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摘要：我国乡镇污水处理厂普遍存在进水碳源不足的问题，导致出水总氮无法达到排放要求，所以很多污水处理厂选择投加碳源的方式增强系统的反硝化作用，但是不同种类的碳源其对反硝化作用的影响不同。本文基于反硝化速率的测定，建立了乡镇污水处理厂补充碳源的评价方法，并对重庆市合川区某乡镇污水处理厂的补充碳源的性能进行了试验。结果表明，通过此方法可以有效地评价乡镇污水处理厂补充碳源的性能，其成果可用于污水处理厂的运营管理。
关键词：污水处理厂；活性污泥；碳源；反硝化速率
1 反硝化过程的基本原理及其动力学
1.1 反硝化过程的原理
生物反硝化过程是污水中的硝态氮在无氧条件下，反硝化细菌利用碳源作为电子供体，NO3--N作为电子受体，将NO3--N还原成氮气，同时达到去除有机物的效果。
生物反硝化过程分为同化反硝化和异化反硝化过程，同化反硝化利用硝酸盐氮合成新的细胞物质，异化反硝化将硝酸盐氮还原成氮气。异养菌代谢过程中中，（1-YH）的碳源用于异化作用消耗，而剩余（YH）的碳源用于异养菌同化作用，合成新的微生物。
1.2 反硝化过程的动力学
在Monod方程的基础上，得到反硝化过程的动力学方程如下所示：
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式中：q——比反硝化速率，h-1；
qmax——最大比反硝化速率，h-1；
c——t时刻NOX--N的浓度，mg/L；
S——t时刻BOD5的浓度，mg/L；
Kn、Ks——饱和常数，mg/L。
饱和常数的大小与碳源的种类及其生物降解性有关，国际水协会（IWA）ASM1和ASM2号模型将城镇污水厂进水中的COD划分为易生物降解COD（SS）、慢速生物降解COD（XS）以及不可生物降解COD（SI、XI）。不同种类的碳源，即电子供体不同，其反硝化速率也有差异。易生物降解COD的反硝化速率最快，慢速生物降解COD的反硝化速率次之。所以在选择补充碳源时，尽量选择易生物降解COD[6]。
2 试验材料与方法
2.1 试验材料
试验用碳源主要为乙酸钠（副产品）以及供应商复配的碳源，8种商品碳源的COD当量浓度见表1。
表1 商品碳源参数
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试验用活性污泥取自河北省某采用A2/O工艺的城镇污水处理厂的生化池，根据近期水质监测数据分析，平均进水BOD5/TN=2.07<4，不满足《室外排水设计规范》（GB50014-2006）中A2/O工艺脱氮的碳源要求，所以外加碳源成为该污水处理厂的必然选择。
2.2 试验方法
采用自行研制的反硝化速率测定装置进行碳源的投加试验，从缺氧池内取适量活性污泥混合液加入反应器中，打开磁力搅拌器开关，对反应器进行缓慢搅拌以免发生沉淀，反应器内DO< 0.5 mg/L，ORP< 50 mV时，按照C/N=4：1投加碳源开始试验，测定初始MLSS、MLVSS、温度、COD以及NO3--N浓度。之后每隔10 min测定NO3--N浓度，反应结束后测定混合液中残留的COD含量。
3 结果分析与讨论
3.1 不同碳源时的反硝化速率
对8种商品碳源进行了反硝化速率试验，测定每个反应器中NO3--N浓度随时间的变化，结果见图3。根据NO3--N浓度随时间的变化计算8种碳源下的反硝化速率，结果见图4。所有外加碳源时的反硝化速率均存在明显的2个阶段，第一阶段反硝化速率均大于第二阶段，这主要是因为反应初始阶段易生物降解的COD较充足，此时的反硝化速率与NO3--N浓度高低无关，只与反硝化菌的数量有关。而随着反应时间的增加，可被微生物直接利用的碳源已在第一阶段耗尽，第二阶段反硝化需要通过微生物水解慢速可降解的COD作为碳源，所以反硝化速率降低。反硝化速率值与混合液中微生物快速可利用COD浓度大小成正相关，即充足的易降解碳源是保证高效反硝化脱氮效果的前提。
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图3 不同碳源的硝酸盐氮浓度变化曲线
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图4 不同碳源的反硝化速率
3.2 反硝化碳源的评价
污水处理厂的补充碳源一般加在缺氧反应池的进口端，在缺氧反应池
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图5 相同初始条件下不同碳源的硝酸盐浓度变化曲线
内完成反硝化过程。所以碳源的选择要依据每个污水处理厂缺氧池内的实际的水力停留时间。
试验所在污水处理厂的缺氧池设计水力停留时间HRT=3.25 h，但缺氧池实际的停留时间要根据实际进水水量、内回流和外回流的比例来计算，假定进水水量为Q，则污泥回流量为Q，混合液回流量为2Q，因此缺氧池总的进水量为4Q，由此推导缺氧池实际反硝化时间约为49 min。所以反硝化时间以49min作为基准，比较添加不同种类商品碳源时49min内硝酸盐浓度的变化。
HRT实际=V/（Q+Q+2Q）=HRT/4=3.25/4=0.8125h=48.75min
由于试验初始时硝酸盐浓度不同，为了便于分析，根据试验获得的反硝化速率，假设初始状态一致，NO3-N浓度为12mg/L，绘制反硝化速率曲线进行对比分析。8种碳源相同初始条件下硝酸盐浓度变化曲线见图5。在相同的试验条件下，8号碳源第一阶段反硝化速率最大，35min即可以去除11 mg/L的硝酸盐氮，然后进入慢速反硝化阶段，其次为2号、1号、3号、6号和7号，4#和5#碳源反硝化速率较慢，50 min内反硝化不足50%，难以满足污水处理厂脱氮的要求。在综合考虑碳源价格、反硝化性能后选择8号碳源作为此污水处理厂的补充碳源。
4 结论
本研究建立了城镇污水处理厂补充碳源选择的基本方法，不同种类的碳源，即电子供体不同，其反硝化速率也有差异。易生物降解COD的反硝化速率最快，慢速生物降解COD的反硝化速率次之。所以在选择补充碳源时，尽量选择易生物降解COD。通过反硝化速率测定的小试试验，比较在实际缺氧池停留时间内添加不同种类的碳源后的反硝化速率，从而评价不同种类碳源的性能，最终筛选出一种适合于特定污水处理厂的补充碳源。
参考文献：
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