厨余垃圾渗滤液作为低碳氮比废水处理外加碳源的脱氮性能研究.pdf

Water Pollution and Treatment 水污染及处理水污染及处理,2023,11(4),115-124 Published Online October 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/wpt https:/doi.org/10.12677/wpt.2023.114015 文章引用文章引用:马冬杰,张现海,吴盛阳,刘思洋,张德慧,吴启凡,王慧超.厨余垃圾渗滤液作为低碳氮比废水处理外加碳源的脱氮性能研究J.水污染及处理,2023,11(4):115-124.DOI:10.12677/wpt.2023.114015 厨余垃圾渗滤液作为低碳氮比废水处理厨余垃圾渗滤液作为低碳氮比废水处理 外加碳源的脱氮性能研究外加碳源的脱氮性能研究 马冬杰，张现海，吴盛阳，刘思洋，张德慧，吴启凡，王慧超马冬杰，张现海，吴盛阳，刘思洋，张德慧，吴启凡，王慧超 安徽浩悦再生资源利用有限责任公司，安徽 合肥 收稿日期：2023年9月13日；录用日期：2023年10月13日；发布日期：2023年10月23日 摘摘 要要 厨余垃圾渗滤液有机物含量高，可生化性强，将厨余垃圾渗滤协同处理低碳氮比废水，不仅可以降低废水厨余垃圾渗滤液有机物含量高，可生化性强，将厨余垃圾渗滤协同处理低碳氮比废水，不仅可以降低废水处理成本，而且处理成本，而且可以可以实现以废治废。针对厨余垃圾渗滤液作为外加碳源对于低碳氮比废水处理的脱氮性能实现以废治废。针对厨余垃圾渗滤液作为外加碳源对于低碳氮比废水处理的脱氮性能研究，在不同研究，在不同COD/TN条件下将厨余垃圾渗滤液与传统碳源甲醇、乙酸钠的反硝化性能进行对比，结果表条件下将厨余垃圾渗滤液与传统碳源甲醇、乙酸钠的反硝化性能进行对比，结果表明：明：当当COD/TN=6时，反硝化速率厨余垃圾渗滤液时，反硝化速率厨余垃圾渗滤液 乙酸钠乙酸钠 甲醇，分别为甲醇，分别为18.77 mg-3NON/(gVSSh)、15.84 mg-3NON/(gVSSh)、9.09 mg-3NON/(gVSSh)；总氮去除率厨余垃圾渗滤液总氮去除率厨余垃圾渗滤液 乙酸钠乙酸钠 甲甲醇，分别为醇，分别为91.72%、90.98%、75.18%；将厨余垃圾渗滤液作为外加碳源实际应用到某有机资源处理；将厨余垃圾渗滤液作为外加碳源实际应用到某有机资源处理中心废水处理中，废水处理工艺中心废水处理中，废水处理工艺的的生化系统运行稳定。生化系统运行稳定。关键词关键词 厨余垃圾渗滤液厨余垃圾渗滤液，碳源碳源，反硝化速率反硝化速率，脱氮效率脱氮效率 Study on Nitrogen Removal Performance of Kitchen Waste Leachate as an External Carbon Source for Low Carbon Nitrogen Ratio Wastewater Treatment Dongjie Ma,Xianhai Zhang,Shengyang Wu,Siyang Liu,Dehui Zhang,Qifan Wu,Huichao Wang Anhui Haoyue Renewable Resources Utilization Co.,Ltd.,Hefei Anhui Received:Sep.13th,2023;accepted:Oct.13th,2023;published:Oct.23rd,2023 马冬杰 等 DOI:10.12677/wpt.2023.114015 116 水污染及处理 Abstract The kitchen waste leachate contains high organic matter,and its biodegradability is strong.Collabor-ative treatment of low carbon nitrogen ratio wastewater through kitchen waste leachate can not on-ly reduce the cost of wastewater treatment,but also realize waste treatment by waste.Aiming at the research on the nitrogen removal performance of kitchen waste leachate as an external carbon source for low carbon ratio wastewater treatment,the denitrification effect of kitchen waste leachate with traditional carbon sources methanol and sodium acetate was compared under different COD/TN conditions.The results showed that:When COD/TN=6,the order of the denitrification rate is:kitch-en waste leachate:18.77 mg-3NON/(gVSSh)sodium acetate:15.84 mg-3NON/(gVSSh)methanol:9.09 mg-3NON/(gVSSh);the order of total nitrogen removal rates is:kitchen waste leachate:91.72%sodium acetate:90.98%methanol:75.18%.The kitchen waste leachate was actually applied to the wastewater treatment of an organic resource treatment center as an exter-nal carbon source,and the biochemical system of the wastewater treatment process operated stably.Keywords Kitchen Waste Leachate,Carbon Source,Denitrification Rate,Nitrogen Removal Efficiency Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 随着我国污水处理厂总氮排放标准的提高，低碳氮比废水在反硝化过程中存在的问题日益显露，低碳氮比废水如不外加碳源会造成外排水超标1 2。低碳氮比废水常采用生化法处理，由于废水碳氮比低，在处理过程中需要投加大量的碳源供反硝化脱氮，污水处理成本大幅增加3，而高昂的碳源成本4 5成为污水处理运营不得不面对的问题，寻找一种经济可行、安全可靠的外加碳源是非常有必要的6。厨余垃圾在堆积过程中会产生大量的厨余垃圾渗滤液，这些厨余垃圾渗滤液的处理一直是国内外学者研究的重点7 8，有研究表明9，厨余垃圾渗滤液中含有大量的挥发性脂肪酸(VFAs)10、乳酸等易降解的有机物11，其具有很高的碳氮比，具备作为污水处理碳源的潜力12。目前，国内外也有对于厨余垃圾渗滤液作为废水处理外加碳源进行反硝化脱氮的研究13 14，利用厨余垃圾渗沥液具有大量可降解有机物的特点，增强低碳氮比废水的反硝化脱氮能力，提高反硝化速率，但能否用于实际污水处理中仍有待探究。本文实验通过控制不同的 COD/TN，探究甲醇、乙酸钠、厨余垃圾渗滤液作为外加碳源处理低碳氮比废水的脱氮效果，同时结合生产将某有机资源处理中心厨余垃圾料坑内的垃圾渗滤液泵入污水处理系统，为厨余垃圾渗滤作为碳源应用到实际生产中提供依据。2.厨余渗滤液与传统碳源脱氮效果对比的小试实验厨余渗滤液与传统碳源脱氮效果对比的小试实验 2.1.实验材料实验材料 本次实验采用的原水为某有机资源处理中心污水系统调节池及二级硝化池水样，其水质指标如表 1、Open AccessOpen Access马冬杰 等 DOI:10.12677/wpt.2023.114015 117 水污染及处理 表 2 所示。Table 1.Indicators of regulating tank 表表 1.调节池指标 指标(mg/L)COD TN NH3-N 3NO-N 2NO-N TP 检测数值 2200 200 1800 200 1700 200 5 2 1 28 5 Table 2.Indicators of secondary nitrification tank 表表 2.二级硝化池指标 指标(mg/L)COD TN NH3-N 3NO-N 检测数值 670 20 80 10 0.5 40 5 实验采用的厨余垃圾渗滤液为某有机资源处理中心厨余垃圾料坑内渗滤液，甲醇为工业级甲醇溶液，乙酸钠为工业级乙酸钠固体。其各项指标如表 3 所示。Table 3.Indicators of kitchen waste leachate,methanol,and sodium acetate 表表 3.厨余垃圾渗滤液、甲醇、乙酸钠指标 碳源 COD(mg/L)TN(mg/L)NH3-N(mg/L)厨余垃圾渗滤液 42,000 500 1500 200 600 100 甲醇 620,000 10 0.1 乙酸钠 38,500 10 0.1 2.2.实验装置实验装置 本次实验分 3 组池体进行，池体均为透明亚克力板制作，容积为 200 L，配备有 pH 计、溶解氧探头及搅拌装置，两侧配置进水口及出水口，实验装置如图 1 所示。Figure 1.Experimental setup diagram 图图 1.实验装置图 模拟实验装置为按照一定比例缩放的某有机资源处理中心污水生化系统，由 4 组相通的池体组合构成，均为透明亚克力板制作，配备有 pH 计、溶解氧探头、搅拌装置、曝气装置、进水泵、回流泵等。模拟装置如图 2 所示。马冬杰 等 DOI:10.12677/wpt.2023.114015 118 水污染及处理 Figure 2.Simulation experiment setup diagram 图图 2.模拟实验装置图 2.3.实验方法实验方法 1)将调节池水样及二级硝化池水样按一定比例混合后，开启曝气装置，曝气约 24 h，使硝化菌种在好氧环境中将氨氮全部转化为硝态氮(氨氮 厨余垃圾渗滤液 甲醇，分别为 19.36 mg 3NO-N/(gVSSh)、15.17 mg 3NO-N/(gVSSh)、7.14 mg 3NO-N/(gVSSh)，速度计算以硝态氮降低至稳定不变的时间点为准，乙酸钠、厨余垃圾渗滤液、甲醇反应时间分别是 11 h、13 h、25 h。图 4 为在 COD/TN=6 时硝态氮的去除曲线。由图可知，反硝化速率：厨余垃圾渗滤液 乙酸钠 甲醇，分别为 18.77 mg 3NO-N/(gVSSh)、15.84 mg 3NO-N/(gVSSh)、9.09 mg 3NO-N/(gVSSh)，反应时间分别为 13 h、13 h、21 h。图 5 为在 COD/TN=7 时硝态氮的去除曲线。由图可知，反硝化速率：厨余垃圾渗滤液 乙酸钠 甲醇，分别为 23.44 mg 3NO-N/(gVSSh)、16.23 mg 3NO-N/(gVSSh)、9.21 mg 3NO-N/(gVSSh)。反应时间分别为 13 h、13 h、23 h。由图 3、图 4、图 5 知，甲醇作为外加碳源时其反硝化速率最低，根据 Xu 15的报道，原因可能为马冬杰 等 DOI:10.12677/wpt.2023.114015 120 水污染及处理 反硝化最先利用的是乙酸等 VFA，而甲醇被利用需要先转化成对应的 VFA，故甲醇反硝化速度较慢；图3 中厨余垃圾渗滤液在 COD/TN=5:1 时反硝化速率比乙酸钠慢，原因可能为厨余垃圾渗滤液本身包含一部分硝态氮，影响了反硝化速率的检测准确性；由图 4、图 5 可知，在 COD/TN 提高后，厨余垃圾渗滤液反硝化速率最快，原因可能为厨余垃圾渗滤液成分较多，有可溶性碳水化合物、挥发性脂肪酸、醇类、蛋白质等组成，单一组分的物质反硝化速率要低于混合物16，所以当厨余垃圾渗滤液作为反硝化碳源时，可以同时利用降解以上物质，实现多种反硝化微生物协同作用共同脱氮的效果11。Table 6.Carbon source reaction time and ratio 表表 6.碳源反应时间和速率 甲醇 乙酸钠 厨余垃圾渗滤液 COD/TN 反应时间h 反硝化速率 mg3NO-N/(gVSSh)反应时间 h 反硝化速率 mg3NO-N/(gVSSh)反应时间 h 反硝化速率 mg3NO-N/(gVSSh)5:1 25 7.14 11 19.36 13 15.17 6:1 21 9.09 13 15.84 13 18.77 7:1 23 9.21 13 16.23 13 23.44 Figure 3.Nitrate removal curve of different carbon sources when COD/TN=5:1 图图 3.COD/TN=5:1 时不同碳源的硝态氮去除曲线 Figure 4.Nitrate removal curve of different carbon sources when COD/TN=6:1 图图 4.COD/TN=6:1 时不同碳源的硝态氮去除曲线 马冬杰 等 DOI:10.12677/wpt.2023.114015 121 水污染及处理 Figure 5.Nitrate removal curve of different carbon sources when COD/TN=7:1 图图 5.COD/TN=7:1 时不同碳源的硝态氮去除曲线 3.2.不同碳源的使用对总氮去除率的影响不同碳源的使用对总氮去除率的影响 图 6、图 7、图 8 分别为 COD/TN=5:1、6:1、7:1 时甲醇、乙酸钠、厨余垃圾渗滤液的 TN 去除曲线。当 COD/TN=5:1 时，总氮去除率为：乙酸钠 厨余垃圾渗滤液 甲醇，其去除率分别为 80.82%、78.76%、65.75%。由于碳源投加量不足，反硝化反应受阻，各池内水样硝态氮均未反应完全，导致各碳源总氮去除率均偏低。当 COD/TN=6:1 时，总氮去除率为：厨余垃圾渗滤液 乙酸钠 甲醇，其去除率分别为 91.72%、90.98%、75.18%。厨余垃圾渗滤、乙酸钠实验组均未检测到硝态氮。当 COD/TN=7:1 时，总氮去除率为：厨余垃圾渗滤液 乙酸钠 甲醇，其去除率分别为 92.54%、92.16%、90.67%。三个实验组均未检测到硝态氮。由此可知，甲醇作为碳源只有在 COD/TN 为 7 时，才能将有机废水中所有硝态氮反应完全，证明了反硝化菌种对甲醇型碳源吸收利用率低；厨余垃圾渗滤液在 COD/TN=6、7 时，TN 去除率最高，证明了厨余垃圾渗滤液利用率高，但当 COD/TN=5:1 时，厨余垃圾渗滤液自身带有的部分 TN 导致原配水的 TN未能完全去除，因此在利用厨余垃圾渗滤液作碳源时，以 COD/TN 计算碳源投加量时需计算其自身的 TN。Figure 6.Total nitrogen removal curve of different carbon sources when COD/TN=5:1 图图 6.COD/TN=5:1 时不同碳源的总氮去除曲线 马冬杰 等 DOI:10.12677/wpt.2023.114015 122 水污染及处理 Figure 7.Total nitrogen removal curve of different carbon sources when COD/TN=6:1 图图 7.COD/TN=6:1 时不同碳源的总氮去除曲线 Figure 8.Total nitrogen removal curve of different carbon sources when COD/TN=7:1 图图 8.COD/TN=7:1 时不同碳源的总氮去除曲线 3.3.厨余垃圾渗滤液作为外加碳源的连续型中试厨余垃圾渗滤液作为外加碳源的连续型中试 调节池为需要处理的低碳氮比废水，二级 O 出水为污水处理模拟装置处理后的产水。由表 7 可知，在投加厨余垃圾渗滤液作为碳源后，模拟系统二级 O 出水的 COD、总氮保持稳定，COD 去除率在 8286%之间，总氮去除率在 9495%之间，模拟装置的生化系统运行稳定。Table 7.Regulating tank water sample and secondary O effluent indicators 表表 7.调节池水样及二级 O 出水指标 调节池 二级 O 日期 COD(mg/L)TN(mg/L)COD(mg/L)TN(mg/L)11.14 2300 1560 267 93 11.15 2425 1600 285 84 11.16 2215 1500 298 80 11.17 2465 1650 301 74 马冬杰 等 DOI:10.12677/wpt.2023.114015 123 水污染及处理 Continued 11.18 2365 1700 287 82 11.19 2300 1650 279 93 11.20 2400 1560 285 86 4.工程应用工程应用 完成上述实验后，将部分厨余垃圾渗滤液投入到某有机资源处理中心污水系统，用于实际生产，某有机资源处理中心污水处理工艺为：预处理+两级 A/O+超滤(UF)+芬顿高级氧化系统+曝气生物滤池 BAF，出水水质满足某污水处理厂的接管要求。工艺系统流程如图 9 所示。调节池(待处理的低碳氮比废水)以及超滤产水(生化处理后的出水)数据如表 8 所示，COD 去除率在 9598%，总氮去除率在 9497%，证明厨余垃圾渗滤液作为低碳氮比废水处理外加碳源可用于实际生产。Figure 9.Flow chart of sewage treatment system 图图 9.污水处理系统流程图 Table 8.Indicators of regulating tank water sample and ultrafiltration water production 表表 8.调节池水样及超滤产水指标 项目 调节池 超滤产水 日期 COD(mg/L)TN(mg/L)COD(mg/L)TN(mg/L)11.14(与上同与上同)3080 1450 146 72 11.15 3175 1400 144 85 11.16 3200 1500 128 70 11.17 3710 1600 132 60 11.18 3515 1550 163 69 11.19 3270 1600 134 72 11.20 4500 1650 137 66 11.21 4620 1700 150 70 11.22 4870 1750 155 60 11.23 4165 1650 168 57 5.结论结论 1)在合适的 COD/TN 下，反硝化菌种对厨余垃圾渗滤液的利用率最高，其反硝化速率及总氮去除率均高于传统碳源(甲醇、乙酸钠)，是一种优质的传统碳源替代品。2)厨余垃圾渗滤液组成成分复杂，有机质含量高，易于被反硝化菌种利用。马冬杰 等 DOI:10.12677/wpt.2023.114015 124 水污染及处理 3)厨余垃圾渗滤液可作为反硝化碳源应用到实际污水处理中，但应用过程中应考虑厨余垃圾渗滤液自身携带的总氮对污水处理过程的影响。参考文献参考文献 1 熊建军.餐厨垃圾厌氧发酵制备污水处理外加碳源及其反硝化性能评价D:硕士学位论文.邯郸:河北工程大学,2021.2 姚凤根,朱水元,孙雨清,等.餐厨(厨余)垃圾碳源化技术及应用研究J.环境卫生工程,2018,26(2):22-25.3 段文雪,李龙国,刘超,等.泥炭作为缓释碳源对反硝化过程的影响J.环境污染与防治,2020,42(4):457-460.4 Lim,S.J.,Ahn,Y.H.,Kim,E.Y.and Chang,H.N.(2006)Nitrate Removal in a Packed Bed Reactor Using Volatile Fatty Acids from Anaerobic Acidogenesis of Food Wastes.Biotechnology and Bioprocess Engineering,11,538-543.https:/doi.org/10.1007/BF02932080 5 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