不同外加碳源生物滤池的深度处理特性与经济分析
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XIA Qiong-qiong1 ， YAN Xiu-qin1 ， ZHANG Xiang-yang1 ， ZHANG Wei1 ， ZHANG Su-fang2 ， JIANG Bai-yi2
（ 1． National Engineering Research Center for Urban Water and Wastewater，Tianjin 300074， China； 2． School of Municipal and Environmental Engineering，Shenyang Jianzhu University，
图 3 滤柱沿程的 COD 和 SS 值 Fig． 3 COD and SS concentration along filter
2. 3 不同碳源下的适宜碳氮比 碳源性质不同时，除了反硝化速率有差异，完成
反硝化所需要的碳源量也不同。根据试验结果，计 算出各碳源下反硝化适宜的碳氮比，结果见表 1。 可以看出，采用小分子的甲醇、乙醇、乙酸作为碳源
Shenyang 110168，China） Abstract： Using glucose，methanol，ethanol，acetic acid and sodium acetate as carbon source respectively，the removal of NO3－ － N，COD and SS in denitrifying biofilter （ DNBF） used as advanced treatment after secondary treatment was investigated，and the techno-economic analysis was made． The results show that the removal rates of NO3－ － N are 70． 2% ，68． 0% ，73． 5% ，80． 6% and 82． 3% respectively，and the suitable C ∶ N ratios are 7． 51，4． 10，4． 89，5． 14 and 4． 63 gCOD / gNO3－ － N respectively when adding the above-mentioned carbon sources． The order relation of the denitrification rates is sodium acetate ＞ acetic acid ＞ ethanol ＞ glucose ＞ methanol． The effluent COD and SS concentrations can meet the first level A discharge standard after adding appropriate quantity of carbon source． The techno-economic analysis indicates that sodium acetate can be used as the preferred carbon source for DNBF． Key words： denitrifying biofilter； external carbon source； techno-economic analysis
摘 要： 考察了外加葡萄糖、甲醇、乙醇、乙酸和乙酸钠这 5 种碳源时，作为二级处理后续深 度处理的反硝化生物滤池（ DNBF） 对 NO3－ － N、COD 和 SS 的去除特性，并进行了技术经济分析。 结果表明，分别投加上述 5 种碳源时，DNBF 对 NO3－ － N 的去除率分别为 70． 2% 、68． 0% 、73． 5% 、 80． 6% 和 82． 3% ，各碳源的适宜碳氮比分别为 7． 51、4． 10、4． 89、5． 14 和 4． 63 gCOD / gNO3－ － N，反 硝化速率大小排序为乙酸钠 ＞ 乙酸 ＞ 乙醇 ＞ 葡萄糖 ＞ 甲醇。投加适量碳源后，滤池出水 COD 和 SS 值仍可达到一级 A 排放标准。技术经济分析结果显示，乙酸钠可作为 DNBF 的优先选择碳源。
在最佳碳氮比下投加各种碳源，考察滤柱出水 的 COD 和 SS 值，并与未投加碳源时进行比较。滤 柱进水 SS 为 21 ～ 58 mg / L、COD（ 投加碳源后） 为 89 ～ 144 mg / L。结果表明，和未加碳源下相比，投加碳
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夏琼琼，等： 不同外加碳源生物滤池的深度处理特性与经济分析
项
目
消耗 COD 量 / （ mg·L － 1 ）
去除 NO3－ － N 量 / （ mg·L － 1 ）
试验测定了滤柱沿程的 COD 和 SS 值，结果见 图 3。可以看出，在 76 cm 滤柱深度处（ 接触时间约 为 30 min） ，不同碳源情况下的 COD 浓度均降到 50 mg / L 以下。其中乙酸和乙酸钠在滤柱内降解最快， 在 76 cm 滤柱深度处对 COD 的去除率基本达到最 大，而其他 3 种碳源在 109 cm 处时去除率达到最 大，这和硝酸盐氮的降解情况类似。和 COD 相比， 滤柱去除 SS 需要较长的接触时间，当水流经过整个 滤柱 142 cm 后（ 接触时间约为 57 min） ，SS 值才完 全降到 10 mg / L 以下。所以，如果设计的 DNBF 有 除 SS 功能时，需考虑采用较长的接触时间。
图 1 试验装置示意 Fig． 1 Schematic diagram of experimental reactor
1. 3 分析方法 COD： 重铬酸钾法［3］； NO3－ － N： 紫外分光光度
法； NH4+ － N： 纳氏试剂光度法［3］； 水温： Hach 便携 式溶氧仪。
2 结果与讨论
2. 1 不同碳源下生物滤池的反硝化效果 分别过量投加（ COD / NO3－ － N = 8． 52） 葡萄糖、
关键词： 反硝化生物滤池； 外碳源； 技术经济分析 中图分类号： X703 文献标识码： C 文章编号： 1000 － 4602（ 2011） 15 － 0091 － 04
Advanced Treatment Characteristics of Biofilter with Different External Carbon Sources and Its Techno-economic Analysis
第 27 卷 第 15 期
源后出水 COD 值虽然有所升高，但均能维持在 50 mg / L 以下，可以保证出水 水 质 达 到 一 级 A 标 准。 而出水 SS 的情况也类似，除了投加葡萄糖时有时会 超过 10 mg / L 外，投加其他 4 种碳源下的出水 SS 均 可达标。这主要是因为，葡萄糖为碳源时微生物细 胞合成作用较强，产率高，所以生物膜生长较快，老 化脱落后致使 SS 升高。因此，以葡萄糖为碳源时， 为了保证出水水质，需加强对滤池反冲洗的控制。
采用有机玻璃滤柱进行试验（ 试验装置示意见 图 1） ，内径为 10 cm，总高为 2． 3 m，其中承托层高 为 10 cm，滤料层高为 1． 4 m，沿滤层不同深度处设 取样口。滤柱内装填陶粒滤料，平均粒径为 3 ～ 5 mm。采用升流式过滤方式，运行的水力负荷为 1． 5 m3 / （ m2 ·h） ，采用气水联合反冲洗。
图 2 滤柱沿程对 NO3－ － N 的去除情况 Fig． 2 NO3－ － N removal effect along filter
NO3－ － N 被降解的快慢与碳源性质有关。乙酸 属挥发性脂肪酸，能直接转化为乙酰辅酶 A，进入 TCA（ 三羧酸） 循环； 乙酸钠属于乙酸盐，它与乙酸的 反硝化速率相当； 而乙醇在被生物降解生成乙酸后 才能被反硝化菌进一步代谢［4，5］； 葡萄糖由于分子 质量相对较大，降解途径稍显复杂，在被利用时首先 被转化为丙 酮 酸，然 后 转 化 形 成 乙 醇［6］，因 此 其 反 硝化速率又略低于乙醇； 而甲醇是单碳化合物，不能 进入 TCA 循环产生还原能量，所以其消耗速率相对 较低，反硝化速率也较慢。试验同时还发现，投加甲 醇时，滤柱脱氮效果稳定的适应期较长，需近 30 d， 而投加其他碳源时系统的适应期仅需 1 d。 2. 2 出水COD 和SS 值
考察分别投加 5 种碳源情况下 NO3－ － N 在滤 柱内沿水流流向降解的情况，结果见图 2。可以看 出，以乙酸和乙酸钠为碳源时 NO3－ － N 降解最快， 以葡萄糖和乙醇为碳源时稍慢一些，以甲醇为碳源 时最慢。以乙酸和乙酸钠为碳源时，在滤柱深度为 76 cm 处（ 接触时间约为 30 min） 对 NO3－ － N 的去除 率即达到最大值； 而以葡萄糖、乙醇和甲醇为碳源 时，在滤柱深度为 109 cm 处（ 接触时间约为 44 min） 对 NO3－ － N 的去除率才基本达到最大值。
1 材料与方法
1. 1 原水水质 以中试二沉池出水为原水，其水质如下： COD
为 23 ～ 44 mg / L（ 均值为 36 mg / L） 、NH4+ － N 为0． 39 ～ 5． 02 mg / L （ 均 值 为 3． 68 mg / L ） 、NO3－ － N 为 21． 00 ～ 33． 75 mg / L（ 均值为 27． 88 mg / L） 、SS 为 9 ～ 62 mg / L（ 均值为 37 mg / L） 、水温为 10． 1 ～ 14． 2 ℃ （ 均值为 12． 6 ℃ ） 。 1. 2 试验装置
为缓解和控制水体的富营养化，国家制定的污 水排放标准越来越严格，一些采用常规二级处理工
基金项目： 国家水体污染控制与治理科技重大专项（ 2008ZX07314 － 007）
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第 27 卷 第 15 期
Fra Baidu bibliotek
中国给水排水
www． watergasheat． com
艺的城市污水处理厂出水往往不能达标排放。为 此，研究人员开发了种类繁多的污水深度处理脱氮 新技术，其中反硝化生物滤池（ DNBF） 由于具有占 地面积小、出水水质好、易于管理等突出特点而受到 了广泛关注［1，2］。DNBF 作为二级处理后续的深度 处理设施，其进水具有有机物浓度低而氮浓度高的 特点，要实现高效脱氮需补充碳源。笔者通过小试， 分别考察了以葡萄糖、甲醇、乙醇、乙酸和乙酸钠为 碳源时 DNBF 的反硝化效能与特性，以期为该工艺 的设计和优化运行提供科学依据。
时，所需碳氮比较低，而葡萄糖的碳氮比最高。这主 要是由于葡萄糖容易被大多数微生物利用合成细胞 物质，而且能产生能量供合成代谢，所以葡萄糖参与 细胞合成部分的比例较高，而进行反硝化反应的比 例较低，故去除单位 NO3－ － N 需葡萄糖量较高。
表 1 不同碳源的适宜碳氮比 Tab． 1 Appropriate C ∶ N under various carbon sources
第 27 卷 第 15 期 2011 年 8 月
中国给水排水
CHINA WATER ＆ WASTEWATER
Vol． 27 No． 15 Aug． 2011
不同外加碳源生物滤池的深度处理特性与经济分析
夏琼琼1， 颜秀勤1， 张向阳1， 张 维1， 张素芳2， 蒋白懿2
（ 1． 国家城市给水排水工程技术研究中心，天津 300074； 2． 沈阳建筑大学 市政与环境 工程学院，辽宁 沈阳 110168）
甲醇、乙醇、乙酸和乙酸钠 5 种碳源时，滤柱对硝酸 盐氮的平均去除率分别为 70． 2% 、68． 0% 、73． 5% 、 80． 6% 和 82． 3% ，出水 NO3－ － N 均值分别为 7． 71、 8． 65、7． 07、5． 07 和 4． 76 mg / L。可以看出，采用乙 酸钠进行反硝化时去除率最高且稳定，其次较为接 近的是采用乙酸的。
（ 1． National Engineering Research Center for Urban Water and Wastewater，Tianjin 300074， China； 2． School of Municipal and Environmental Engineering，Shenyang Jianzhu University，
图 3 滤柱沿程的 COD 和 SS 值 Fig． 3 COD and SS concentration along filter
2. 3 不同碳源下的适宜碳氮比 碳源性质不同时，除了反硝化速率有差异，完成
反硝化所需要的碳源量也不同。根据试验结果，计 算出各碳源下反硝化适宜的碳氮比，结果见表 1。 可以看出，采用小分子的甲醇、乙醇、乙酸作为碳源
Shenyang 110168，China） Abstract： Using glucose，methanol，ethanol，acetic acid and sodium acetate as carbon source respectively，the removal of NO3－ － N，COD and SS in denitrifying biofilter （ DNBF） used as advanced treatment after secondary treatment was investigated，and the techno-economic analysis was made． The results show that the removal rates of NO3－ － N are 70． 2% ，68． 0% ，73． 5% ，80． 6% and 82． 3% respectively，and the suitable C ∶ N ratios are 7． 51，4． 10，4． 89，5． 14 and 4． 63 gCOD / gNO3－ － N respectively when adding the above-mentioned carbon sources． The order relation of the denitrification rates is sodium acetate ＞ acetic acid ＞ ethanol ＞ glucose ＞ methanol． The effluent COD and SS concentrations can meet the first level A discharge standard after adding appropriate quantity of carbon source． The techno-economic analysis indicates that sodium acetate can be used as the preferred carbon source for DNBF． Key words： denitrifying biofilter； external carbon source； techno-economic analysis
摘 要： 考察了外加葡萄糖、甲醇、乙醇、乙酸和乙酸钠这 5 种碳源时，作为二级处理后续深 度处理的反硝化生物滤池（ DNBF） 对 NO3－ － N、COD 和 SS 的去除特性，并进行了技术经济分析。 结果表明，分别投加上述 5 种碳源时，DNBF 对 NO3－ － N 的去除率分别为 70． 2% 、68． 0% 、73． 5% 、 80． 6% 和 82． 3% ，各碳源的适宜碳氮比分别为 7． 51、4． 10、4． 89、5． 14 和 4． 63 gCOD / gNO3－ － N，反 硝化速率大小排序为乙酸钠 ＞ 乙酸 ＞ 乙醇 ＞ 葡萄糖 ＞ 甲醇。投加适量碳源后，滤池出水 COD 和 SS 值仍可达到一级 A 排放标准。技术经济分析结果显示，乙酸钠可作为 DNBF 的优先选择碳源。
在最佳碳氮比下投加各种碳源，考察滤柱出水 的 COD 和 SS 值，并与未投加碳源时进行比较。滤 柱进水 SS 为 21 ～ 58 mg / L、COD（ 投加碳源后） 为 89 ～ 144 mg / L。结果表明，和未加碳源下相比，投加碳
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项
目
消耗 COD 量 / （ mg·L － 1 ）
去除 NO3－ － N 量 / （ mg·L － 1 ）
试验测定了滤柱沿程的 COD 和 SS 值，结果见 图 3。可以看出，在 76 cm 滤柱深度处（ 接触时间约 为 30 min） ，不同碳源情况下的 COD 浓度均降到 50 mg / L 以下。其中乙酸和乙酸钠在滤柱内降解最快， 在 76 cm 滤柱深度处对 COD 的去除率基本达到最 大，而其他 3 种碳源在 109 cm 处时去除率达到最 大，这和硝酸盐氮的降解情况类似。和 COD 相比， 滤柱去除 SS 需要较长的接触时间，当水流经过整个 滤柱 142 cm 后（ 接触时间约为 57 min） ，SS 值才完 全降到 10 mg / L 以下。所以，如果设计的 DNBF 有 除 SS 功能时，需考虑采用较长的接触时间。
图 1 试验装置示意 Fig． 1 Schematic diagram of experimental reactor
1. 3 分析方法 COD： 重铬酸钾法［3］； NO3－ － N： 紫外分光光度
法； NH4+ － N： 纳氏试剂光度法［3］； 水温： Hach 便携 式溶氧仪。
2 结果与讨论
2. 1 不同碳源下生物滤池的反硝化效果 分别过量投加（ COD / NO3－ － N = 8． 52） 葡萄糖、
关键词： 反硝化生物滤池； 外碳源； 技术经济分析 中图分类号： X703 文献标识码： C 文章编号： 1000 － 4602（ 2011） 15 － 0091 － 04
Advanced Treatment Characteristics of Biofilter with Different External Carbon Sources and Its Techno-economic Analysis
第 27 卷 第 15 期
源后出水 COD 值虽然有所升高，但均能维持在 50 mg / L 以下，可以保证出水 水 质 达 到 一 级 A 标 准。 而出水 SS 的情况也类似，除了投加葡萄糖时有时会 超过 10 mg / L 外，投加其他 4 种碳源下的出水 SS 均 可达标。这主要是因为，葡萄糖为碳源时微生物细 胞合成作用较强，产率高，所以生物膜生长较快，老 化脱落后致使 SS 升高。因此，以葡萄糖为碳源时， 为了保证出水水质，需加强对滤池反冲洗的控制。
采用有机玻璃滤柱进行试验（ 试验装置示意见 图 1） ，内径为 10 cm，总高为 2． 3 m，其中承托层高 为 10 cm，滤料层高为 1． 4 m，沿滤层不同深度处设 取样口。滤柱内装填陶粒滤料，平均粒径为 3 ～ 5 mm。采用升流式过滤方式，运行的水力负荷为 1． 5 m3 / （ m2 ·h） ，采用气水联合反冲洗。
图 2 滤柱沿程对 NO3－ － N 的去除情况 Fig． 2 NO3－ － N removal effect along filter
NO3－ － N 被降解的快慢与碳源性质有关。乙酸 属挥发性脂肪酸，能直接转化为乙酰辅酶 A，进入 TCA（ 三羧酸） 循环； 乙酸钠属于乙酸盐，它与乙酸的 反硝化速率相当； 而乙醇在被生物降解生成乙酸后 才能被反硝化菌进一步代谢［4，5］； 葡萄糖由于分子 质量相对较大，降解途径稍显复杂，在被利用时首先 被转化为丙 酮 酸，然 后 转 化 形 成 乙 醇［6］，因 此 其 反 硝化速率又略低于乙醇； 而甲醇是单碳化合物，不能 进入 TCA 循环产生还原能量，所以其消耗速率相对 较低，反硝化速率也较慢。试验同时还发现，投加甲 醇时，滤柱脱氮效果稳定的适应期较长，需近 30 d， 而投加其他碳源时系统的适应期仅需 1 d。 2. 2 出水COD 和SS 值
考察分别投加 5 种碳源情况下 NO3－ － N 在滤 柱内沿水流流向降解的情况，结果见图 2。可以看 出，以乙酸和乙酸钠为碳源时 NO3－ － N 降解最快， 以葡萄糖和乙醇为碳源时稍慢一些，以甲醇为碳源 时最慢。以乙酸和乙酸钠为碳源时，在滤柱深度为 76 cm 处（ 接触时间约为 30 min） 对 NO3－ － N 的去除 率即达到最大值； 而以葡萄糖、乙醇和甲醇为碳源 时，在滤柱深度为 109 cm 处（ 接触时间约为 44 min） 对 NO3－ － N 的去除率才基本达到最大值。
1 材料与方法
1. 1 原水水质 以中试二沉池出水为原水，其水质如下： COD
为 23 ～ 44 mg / L（ 均值为 36 mg / L） 、NH4+ － N 为0． 39 ～ 5． 02 mg / L （ 均 值 为 3． 68 mg / L ） 、NO3－ － N 为 21． 00 ～ 33． 75 mg / L（ 均值为 27． 88 mg / L） 、SS 为 9 ～ 62 mg / L（ 均值为 37 mg / L） 、水温为 10． 1 ～ 14． 2 ℃ （ 均值为 12． 6 ℃ ） 。 1. 2 试验装置
为缓解和控制水体的富营养化，国家制定的污 水排放标准越来越严格，一些采用常规二级处理工
基金项目： 国家水体污染控制与治理科技重大专项（ 2008ZX07314 － 007）
·91·
第 27 卷 第 15 期
Fra Baidu bibliotek
中国给水排水
www． watergasheat． com
艺的城市污水处理厂出水往往不能达标排放。为 此，研究人员开发了种类繁多的污水深度处理脱氮 新技术，其中反硝化生物滤池（ DNBF） 由于具有占 地面积小、出水水质好、易于管理等突出特点而受到 了广泛关注［1，2］。DNBF 作为二级处理后续的深度 处理设施，其进水具有有机物浓度低而氮浓度高的 特点，要实现高效脱氮需补充碳源。笔者通过小试， 分别考察了以葡萄糖、甲醇、乙醇、乙酸和乙酸钠为 碳源时 DNBF 的反硝化效能与特性，以期为该工艺 的设计和优化运行提供科学依据。
时，所需碳氮比较低，而葡萄糖的碳氮比最高。这主 要是由于葡萄糖容易被大多数微生物利用合成细胞 物质，而且能产生能量供合成代谢，所以葡萄糖参与 细胞合成部分的比例较高，而进行反硝化反应的比 例较低，故去除单位 NO3－ － N 需葡萄糖量较高。
表 1 不同碳源的适宜碳氮比 Tab． 1 Appropriate C ∶ N under various carbon sources
第 27 卷 第 15 期 2011 年 8 月
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不同外加碳源生物滤池的深度处理特性与经济分析
夏琼琼1， 颜秀勤1， 张向阳1， 张 维1， 张素芳2， 蒋白懿2
（ 1． 国家城市给水排水工程技术研究中心，天津 300074； 2． 沈阳建筑大学 市政与环境 工程学院，辽宁 沈阳 110168）
甲醇、乙醇、乙酸和乙酸钠 5 种碳源时，滤柱对硝酸 盐氮的平均去除率分别为 70． 2% 、68． 0% 、73． 5% 、 80． 6% 和 82． 3% ，出水 NO3－ － N 均值分别为 7． 71、 8． 65、7． 07、5． 07 和 4． 76 mg / L。可以看出，采用乙 酸钠进行反硝化时去除率最高且稳定，其次较为接 近的是采用乙酸的。