厨余发酵液作为中试AOMBR外增碳源的脱氮特性

中国环境科学2015,35(10)：3018~3025ChinaEnvironmentalScience厨余发酵液作为中试A/O-MBR外增碳源的脱氮特性唐嘉陵1,王晓昌1*,夏四清1,2(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西西安710055；2.同济大学环境科学与工程学院,上海200092)摘要：利用厨余发酵液作为A/O-MBR的外增碳源,考察在不同发酵液投加量和水力停留时间(HRT)条件下的脱氮性能以及膜污染特点.结果表明,发酵液的反硝化速率和COD利用率与乙酸钠接近,比葡萄糖高.通过A/O-MBR的运行发现,厨余发酵液作为碳源能够增强微生物活性,强化反硝化过程,从而提高脱氮效率.TN的去除效率随着发酵液投加量的增加而增大.发酵液投加前后,反应器内的EPS并没有积累,膜污染速率变化较小.化学清洗可以有效地去除膜污染物质,恢复膜通量.同时,延长HRT有助于提高脱氮效率和缓解膜污染.关键词：厨余发酵液；中试A/O-MBR；碳源；膜污染中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)10-3018-08Characteristicsofnitrogenremovalinapilot-scaleA/O-MBRwithFermentationLiquidofFoodWaste(FLFW)asexternalcarbonsources.TANGJia-ling1,WANGXiao-chang1*,XIASi-qing1,2(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China；2.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(10)：3018~3025Abstract：Fermentationliquidoffoodwaste(FLFW)wasappliedasexternalcarbontoapilot-scaleA/O-MBRtoexplorethecharacteristicsofnitrogenremovalandmembranefoulingunderdifferentdosageandHRT.ResultsdemonstratedthatFLFWandsodiumacetatecharacterizedsimilarspecificdenitrificationrate(SDNR)andCODutilizationefficiency,butbothofthemarehigherthanthatofglucose.ItwasalsofoundthattheFLFWcanstimulatetheactivityofbiomassandenhancedenitrificationprocessessignificantly,whichfurtherimprovednitrogenremoval.TheTNremovalefficienciesincreasedwiththeadditionofFLFW.Inaddition,afteraddingFLFW,theEPSdidnotaccumulateinreactorandthemembranefoulingrate(FR)increasedslightly.Chemicalcleancaneffectivelyremovemembranefoulantsandrecoverthepermeability.LengtheningtheHRTwasmoreadvantageousinnitrogenremovalandmembranefoulingcontrol.Keywords：fermentationliquidoffood(FLFW)；pilot-scaleA/O-MBR；carbonsource；membranefouling生物脱氮除磷工艺具有费用低,技术成熟等[1]优点而被广泛应用.然而由于硝化菌、反硝化菌和聚磷菌等对基质和空间存在竞争,硝化过程常常成为脱氮的限制因素,其处理效率并不稳定[2-4].MBR作为一种新型污水处理技术,其高效的泥水分离能力,有利于保持反应系统内较高的污泥浓度,从而使污染物去除效率更高,系统更加稳定[5-6].此外,污泥停留时间(SRT)不再受水力停留时间(HRT)的影响,有利于世代周期较长的微生物(硝化菌)在系统内富集[7].A/O-MBR是传统脱氮工艺和MBR工艺的组合,弥补了MBR难以实现脱氮的缺点,同时强化了A/O系统的脱氮能力.作为反硝化过程的电子供体,有机物的含量直接影响着反硝化进行的速率和程度[8].根据电子平衡原理,还原1gNO3--N需要消耗2.86gCOD,但由于存在其他方面(如微生物增殖、降低溶解氧等)的消耗,所需要的COD量更高[9].为提高脱氮效率,向低C/N的污水中投加碳源是较为常用的方法.碳源的选择需要考虑以下几点因素:费用、污泥产量、反硝化速率、动力学、存储和使用的安全性、有害成分等[10-11].葡萄糖和甲醇等易降解有机物可以作为碳源强化生物脱氮除收稿日期：2015-03-25基金项目：水体污染与治理科技重大专项(2013ZX07310);陕西省污水处理与资源化重点科技创新团队(2013KCT-13);陕西省“百人计划”*责任作者,教授,[e-mail]10期唐嘉陵等：厨余发酵液作为中试A/O-MBR外增碳源的脱氮特性3019磷效果[12-14],但是其价格昂贵,且控制难度较大[15-16],难以在实际工程中广泛应用.一些研究者利用污泥酸化液作为碳源,从而实现污泥减量和资源回用[17].然而,污泥的含水率较高,水解液中有机物的生物可利用性能较差.此外,水解液中N、P含量较高,将其作为外增碳源存在额外增加N、P负荷的问题[18-19].因此寻求一种经济可行、安全可靠的高效碳源十分关键[20].餐厨垃圾常被作为废物处理,然而其有机质含量较高,处理难度和费用都较高.研究表明,厨余发酵液中含有大量的VFA、乳酸等易降解有机物[21],可以作为碳源强化生物脱氮.现有报道主要基于厨余发酵液的制备研究,而很少将其用于反应器中.因此,本文以厨余发酵液作为外增碳源,用于改善中试A/O-MBR反硝化条件,考察其脱氮性能以及对膜污染的影响.1材料和方法1.1A/O-MBR如图1所示为中试A/O-MBR反应器,其有效体积为8m3,其中V厌氧:V好氧:V膜池=1:1:1.膜组件为PVDF中空纤维膜(MOTIMO,中国),膜面积为8m2,孔径为0.1µm.好氧池与膜池之间采用穿孔墙隔开,其中膜池采用穿孔管曝气冲刷膜表面,气水比为20:1,好氧池采用微孔曝气头曝气供氧.好氧池中溶解氧保持在1~2mg/L,混合液从好氧池回流至厌氧池中,回流比(R)为2.运行期间MLSS为4500~5000mg/L,MLVSS/MLSS为0.68~0.75.反应器采用恒通量出水,为控制膜污染,采用间歇抽吸出水方式,每抽吸8min,间歇2min,每1h自动反洗一次,跨膜压差通过在线监测压力表实时监测记录.厨余发酵液通过厨余投加泵与原污水在管道混合后进入厌氧池,水质如表1所示.通过改变进出水流量来调节反应器的水力停留时间(HRT).R=2MTMP发酵液投加泵原污水泵曝气泵出水泵图1中试A/O-MBR反应器Fig.1Configurationofthepilot-scaleA/O-MBR表1反应器进出水水质和运行参数Table1MaininfluentandeffluentcharacteristicsandoperationparametersoftheA/O-MBR阶段Q厨余/Q污水(L/m3)运行时间(d)CODinfluent(mg/L)CODeffluet(mg/L)TNinfluent(mg/L)HRT(h)MLSS(mg/L)ORP厌氧池(mV)I01~31150±2020±5.026.9±3.264500±100-40±15II1.532~52250±2224±5.324.9±3.564700±60-110±30III2.553~83350±3326±6.021.5±2.764850±50-210±53IV1.584~112250±1126±4.630.8±4.384750±75-120±20V2.5113~127350±3027±4.521.1±3.884680±73-230±351.2厨余发酵液制备餐厨垃圾取自于西安某校园食堂餐厅.收集的餐厨经过人工预处理(检出骨头、废纸、肉等)后,加入热水并搅拌去除油脂,重复3次,油脂可基本去除.将处理后的厨余投入磨碎机内,打磨10min后经过筛网(筛孔为1mm)过滤,滤液加入自来水调节含水率至95%左右,后放入冰箱(4℃)保存(打磨液).厨余发酵罐有效容积为110L,以A/O-MBR厌氧池污泥(30L)为接种污泥,加入制备好的厨余液80L,于50℃(不调节pH值)下驯化污泥.经过1个月的驯化,发酵罐基本稳定.而后每日从发酵罐中取出30L厨余发酵液作为碳源投入A/O-MBR中,并向发酵罐投加30L预处理好的新鲜厨余打磨液.厨余打磨液和发酵液组分及3020中国环境科学35卷性质如表2所示.表2厨余打磨液和发酵液的特性Table2CharacteristicsofpretreatedfoodwasteandFLFW参数单位打磨液发酵液pH值5.3±0.23.5±0.2VS/TS%97.0495.87CODg/L88.6±5.982.56±7.9SCODg/L30.1±5.632.1±2.9VFAg/L2.3±0.55.3±0.9乙酸g/L0.014.6±0.5丙酸g/L0.010.3±0.02乳酸g/L0.057.5±0.3蛋白质g/L13.86±2.710.4±0.9碳水化合物g/L32.3±0.820.98±0.2TNg/L0.92±0.450.91±0.53NH4+-Ng/L0.31±0.030.36±0.05TPg/L0.17±0.060.14±0.03PO43-g/L0.019±0.0010.025±0.0021.3批式实验为了探究厨余发酵液的特性,将其与葡萄糖、乙酸钠进行了反硝化速率比较.步骤如下:在反应器运行稳定的条件下,取厌氧池污泥,利用超纯水将污泥淘洗3次,去除其中的有机物、NOx-N,将污泥等分成3份于密封瓶中,并用超纯水定容至1.5L后通入N2去除溶液中的溶解氧(DO),加入NaNO3和碳源(葡萄糖、乙酸钠和厨余发酵液),使得NO3--N和COD的最终浓度分别为(35±5)mg/L和(300±20)mg/L,污泥浓度为3000mg/L左右.反应体系pH值保持在7.0~8.2之间.实验过程中,定时取样分析NO3--N、NO2--N和COD.比反硝化速率为:3d(NON)SDNRdXt−−=其中:SDNR为比反硝化速率,mgNO3--N/(gMLVSS⋅h),X为污泥浓度,MLVSS,g/L,t为反硝化时间,h.1.4COD利用效率碳源作为反硝化电子供体的能力可以通过有机物用于脱氮的量与有机物的总消耗量的比值表征.根据电子平衡原理,在不考虑其他消耗的情况下,每去除1gNO3--N需要消耗2.86gCOD.因此其利用效率可表示为:COD(TN()-TN())2.86CODCOD()-COD()η×==用于脱氮的理论需求量进出实际消耗量进出1.5EPS的测定胞外聚合物(EPS)是主要的膜污染物质,其主要成分为溶解性EPS(SEPS)和结合型EPS(BEPS).提取步骤为:取25mL混合液于6000r/min离心后取上清液,用0.22µm过滤得SEPS.而后向离心管中加入缓冲溶液恢