剩余污泥厌氧发酵过程中氮的转化规律与计量关系最全word资料Word格式文档下载.docx

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通常情况下，发酵产生的上清液需回流至污水处理系统重新处理。

上清液中往往携带各种发酵产物，如氨态氮、硝态氮、短链脂肪酸等，它们重新进入污水处理系统，有的会有利于污水的处理，如短链脂肪酸可作为微生物的碳源[1]，而有的（如氨态氮、硝态氮）却会增加污水厂的处理负荷，导致水质恶化。

认识污泥发酵过程中各形态氮的演变转化关系可为解决这类问题提供理论依据。

自然界中N元素的循环转化是通过硝化、反硝化、氨化、固氮等过程进行的。

在环境工程领域国内外已开展较多研究，总体可分为两类。

一类是针对固体物质而开展的，如邢雅囡研究了富营养化水体底泥中氮元素的形态演化及其释放影响因素[2]。

林云琴通过交替式好氧厌氧堆肥试验，研究了造纸污泥中氮元素的变化规律[3]。

马宏瑞等研究了受制革污泥污染后土壤矿化过程中N的释放规律[4]。

魏自民研究了生活垃圾堆肥过程中有机态氮形态的动态变化[5]。

另一类是针对液相物质而开展的，如Rong等发现通过对污水处理系统中的污泥进行回流，可以对各种形态氮有效控制[6]。

Hua等以硝酸盐为氮源，采用SBR反应器研究了硝态氮在生物除磷中的转化关系[7]。

另有科研工对污水生物处理系统中的氮元素的形态及其作用进行了大量研究[8-9]。

令人遗撼的是，对于上述两类特征兼具的污水处理厂排放的剩余污泥，相关研究尚不多见[10]。

为此，以A/O生物处理工艺排出的剩余污泥为研究对象，设计一系列厌氧发酵实验，对剩余污泥厌氧发酵过程中N的转化规律及其相关指标的变化进行研究，为更深入揭示剩余污泥厌氧发酵过程中各形态氮的变化规律提供参考。

1试验与分析方法

1.1试验材料与方法

试验用剩余污泥取自上海某水质净化厂二沉池，该厂处理工艺为厌氧/好氧（A/O）生物处理工艺，取出的剩余污泥的初始特性如表1所示。

从二沉池取浓缩后的剩余污泥，放入18组棕色厌氧消化瓶中，封口（不密封），采用磁力搅拌器缓慢搅拌，使污泥处理悬浮状态不分层。

为防止温度变化对厌氧发酵过程的影响，反应器一直放置在20℃的恒温培养箱中。

试验周期共计21天。

每隔一定时间，从中取出两组消化瓶，取样分析，分析后数据取平均值。

分析指标包括TSS、VSS、TCOD、SCOD、N-NH4+、N-NO3-、N-NO2-、TN。

取样时临时增加搅拌速度，使反应器混合均匀后再取样。

1.2测试方法

pH采用pH计，TCOD、SCOD采用重铬酸钾氧化法，TSS、VSS采用烘干法，N-NH4+采用纳氏试剂比色法、N-NO3-采用酚二磺酸分光光度计法、N-NO2-采用N-（1-萘基）乙二胺光度法、TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度计法。

其中，SCOD、N-NH4+、N-NO3-、N-NO2-是在上清液中测试的。

上清液与污泥中的固相采用微孔滤膜（0.45μm，醋酸纤维膜）过滤分离。

1.3数据处理

表1剩余污泥的初始性质

Table1Initialcharacteristicsofexcesssludge

TSS/（102mg·

L-1）

VSS/（102mg·

灰分/（102mg·

TCOD/（102mg·

SCOD/（102mg·

118.50

103.50

15.00

240.30

0.4

DCOD/（102mg·

N-NH4+/（mg·

N-NO3-/（10-1mg·

N-NO2-/（10-1mg·

TN/（mg·

240.26

18.36

27.54

12.70

573.0

试验中各指标的变化速率用下式计算：

其中v为某指标的变化速率，（mg·

L-1·

d-1），指标数值增大，其值为正，指标数值减小，其值为负；

ρ后为某时间间隔结束时测试的某指标的质量浓度数值（mg·

L-1）；

ρ前为某时间间隔开始时期测试的某指标的质量浓度数值（mg·

Δt为时间间隔的长度（d）。

v=（ρ后-ρ前）/Δt（mg·

d-1）

2分析与讨论

2.1厌氧发酵过程中各种形态氮的变化关系

t/d

剩余污泥厌氧发酵过程中，总氮、氨氮、硝态氮、亚硝态氮的质量浓度变化情况见图1。

从中可以看出：

随着发酵时间的进行，总氮呈一直降低趋势，从最高值474.5mg·

L-1最终降至274.3mg·

L-1，总氮减少较多，其变化速率前期偏大，后期偏小，平均变化速度为-10.5mg·

d-1。

氨氮一直呈升高趋势，前16d升速较快，然后趋于平缓。

整个反应期内氨氮平均释放速率为4.16mg·

d-1，最大释放速率发生在11~16d之间，其值达9.32mg·

d-1，表明在剩余污泥厌氧发酵过程中，会释放较多的氨氮。

在厌氧反应期内，硝态氮均维持比较低的水平，从变化趋势来看，第11天之前，污泥上清液中的硝态氮呈一个降低趋势，11天之后，开始升高。

同样，亚硝态也维持在较低水平，但其变化趋势却与硝态氮相反，它是11天前，呈略升高趋势，后又呈略降低之势，总体变化幅度极小。

剩余污泥中总氮减少较多，表明厌氧发酵过程中N元素损失较多。

通常而言，N损失途径有如下几个：

1）搅拌过程中氨态氮的挥发；

2）反硝化作用下，N-NO3-或N-NO2-还原成N2O和N2逸出[11]；

3）厌氧氨氧化作用，NH4+将N-NO3-转换为N2或其它气态氮化合物逸出[12]。

其中2）、3）途径中N元素的损失均需硝态氮或亚硝态氮大量参与。

而整个反应过程中没有检测到较大量的硝态氮或亚硝态氮，由此可以作出判断，N的损失的主因是上清液中氨态氮的挥发。

因此，在污泥厌氧发酵过程中如果要使N损失增大，可通过增强搅拌强度来实现。

但这并不意味着2）、3）途径不存在，因为从硝态氮与亚硝态氮的变动情况看，硝化作用与反硝化作用从未停止过，图2中硝态氮与亚硝态氮之和呈总体下降的趋势更是说明了硝态氮对N损失的贡献。

（×

10-1）

2.2厌氧发酵过程中总氮与SS变化相关关系

发酵过程中总氮、氨氮与TSS、VSS的变化情况如图3所示。

从中可以看出，随着总氮的损失或者说氨态氮的释放，TSS、VSS均呈下降趋势。

可能是由于测试误差的原因，两个指标的下降速率起伏不定，没有固定规律，但平均下降速率分别为2.480×

102mg·

d-1与3.620×

TSS、VSS的下降主要是在相应厌氧微生物作用下，固体有机物质水解或者是厌氧环境下细菌菌体死亡溶解而引起的，正是这些过程的进行，使得其中的有机氮转化为氨态氮，并将其从固相中释放至上清液，上清液中氨态氮的增加又导致了总氮的损失。

相关性分析也证实了这样的转化过程：

总氮损失与TSS、VSS之间的正相关系数分别为0.7344、0.8599，有相关性，但不显著。

而氨态氮释放则与TSS、VSS之间的负相关系数分别为0.9047、0.9455，呈显著线性相关。

另外值得关注的一个现象是：

VSS下降

速率高于TSS，两指标之差（TSS-VSS），即剩余污泥中的灰分略有增加。

这表明在厌氧发酵过程中，VSS在转化为溶解性物质的同时，一些溶解性物质也可能会因形成稳定的无机沉淀或络合物而被TSS所吸附，形成污泥固相中的灰分[13]。

2.3厌氧发酵过程中氮元素与COD变化相关关系

厌氧发酵过程中，氨态氮、总氮与TCOD、SCOD变化关系如图4所示。

从中可以看出，随着

发酵过程的进行，污泥中TCOD质量浓度逐渐降低，其降低趋势明显可分为两个阶段，在11d之前，降低速率较大，达11.778×

d-1，11d之后，降低速率较小，为3.000×

d-1，整个试验期内的TCOD平均降低速率为7.158×

相反，SCOD质量浓度呈逐步上升趋势。

也是在11d左右出现拐点，前期SCOD平均增加速率偏大，为4.920×

d-1，后期SCOD增加速率偏小，为了4.340×

整个试验期内SCOD平均降低速率为4.652×

TCOD的下降应当主要是由于在厌氧发酵微生物的作用下，最终转变为CO2、CH4而从水中去除。

而SCOD升高，则是TCOD转化为CO2、CH4的一个必然过程。

分析剩余污泥中N元素与COD变化的相关关系，总氮损失与TCOD降低的线性相关系数为0.9575，呈显著正相关。

而氨氮的释放与SCOD的增加的线性相关系数为0.9543，也呈显著正相关。

这表明C、N两种元素在污泥厌氧发酵过程中的转化关系存在某种一致性，这种一致性应该是剩余污泥中的TCOD主要组分是微生物的机体，C、N元素是其基本组成。

因此TCOD下降的同时，机体中的N也以氨态氮形式释放出来。

在通常的污水处理系统中，总氮损失（即氮元素的去除）是由于反硝化过作用去除的，这个过程需要一定的SCOD（特别是短链脂肪酸），因而会伴随SCOD的降低[14]，而在污泥发酵系统中看不到类似关系，也从另一角度印证前述的推测，即总氮的损失不是以反硝化作用为主，而是以氨态氮的挥发为主。

2.4厌氧发酵过程总氮损失与其它指标的计量

在试验期内，TSS、VSS、TCOD、SCOD、总氮、氨态氮的平均变化速率如表2所示。

从中可得出如下计量关系：

在剩余污泥发酵系统中，总氮每损失1mg的同时，其它指标变化情况为TSS损失

约计24.0mg，VSS损失约计34.0mg，TCOD损失约计680mg，SCOD增加约计44.0，氨态氮增加约计0.40mg，如表3所示。

3结论

表2试验期内各指标的平均变化速率

Table2Averagechangerateofallindicatorsduringthetest

总氮/（mg·

-2.480

-3.620

-7.158

4.652

-10.500

4.162

表3N元素转化与其它指标的计量关系

Table3Metrologyrelationshipofnitrogenandotherindicatorsmg

TN

TSS

VSS

TCOD

SCOD

N-NH4+

-1.00

-24.0

-34

-68

+44.0

0.40

（1）剩余污泥厌氧发酵过程中总氮的损失的主因是上清液中氨态氮的挥发。

但同时也存在因硝化、反硝化作用而导致的总氮损失。

如果想减轻污水处理厂上清液回流造成的总氮负荷，则需加强污泥发酵过程中的搅拌与通风。

（2）通过剩余污泥厌氧发酵过程中总氮、氨态氮与TSS、VSS、TCOD、SCOD等指标的相关关系，发现氨态氮与VSS减少、SCOD增加呈显著线性相关，而TN则相关性相对较差，从而说明总氮损失过程是固相中的有机氮先转化为液相中的氨态氮，然后再损失掉的。

（3）计量学研究表明：

在剩余污泥发酵系统中，总氮每损失1mg的同时，其它指标变化情况为TSS损失约计24.0mg，VSS损失约计34.0mg，TCOD损失约计680mg，SCOD增加约计44.0mg，氨态氮增加约计0.40mg。

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Changeandmetrologyrelationshipsofnitrogenduringanaerobic

fermentationofexcessivesludge

BiDongsu1,2,ZhengGuanghong2LuFeng3

1.ChemicalEngineeringSchoolofShanghaiInstituteofTechnology,Shanghai200235,China;

2.EnvironmentalScienceandEngineeringSchoolofTongjiUniversity,Shanghai200092,China;

3.EnvironmentalMonitoringCenterofJiangsuProvince,Nanjing210036,China

Abstract:

Transformationandmetrologyrelationshipsofnitrogeninexcessivesludgeduringthecourseofanaerobicfermentationwereinvestigatedwith18brownanaerobicreactors.TheexcessivesludgewasobtainedformasewagetreatmentplantinwhichtheA/Oprocess（aenhancedbiologicalphosphorusremovalprocess）wasused.Inordertodiscussthechangeandmetrologyrelationshipsofnitrogen,aseriesofindicatorsofsludgepropertiessuchasTCOD（TotalChemicalOxygenDemand）,SCOD（SolubleChemicalOxygenDemand）,TSS（TotalSuspendSolids）,VSS（VolatileSuspendSolids）weremonitored.TheresultsindicatedthatTNlossduringthecourseoffermentationwerecausedmainlybythevolatilizationofN-NH4+.WhilethenitrificationanddenitrificationwerecontributetoT