白酒废水作为水务运营碳源的可行性研究

中图分类号 X522

文献标志码 A

Abstract： Domestic municipal wastewater treatment plants generally require the addition of carbon sources in the denitrification process. Alcohol wastewater contains a large amount of organic matter that is easily biodegradable. If it can be used as a carbon source for wastewater treatment plants， it can not only save a lot of costs but also realize the resource utilization of waste， which is in line with the concept of national sustainable development. This study compared the denitrification rate， nitrification inhibition， and residual CODCr of composite carbon sources， sodium acetate， and alcohol wastewater to demonstrate the feasibility of using alcohol wastewater as a denitrification carbon source for wastewater treatment plants. Under the same conditions， the denitrification rate of alcohol wastewater is lower than that of composite carbon sources and sodium acetate， but its residual CODCr is also lower than that of composite carbon sources. The optimal dosage was determined to be 1.5 times the equivalent of CODCr in the influent of the wastewater treatment plant. At this dosage， alcohol wastewater can ensure a denitrification rate comparable to traditional mainstream carbon sources， without affecting the nitrification reaction of the biochemical process and the CODCr in the effluent of the wastewater treatment plant.

Keywords： Alcohol wastewater; Carbon source; Denitrification

目前，市镇污水处理厂的脱氮工艺以生物处理法为主，且污水中的碳源会直接影响其脱碳效果[1，2]。而国内市政污水处理厂进水中的碳氮比总体偏低，导致反硝化所需的碳源不足，需要额外投加碳源来保证脱氮效果[3]。常用的反硝化碳源包括甲醇、乙酸、乙酸钠以及复合碳源等 [4]。这部分碳源额外增加了污水处理厂的运营成本，也导致了大量温室气体的排放 [5]。白酒废水是白酒酿造过程中的主要废弃物，含有大量多糖、低碳醇（乙醇、丁醇、戊醇等）、脂肪酸、氨基酸等有机物，具有高 CODCr、BOD5、SS和低 pH 的特点 [6-8]。虽然是废弃物，但白酒废水也可以看作是一种生物质资源，是未来可再生能源的重要组成部分 [9，10]。若将其作为碳源用于水务运营中污水处理厂的脱氮工艺，可以减少酿酒企业及污水处理厂双方的成本实现双赢[11]，并且实现了废弃物的资源化利用，符合国家可持续发展的理念。

本研究通过实验对比了白酒废水与市场上主流碳源的反硝化效果以及白酒废水对污水厂运营可能产生的影响，并优化了白酒废水代替主流碳源时的投加量。验证了白酒废水作为碳源的可行性并为其在水务运营中 的有效应用提供了数据支撑。

1 实验部分

1.1 实验水样及污泥

实验包括两个水样，分别为待处理样品及待研究样品。其中，待处理样品为某城镇污水处理厂进水；待研究样品为某酿酒企业生产的白酒废水，具体水质情况见表1：

表 1 实验水样水质数据

实验所用污泥为某城镇污水处理厂缺氧池及好氧池污泥。为保证其它水样，药剂添加后污泥浓度不被稀释，所有污泥均经离心分离后重新配置，最终污泥浓度保持与污水处理厂一致。其中，缺氧池污泥MLSS 为 4120mg/L ，MLVSS 为 2230mg/L ；好氧池污泥MLSS 为 4420mg/L ，MLVSS 为 2460mg/L. 。

1.2 实验药剂及设备

实验所用药剂若非特殊说明均为分析纯，具体包括：某复合碳源（CODCr 当量 55 万 mg/L） ）；乙酸钠；硝酸钠；氮气 （99.999%） ）；氯化铵；浓硫酸 （98%） ）；氢氧化钠；磷酸缓冲液（含磷酸二氢钾 8.50g/L、磷酸氢二钾21，75 g/L、磷酸氢二钠26.64 g/L）；营养液（含氯化钙 27.5g/L 、氯化铁 0.15g/L 、硫酸镁 11.00 g/L）。

主要实验仪器包括：离心机（LXJ-IIB）；水分分析仪（HB43-S）；电子天平（XS-205）；恒温摇床（SPH-310F）；溶解氧仪（YSI 5100）；pH 计（S210-S）；空气泵（ACO-318）。

1.3 实验方法

1.3.1 反硝化速率实验

在污水厂进水中分别加入一定量的不同碳源（白酒废水、复合碳源及乙酸钠）及缺氧污泥，再以硝酸钠调节实验初始硝酸盐氮浓度为定值。利用氮气吹脱，在缺氧条件下振荡反应，每隔一定时间采样测定其硝酸盐氮浓度。以反应时间为横坐标、硝酸盐氮浓度为纵坐标作图，对数据进行线性拟合后以其斜率的绝对值为反硝化速率。

1.3.2 硝化抑制实验

在污水厂进水中分别加入一定量的白酒废水及好氧污泥，再以氯化铵调节实验初始凯氏氮浓度为定值。使用空气泵进行曝气，并在好氧条件下反应 24 小时后测定其凯氏氮浓度。根据实验样品凯氏氮变化量与空白组（脱盐水配置）的比值计算抑制率。计算公式为：

式中：

为样品组的初始凯氏氮，mg/L；

为样品组的结束凯氏氮，mg/L；

为空白组的初始凯氏氮，mg/L；

为空白组的初始凯氏氮，mg/L。

1.3.3 残余 CODCr 实验

参考GB/T 21816-2008 化学品 固有生物降解性 赞恩- 惠伦斯实验，测定不同碳源（白酒废水、复合碳源及乙酸钠）及空白组（未添加碳源）初始及反应 24 小时后的 CODCr，并据此计算碳源的 CODCr 去除率及残余CODCr，计算公式为：

残余 CODCr L= 去除率

式中：

为样品组的初始 CODCr，mg/L；

为样品组的结束 CODCr，mg/L；

为空白组的初始 CODCr，mg/L；

为空白组的初始 CODCr，mg/L。

2 结果与分析

2.1 反硝化速率

在室温、中性 pH、缺氧 ⟨DO<0.5mg/L ），初始硝酸盐氮浓度为 40mg/L 的条件下，分别投加三种不同碳源进行反硝化速率实验，投加量为污水厂进水的一倍 CODCr 当量（ 254mg/L） ）。根据计算，三种不同碳源的反硝化1速4率8分别为2复0合2碳15。源第5.4290mg/期（L h）、乙酸钠 7.48 mg/（L ·h）、白酒废水 4.80 mg/（L ·h）。

可以发现在相同的条件下，投加白酒废水样品的反硝化速率最低。其硝酸盐氮浓度基本全程都高于另外两组样品，差距随着时间不断扩大，但总体的反硝化速率处于同一数量级。

图 2 为在其余条件相同的情况下，投加不同浓度白酒废水进行反硝化速率实验的结果。根据计算投加污水厂进水CODCr 0.5 倍、1 倍、1.5 倍及2 倍的白酒废水后，其反硝化速率分别为 3.42mg/（L⋅h） 、4.80mg/（L⋅h） 、7.34 mg/（L ·h）、 9.58mg/（L⋅h）. 。样品的反硝化速率随着白酒废水的投加量的增加而提高，并且当投加量增加至 1.5 倍时，其反硝化速率超过复合碳源与乙酸钠相当；当投加量达到 2 倍时，反硝化速率超过乙酸钠。同时，也有研究表明当理论反硝化速率在 3-5mg （gVSS·h） 时能达到较好的脱氮效果 [12]。按照缺氧池污泥 MLVSS 浓度 2230mg/L 换算为 6.69-11.15 mg/（L⋅h）， 。说明从反硝化速率的角度，白酒废水完全可以替代复合碳源及乙酸钠保证污水厂的脱氮效果，只需要增加投加量至进水 CODCr 1.5 倍当量以上即可。

2.2 硝化抑制

为避免白酒废水在作为碳源使用过程中对硝化过程产生影响而测定其硝化抑制。在室温、中性 pH、好氧（DO>2 mg/LΩ， ），初始凯氏氮浓度为 40mg/L 的条件下，分别投加不同浓度白酒废水进行硝化抑制实验。具体投加量为污水厂进水CODCr 的0.5 倍、1 倍、1.5 倍及2 倍当量，结果如图3 所示。

根据上图显示，白酒废水仅在投加 2 倍进水 CODCr 当量时具有一定的抑制，抑制率为 12% 。当投加量逐渐降低至 1 倍进水 CODCr 当量时，抑制率也同步减低至 0‰ 但当投加量进一步降低至 0.5 倍进水 CODCr 当量时，抑制率反而有所提升，但提升的幅度仅为 4% ，与投加量为 1.5 倍进水 CODCr 当量时相同。考虑到实验以及分析检测的误差，可以忽略其差异。因此，从硝化的角度，白酒废水的投加量仅需要不超过1.5 倍进水CODCr 当量即可。

2.3 残余 CODCr

为保证污水厂出水 CODCr 稳定达标，测定了不同碳源及白酒废水在不同投加量下的残余 CODCr_⨀ 。碳源及白酒废水按照进水CODCr 的比例投加。实验结果见表2。

表2 残余 COD 实验结果

根据表2 的数据，在相同投加量下，复合碳源的去除率相对较低为 96% ，残余 CODCr 最高为 11mg/L ；乙酸钠与白酒废水的去除率及残余CODCr 都较为接近。当白酒废水的投加量增加时，去除率较为稳定保持在 98%～99% ，但残余 CODCr 逐渐从 4mg/L 增加至 9mg/L 。

上述结果表明，白酒废水作为碳源投加后可能会导致出水CODCr 的增加。但增加的程度在同等条件下低于复合碳源，与乙酸钠相当，不会对污水厂的出水 CODCr 产生影响。且该残余 CODCr 仅为进水浓度的 2% 以下，远低于生化处理工艺对生活污水厂的一般COD 残留率 10%[13] 。

3 结论

（1）在同样的条件下，本研究所使用的白酒废水、复合碳源、乙酸钠的反硝化速率依次升高。（2）在白酒废水的投加量不超过 1.5 倍进水 CODCr 当量的情况下，基本不会对污水厂的硝化产生抑制作用。（3）在同样的条件下，本研究使用的乙酸钠、白酒废水、复合碳源的残余 CODCr 依次升高，且残余CODCr 随着白酒废水投加浓度的增加而增加。（4）白酒废水可以代替传统主流碳源用于污水厂的脱氮工艺，该废水最佳的投加量为污水厂进水CODCr 的 1.5 倍当量。既能保证与传统主流碳源相当的反硝化速率，又不会对生化工艺的硝化反应及出水的CODCr 造成影响。

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作者简介：郭梦佳（1978-），女，高级工程师，主要从事绿色能源交易、污水绿色治理途径的研究和应用