探索新的途径遥
1
1.1
材料实验材料
与方法
稻草和玉米秸秆均取自绵阳市涪城区西南科技大学周边农田袁在-18益下保存袁临用前剪至1~2cm左右遥反硝化接种污泥取自西南科技大学污水处理厂31.2次氧化袁之沟后工艺再用缺氧处超纯水袁淘用洗纱布3次过遥滤后袁用自来水淘洗厌实氧验发方法
酵产酸实验在1.5L的自制反应器中进
行袁称取60.9g稻草尧144.3g玉米秸秆袁分别加入1L自来24VFAh水抽取袁分发别酵在液25袁尧测35定其尧55溶益解下进行性COD厌氧渊SCOD发酵袁每隔响袁实和验乳的酸发质酵量时间控制浓度遥考在虑7到时间d以内成本遥
对应用的冤尧TN影尧反硝化脱氮实验在2L的烧杯中进行袁利用磁力0.5搅拌以COD/TNmg/L使范污围泥和渊质内量遥配实水比验完袁下启动成全混同冤分功合别后袁保为袁在持4室温溶解尧6尧8下氧在添渊250.2加发益冤袁耀酵液作外加碳源进行反硝化脱氮实验遥在一定时间内1.3
测定反硝化液中的NO324秸秆分析的方法
-尧NO2-尧COD的浓度遥
总固体含量渊TS冤袁在渊105依析600h采益至用马恒Vario弗炉重袁差重中EL充Cube分法燃计算元烧素至曰挥分恒发析重性仪袁差重固体含量0.5冤益下烘渊德国法Elementar计算渊遥VS元冤袁素在冤测
分
定遥COD采用快速消解分光光度法测定曰TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定曰VFA和乳酸
采用高效液相色谱法测定曰NO3-和NO2-采用离子色谱法测定遥
2
2.1
结秸秆果与的讨理化论
稻草和玉米秸秆性质
的理化性质见表1遥
表1
秸秆的理化性质
秸秆TS/%种类82.9稻草玉C质VS/%85.0依依0.337.8米秸秆93.6依1.8N质量量分数/%C/N分数/%
0.6737.756.8依依0.5依0.010.10.20.6740.8依依1.361.4依0.3依0.021.3由表1可知袁2种秸秆的C/N在56.8耀61.4范围
内袁而剩余污泥的C/N为4.97耀12.46也2页C/N外加比剩余污泥大袁所以秸秆中2.2碳源可发酵温能度会对更很秸秆具多潜袁发力其作为污水反硝化脱氮的酵遥2.2.1
液性能的影响发发酵酵温度温度对对2种SCOD秸秆的影响
在发酵液中SCOD的影响
见图1遥
图1
发酵温度对发酵液中SCOD的影响
由图1可知袁发酵温度对秸秆SCOD的影响是很显著的遥55益时袁稻草厌氧发酵所产生的SCOD明显高于25尧35益时发酵产生的SCOD袁而玉米秸秆则在35益时厌氧发酵更具优势遥稻草和玉米秸秆分mg/L别在55尧35益达到最大值袁SCOD分别为44尧8617
2.2.2袁玉发发米酵酵秸秆温度温度对的浓度对2VFA峰值种秸秆和乳酸总质是稻草的在发酵液量1.86中浓倍VFA度的影响遥
和乳酸
总质量浓度的影响见图2遥
由图2可知袁55益时袁稻草发酵液的产酸总质量浓度在第1d达到最大值1586mg/L曰35益时袁玉米4草385秸秆的2.76mg/L发酵倍遥液玉的产酸总质量浓度在第7d达到峰值遥
米秸秆的产酸总质量浓度的峰值是稻43试验研究图2发酵温度对发酵液中VFA和乳酸总质量浓度的影响
2.2.3
秸秆发酵经温度对过厌氧发TN酵的影响
产生的VFA和乳酸可以作
为优质的外加碳源用于污水反硝化脱氮袁但在此过程中袁秸秆中的氮元素也会随着有机质的溶出进入发酵液中袁如果发酵液中的TN过高袁会增加污水处理中氮的负荷袁因此利用秸秆发酵液作为外加碳源时不应只考虑SCOD或者总产酸质量浓度的大小袁还应综合考虑TN的影响遥发酵液中总产酸质量浓度越大袁氮含量越低袁即总产酸质量浓度与TN的比值越大袁越有利于污水的反硝化脱氮效果遥2种农业秸秆在3个不同温度下发酵液中的TN随时间的变化见图3遥
图3不同温度下发酵液中TN随时间的变化
由图3可知袁在3个温度下稻草发酵液尧玉米秸秆发酵液中TN分别在22.8耀68.7尧49.2耀132.5mg/L范围内袁且2种秸秆均在55益时TN最大袁所以高温发酵更有利于TN的释放遥从VFA和乳酸产酸总质量浓度与TN的比值来看袁稻草发酵液和玉米秸秆47.2发与TN遥酵无液均在35益时达到最大值袁分别为40.8和的比论从值都产酸显总示质袁量玉浓度还米秸秆是发产酵酸液总比质稻量草浓度发酵液作为外加碳源更具有优势遥
测试结果计算表明袁在3个温度下稻草发酵液和玉米秸秆发酵液中的COD/TN分别在39.7耀123.2和35.5耀113.1范围内遥邹胜男等也9页
在研究剩余污泥水解酸化液作外加碳源时其水解酸化液的COD/TN44工业水处理圆园19-05袁39渊5冤在13.2耀24.1范围内遥因此袁本研究的秸秆发酵液与剩余污泥发酵液比较袁前者的COD/TN大得多袁前者的TN也小于剩余污泥发酵液的含量袁因此秸秆发酵液作外加碳源添加时引起的氮负荷更小袁是一种比2.3
剩余稻秸秆污泥草发发发酵酵酵液液液尧作更适宜的外加碳源遥玉外米加秸秆碳源发对污水反硝化的酵液作为外加碳源在
影响
COD/TNNO3--N分和别NO为2--N4尧6之尧8和时冤随的时间NO3的--N变尧化NO曲线2--N见尧NO图x-渊4-N遥
图4投加量对发酵液中NO3--N尧NO2--N尧NOx--N的影响
由图4可知袁2种秸秆变化趋势一致袁在300min
内NO度先累积2--N袁后浓度随着都随NO时间先增大后下降袁表明NO2-浓
和NO2-逐步转化为N2而下降遥NO3-x-降低袁100-Nmin浓度变左右达化趋到势一最低致袁袁这都和在前Yongmei20minZhang迅-N
速
等也10页以餐厨垃圾发酵液为外加碳源时的研究结果变化趋势一致分别为4尧6尧8
时袁NOx-此稻草发-N酵的遥液去稻在除草COD/TN率发分酵别液为在为60.8%COD/TN6时脱氮效果尧80.1%尧最佳69.2%遥玉袁因米
秸秆发酵液在COD/TN分别为4尧6尧8时袁NOx-去除率分别为81.1%尧97.3%尧99.4%袁尽管COD/TN
-N的为8时的脱氮率比COD/TN为6时更高袁但两者相
工业水处理圆园19-05袁39渊5冤黄胡林袁等院秸秆发酵液作污水反硝化脱氮外加碳源的潜能研究6差添不大加袁从经济和实验效果综合考虑袁以COD/TN为
实发验酵结果液作显为外加示袁玉米碳源秸秆最佳在遥
3个投加量下袁反硝化脱氮效率均大于80%袁玉米秸秆发酵液作为外加碳源更具优势袁这一实验研究结果与前面根据产酸总质量浓度与TN的比值推测的结果一致遥这可能与添加的稻草和玉米秸秆发酵液的量以及发酵液里的物质组成有关遥稻草发酵液在这3个投加量时对应的优109.6质碳源渊VFA浓度渊尧分159.3别为mg/L34.9袁均尧52.4高和于乳酸冤质量浓度分别为67.5尧尧69.6玉米mg/L秸秆冤遥的优理质论上碳源稻质草量发酵液作外加碳源时的脱氮效果应好于玉米秸秆发酵液袁但实际效果刚好相反遥这可能是由于反硝化菌在稻草发酵液作外加碳源时受到了比玉米秸秆发酵液作外碳源时更大的来自于重金属尧硫化物及其他对微
生物的抑制作用
也11-14页
加的稻草发酵液的量遥渊在分COD/TN别为51.3分尧别110.4为4尧尧179.36尧8时mL添
冤74.7要远大于玉米秸秆发酵液的量渊分别为37.3尧56.0尧
质的mL量可冤袁能由前也多于者发后酵者液袁带从入而的导致抑制虽反硝化然添加菌的优的物质碳源量前者多于后者袁但后者的脱氮效果要好于前
者遥图3显示添加玉米秸秆发酵液时NOx
-低浓度的时间更短袁其反硝化速率比添加-N稻达草到发最酵
液的更快遥2种秸秆发酵液添加后均在180min后脱氮率达最大并趋于稳定袁这和实际污水处理厂工艺上缺氧段渊反硝化段冤的水力停留时间渊通常为3h左右冤一致遥
李桂淑等也15页利用剩余污泥发酵液作为外加碳源
时45.6%反应240min时测得NO3--N的最大去除率为氮率分袁别而达实到验99.4%中玉米和秸秆80.1%和稻袁显草示发了比酵液剩的最余大脱污泥发酵液更高效的脱氮效果遥
3
结论
酸总渊质1冤量稻浓度草和与玉米TN秸秆的最厌大比氧发值都酵液在中的35VFA益达和到乳最大袁分量80.1%均渊别在2冤为稻COD/TN=6草40.8发酵和液47.2时和遥
最佳玉米袁秸秆NOx发--N酵去液除的碳源率分投加氮效果比和97.3%稻草发遥玉酵米液秸秆更好发遥
酵液作外加碳源时别的脱
为
通过比较秸秆发酵液中总产酸量及其与TN的
比值袁并测定其在不同投加量下的脱氮率袁发现秸秆发酵液作为污水脱氮的外加碳源具有巨大的潜能袁若将其应用于实际污水的处理必将带来较大的经济效益和环境效益遥
参考文献
咱1暂TongfermentationJ袁ChenYfermentationliquidG援Recoveryofwasteofactivatednitrogensludgeandphosphorusfromalkaline
咱2暂ment罗咱J暂.WaterliquidResearchtopromote袁2009biological袁43municipalandapplicationwastewateroftreatthe鄄脱氮哲袁除周磷光中杰试袁刘研究宏波咱J暂袁.等环.境污科泥厌渊学袁氧122015产冤院酸2969-2976.
袁36发渊酵3冤院液1000-1005.作碳源强化污水
咱3暂水处理效果刘晔袁王淑莹咱J袁暂袁悦.农业袁等工.程学剩余报污袁泥厌2016氧袁32发渊酵8冤院混206-211.
合物提高低C/N污咱4暂MuralicornstoverN袁FernandezfortheproductionS袁AhringofBvolatilefattyK.Fermentationacids咱ofJ暂wet.Bioresource
鄄exploded
咱5暂邵Technology硝留酸盐袁徐咱祖J暂.信袁2017环袁境金科伟袁227学袁等院袁2009.197-204.
以稻渊5草冤院为1414-1419.
碳源和生物膜载体去除水中的咱6暂孙的研究雅丽袁咱张J暂.国环臣境袁科阎学中袁袁2010等.以袁31腐渊朽木6冤院1494-1498.为碳源去除废水中盐氮咱7暂龙京建农兵业袁大学学顾向阳报.乳袁2015酸作袁38为渊EBPR1冤院85-92.进水碳源的可行性研究咱J暂.南咱8暂唐嘉陵的脱氮袁特王性晓咱昌J暂.袁中蒲国云辉环境袁等科.学餐厨袁2017垃圾渊4酸性冤院1426-1433.发酵及其产物为碳源咱9暂邹水生物脱氮胜男袁梅翔咱袁J暂谢.环玥境袁等工.程学以剩报余袁污2011泥水袁5解渊11酸冤院化2519-2526.液为外加碳源的污
咱10暂ZhangmentationYongmeidenitrificationliquid袁WangfromXiaochang袁ChengZhe袁etal.Effectoffer鄄
咱11暂A.渊42inwastewaterfoodwastetreatmentasa咱carbonJ暂.Chemospheresourcefor袁enhancing2016袁144cropsLehtomaki冤院6-696.
院methane袁L.productionBjornsson.袁nitrogenTwo鄄stageanaerobicdigestionofenergy
咱12暂mobilisationAshok咱J暂.EnvironmentalTechnologymineralisation袁2006袁27and渊2heavy冤院209-218.
metalsolidphaseV袁HaitdenitrificationS.Remediationprocess-aofnitratereview鄄咱contaminatedJ暂.EnvironmentalwaterSciby
enceandPollutionResearch袁2015袁22渊11冤院8075-8093.鄄
咱13暂ZhangbiomassYifor袁ZhaoenhancedJia袁XubiogasFuqingproduction袁etal.PretreatmentProgressoflignocellulosic
CombustionScience袁2014袁42渊1冤院35-53.
咱J暂.inEnergyand
咱14暂KaparajuonbiogasPproduction袁SerranoM袁AngelidakiI.Effectofreactorconfiguration
Technology袁2009袁100from渊24冤院wheat6317-6323.
strawhydrolysate咱J暂.Bioresource
咱15暂李特桂性淑研究袁李咱广J暂.袁工李晶业水处理袁等.剩袁余2015污泥袁35发渊酵5冤院产23-26.物作为碳源的反硝化
要要要
咱作者简介要要要要要要要暂要黄胡林通渊1993讯作要者冤袁硕士新梅遥E鄄mail院huanghulin93@foxmail.
com遥院付袁博士袁教授遥E鄄mail院fuxinmei68@咱收稿日期暂163.com2019-04-01遥
渊修改稿冤
45
