近年来，随着水环境质量要求的提高，北京、天津等地相继颁布并实施了比现行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）^〔1〕更为严格的地方排放标准^〔2-3〕，要求出水TN低于10 mg/L。在如此严格的TN排放要求下，大多数污水处理厂面临进水碳源缺乏的难题，需大量投加商品碳源来保障出水TN稳定达标，但外加碳源的成本过高，寻找合适的外加碳源成为目前关注的热点。

目前国内反硝化碳源的研究多数集中在优化传统碳源、开放非传统碳源等方面，利用含高浓度有机废液作为反硝化碳源的研究较少，本研究以果汁废液为碳源，进行反硝化性能、强化生物脱氮效果及预处理措施的研究，并在某园区集中污水处理厂进行工程应用，最终在强化生物系统脱氮效果的同时，实现了以废治废。

本研究在天津某园区集中污水处理厂进行，该污水处理厂设计处理规模为5.0万t/d，生物处理系统采用HYBAS工艺，设计总停留时间为8 h，共分4个系列。试验期间污水处理厂主要进水水质指标：TN为21.0~38.95 mg/L，NH₃-N为10.02~26.75 mg/L，NO₃^--N为0.25~3.96 mg/L，COD为77.0~233.0 mg/L。

果汁废液来源于某果汁生产企业水果（苹果、橙、芒果等）粉碎、压榨、设备及地面冲洗等环节产生的废液，果汁废液产生量为10~40 m³/d，TN为37.25~ 49.38 mg/L，NH₄⁺-N为0.60~17.10 mg/L，TP为3.40~ 4.00 mg/L，易降解有机物（VFA）为70.55~750.18 mg/L，pH为3.4~4.1，SS为385~878 mg/L。果汁废液氮磷含量较低，果渣等物质悬浮含量较高。COD为6 220~24 680 mg/L，平均COD为12 180 mg/L，BOD₅为430~7 820 mg/L，平均BOD₅为5 430 mg/L，B/C为0.26~0.69，平均B/C为0.46，可生化性较好。果汁废液有机物含量高、受生产加工影响有机物含量波动大。

COD采用快速消解分光光度法测定，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，NH₃-N采用纳氏试剂分光光度法，TP采用钼锑抗分光光度法，VFA采用滴定法，pH采用pH计。

采用批次静态试验的方法，采用3个带搅拌功能的反应柱，有效体积为12 L。3个试验柱中加入同等体积的缺氧污泥，分别加入污水厂原水、5%（体积分数）果汁废液和二沉池出水、100%果汁废液，保证3个试验柱的总体积相同。开启搅拌器开始反应，固定时间间隔取样测定NO₃^--N的浓度，对比不同果汁废液投加比例和污水厂原水的反硝化性能，反硝化速率曲线见图1。

由图1可知，投加果汁废液和污水厂原水的反硝化过程均出现2个不同的速率阶段，主要是由于各阶段反硝化所利用的是不同组分特性的碳源所致^〔3〕，各阶段的反硝化速率见表1。

由表1可知，投加污水厂二沉池出水+5%果汁废液和100%的果汁废液后，缺氧污泥2个阶段的反硝化速率都相应增加，尤其是第一阶段反硝化速率增加幅度更明显，分别是污水厂原水的5.79倍和10.20倍，主要原因是果汁废液的可生化性较好，含有大量快速易降解的碳源，大幅度提高了第一阶段的反硝化速率。由于果汁废液含有一定量的颗粒态可被生物利用的有机物，随着反应时间的延长，通过水解后也可以被反硝化菌利用，因此投加果汁废液后第二阶段反硝化速率均有所提高，第二阶段反硝化速率分别是污水厂原水的2.67倍和3.78倍。

本研究构建1套改良A²/O试验系统，由预缺氧区、厌氧区、缺氧区及好氧区构成，有效容积为580 L。进水为污水处理厂沉砂池出水，进水水量为42 L/h，停留时间为13.5 h，果汁废液投加点位于缺氧区，试验期间，水温为15~20 ℃，考察果汁废液投加量对系统脱氮效果的影响，结果见图2。

由图2可知，当不投加果汁废液时，进水TN为22.10~30.07 mg/L、NH₄⁺-N为11.80~17.00 mg/L、C/N为3.32~5.32，出水平均TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N分别为15.07、0.34、11.96 mg/L，TN平均去除率仅为40.24%，由于进水C/N较低，在不外加碳源的情况下系统脱氮效果较差。投加果汁废液后，随着果汁废液投加量的增加，系统的脱氮效果提高；当果汁废液投加量为22 L/m³时，进水TN为25.00~28.22 mg/L、NH₄⁺-N为11.50~17.80 mg/L、C/N为4.04~5.54，系统运行稳定后出水平均TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N分别为4.27、0.30、1.68 mg/L，TN平均去除率为83.72%，TN平均去除率提高了43%左右；当果汁废液投加量为5 L/m³时，进水TN为21.50~28.22 mg/L、NH₄⁺-N为10.20~18.16 mg/L、C/N为2.85~5.41，系统运行稳定后出水平均TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N为9.14、0.38、4.76 mg/L，TN平均去除率为63.00%，TN平均去除率提高了22%左右；当果汁废液投加量为3 L/m³时，进水TN为19.50~ 32.90 mg/L、NH₄⁺-N为14.10~17.60 mg/L、C/N为3.12~ 5.30，系统运行稳定后出水平均TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N分别为11.65、0.32、6.78 mg/L，TN平均去除率为53.00%，TN去除率平均提高了13%左右。

此外，考察投加果汁废液对系统有机物去除的影响，试验期间系统进出水COD见表2。

由表2可知，试验期间进水COD为77.0~160.1 mg/L，出水平均COD为27.31 mg/L，投加果汁废液对系统出水有机物没有产生影响。

果汁废液来水有机物浓度波动较大，且含有大量果渣，应采用水解酸化措施进行预处理，采用带低速搅拌设施的水解罐，有效容积为13 L，接种一定量的剩余污泥，控制水解酸化时间为4~5 h，考察水解酸化前后果汁废液VFA的变化情况，结果见图3。

由图3可知，通过预处理后，果汁废液的VFA提升，试验期间果汁原液VFA为70.55~237.22 mg/L，通过水解酸化后，VFA提高至134.69~314.29 mg/L，VFA平均提高率达到57%。通过水解酸化可将果汁废液中糖类大分子有机物、颗粒态可生物降解有机物及果渣水解发酵转化为快速易降解有机物。

由于污水厂进水C/N较低、碳源缺乏，污水厂采用液体乙酸钠作为补充碳源强化生物系统脱氮效果。在上述研究的基础上，选择污水厂一个系列的生物系统投加果汁废液，果汁废液平均投加量为24 t/d，考察实际工程应用效果，并与仅投加乙酸钠的系统进行对比，结果见图4。

由图4可知，取样分析期间，进水TN为23.50~38.95 mg/L、NH₄⁺-N为12.85~26.75 mg/L，投加果汁废液和乙酸钠的生物系统出水平均TN为9.15 mg/L，TN平均去除率为71.5%，出水平均NH₄⁺-N为0.86 mg/L，出水平均NO₃^--N为5.23 mg/L；而仅投加乙酸钠的生物系统出水平均TN为11.13 mg/L，TN平均去除率为65.48%，出水平均NH₄⁺-N为0.79 mg/L，出水平均NO₃^--N为7.34 mg/L。可知投加果汁废液后，生物系统出水TN降低了2~3 mg/L，TN平均去除率提高了6%左右，每天可降低0.6~0.9 t的乙酸钠投加量，每年可节约外加碳源成本约24~36万元。

（1）果汁废液有机物含量高、可生化性好、氮磷含量低，作为补充碳源时的反硝化速率远高于污水处理厂原水（二沉池出水）反硝化速率，尤其是第一阶段反硝化速率，投加5%和100%的果汁废液，第一阶段反硝化速率分别提高5.79倍和10.20倍。

（2）连续投加试验结果表明，进水TN为21.50~28.22 mg/L，果汁废液投加量为5 L/m³时，系统运行稳定后出水TN为6.79~10.33 mg/L，与不投加果汁废液相比，TN平均去除率提高了22%，且投加果汁废液对系统出水有机物没有产生影响。

（3）采用水解酸化措施对果汁废液进行预处理，控制水解酸化时间为4~5 h，通过水解发酵可提高果汁废液的VFA，VFA平均提高率达到57%。

（4）在污水处理厂的1个生物系统进行应用，果汁废液平均投加量为24 t/d，与未投加果汁废液生物系统相比，出水TN降低了2~3 mg/L，乙酸钠投加量可降低0.6~0.9 t/d，每年可节约外加碳源成本约24~36万元，实现了以废治废。