序批式生物膜反應(yīng)器的脫氮特性及影響因素
摘要：本項(xiàng)目的研究是用序批式生物膜法處理廣州地區(qū)的城市污水，主要研究在碳源不足的情況下，研究應(yīng)用序批式生物膜反應(yīng)器的脫氮特性，并分析影響其穩(wěn)定運(yùn)行的各種因素。
關(guān)鍵詞：序批式生物膜 污水 脫氮
序批式生物膜法是在SBR法的基礎(chǔ)上，把反應(yīng)器中的活性污泥變成載體上的生物膜。它既具有生物膜法通常的優(yōu)點(diǎn)，又具有SBR工藝的特點(diǎn)，具有潛在的優(yōu)勢(shì)。本研究利用廣州地區(qū)城市污水中碳源不足的情況下，研究應(yīng)用序批式生物膜反應(yīng)器的脫氮特性，并分析影響其穩(wěn)定運(yùn)行的各種因素。
一、試驗(yàn)裝置與設(shè)備
如圖1所示，反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，柱體直徑約11.5cm，有效水深約98cm。有效容積約10升，循環(huán)泵其流量可通過控制閥門6調(diào)節(jié)。氣體流量計(jì)3采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)。填料10采用利用中間的半軟性部件支撐外圍軟性纖維素的組合填料，結(jié)合了半軟性填料和軟性填料各自的優(yōu)點(diǎn)，其示意圖（單片）如圖2所示，填料單片直徑為16cm，面積200.96cm2，填料比表面積1300m2/m3。試驗(yàn)中共用11片，每片相距9.6cm。試驗(yàn)中填料的填充度為22.5%。高位水箱容積40升。每次試驗(yàn)將原水用提升泵提到高位水箱7內(nèi)，曝氣采用微孔曝氣。
原水從高位水箱7進(jìn)入反應(yīng)器8后，開動(dòng)循環(huán)泵開始厭氧循環(huán)，此時(shí)嚴(yán)格控制反應(yīng)器8中DO濃度小于0.2mg/L水平。厭氧Ñ;¬;環(huán)一段時(shí)間， 隨后停止厭氧Ñ;¬;環(huán)，開始曝氣5，調(diào)整流量計(jì)3，使反應(yīng)器內(nèi)DO濃度維持在3.5mg/L以上，由于生物膜固有的特點(diǎn)，在反應(yīng)器由厭氧段進(jìn)入好氧段的時(shí)間段內(nèi)，部分膜將存在一個(gè)缺氧區(qū)，此時(shí)將有利于反硝化。好氧狀態(tài)下除磷菌分解體內(nèi)的PHB用于過量吸收環(huán)境中的溶解磷，同時(shí)硝化菌可將NH3-N氧化為NO3-N。總的結(jié)果將使有機(jī)物、氮磷達(dá)到較高去除率。好氧曝氣4小時(shí)后，停止曝氣，開始沉淀1小時(shí)，出水排水后閑置，等待下周期的運(yùn)行。
二、試驗(yàn)水質(zhì)
本試驗(yàn)考慮到獲取原水的實(shí)際問題，試驗(yàn)前期采用人工配水；后期取廣州城市污水。見表1。
三、試驗(yàn)運(yùn)行方式
本次試驗(yàn)的運(yùn)行方式如表2所示。
四、試驗(yàn)啟動(dòng)與運(yùn)行
試驗(yàn)的啟動(dòng)包括污泥的培養(yǎng)和馴化以及正常工序的試運(yùn)行。試驗(yàn)用的接種污泥來自獵德污水處理廠AB法的B段回流污泥。
（1)污泥的培養(yǎng)和馴化 污泥的培養(yǎng)采用接種培養(yǎng)法。先將組合填料懸掛在序批式生物膜反應(yīng)器內(nèi)，再將取來的新鮮污泥經(jīng)沉淀排除上清液后加入主反應(yīng)區(qū)。同時(shí)加入按廣州地區(qū)城市污水水質(zhì)新配的廢水并連續(xù)曝氣。每次連續(xù)曝氣6小時(shí)，每天2次，每次開始曝氣前，都換新鮮的污水，并且把剩余的污泥經(jīng)沉淀后再加入到反應(yīng)器。如此反復(fù)約20多天，并且進(jìn)行微生物鏡檢，觀察掛膜已基本完成，便開始試運(yùn)行。
（2)系統(tǒng)的試運(yùn)行。系統(tǒng)的試運(yùn)行也是穩(wěn)定運(yùn)行前的關(guān)鍵。試運(yùn)行期間每天運(yùn)行2次，時(shí)間是:第一周期從早上8:00到下午17:00，排水后，待機(jī)閑置；第二周期從晚上8:00到第二天早上5點(diǎn)。當(dāng)然，試驗(yàn)中我們也根據(jù)需要調(diào)整運(yùn)行周期和時(shí)間段。
五、試驗(yàn)結(jié)果與討論
1、氨氮的去除
污水生物脫氮系統(tǒng)中，氮的去除有兩條途徑：同化脫氮和異化脫氮。通常認(rèn)為，異化脫氮是廢水中氮的主要去除途徑。異化脫氮一般包括三個(gè)方面：氨化作用、硝化作用、反硝化作用。在未經(jīng)處理的廢水中，含氮化合物主要以有機(jī)氮如蛋白質(zhì)、尿素、胺類化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在，此外還含有部分氨態(tài)氮如NH3和NH4+-N。在細(xì)菌的作用下，有機(jī)氮化合物分解，轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮。
序批式生物膜法處理工藝集曝氣、沉淀于一個(gè)池子，運(yùn)轉(zhuǎn)按進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水等幾個(gè)階段進(jìn)行，污水間歇而有序地進(jìn)入反應(yīng)池。由氨化作用生成的氨態(tài)氮在有分子態(tài)氧的條件下，經(jīng)過硝化作用生成了亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮。圖3給出了氨氮的去除效果圖。
從圖3可以看出氨氮進(jìn)水濃度在11.12mg/L～24.8mg/L時(shí)，出水濃度在0.1mg/L～3.1mg/L之間，去除率為86.9％～99％，這說明用序批式生物膜法處理的效率很高。原因之一是上周期處理后的部分處理水的稀釋作用，之二主要是好氧曝氣時(shí)的硝化作用。處理出水濃度基本都小于4mg/L，而且大部分在1mg/L以下。
2、氮的轉(zhuǎn)化規(guī)律
為了考查周期內(nèi)氮的轉(zhuǎn)化情況，試驗(yàn)中對(duì)各種形態(tài)氮進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。表3給出了7個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行周期內(nèi)氮的轉(zhuǎn)化情況。
從表3和圖4可以看出厭氧循環(huán)段原污水中的硝態(tài)氮進(jìn)行了反硝化，濃度逐漸減少，而氨氮變化較小；氨氮的去除主要在好氧曝氣階段通過硝化菌的作用大部分都轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。從圖4還可以看出，混和以后，氨氮、總氮的濃度都降低了，而硝態(tài)氮的濃度卻增加了；在厭氧Ñ;¬;環(huán)段，氨氮的濃度幾乎不變，而硝態(tài)氮得到了很大的去除，總氮濃度也降低了；進(jìn)入好氧曝氣階段，氨氮的去除速率加快，主要是亞硝化菌和硝化菌作用的結(jié)果，將其轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮了。從而硝態(tài)氮濃度增加，此時(shí)總氮濃度變化不大，但也降低了一部分，這主要是由于生物膜從厭氧環(huán)境過渡到好氧環(huán)境時(shí)，剛開始的時(shí)候存在一個(gè)缺氧環(huán)境，這時(shí)也有利于反硝化。從而出現(xiàn)了在好氧條件下總氮濃度的降低。
① 反硝化(硝態(tài)氮的去除) 由于原污水當(dāng)中的硝態(tài)氮濃度很低，經(jīng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)一般小于1mg/L，試驗(yàn)中采取將處理后的污水不全排掉，留有1/4～1/3的剩余水與原污水進(jìn)行混合，這樣混合后的污水中硝態(tài)氮濃度一般在2mg/L～5mg/L左右，然后我們進(jìn)行反硝化試驗(yàn)，同時(shí)考察在不影響高效除磷的前提下，研究此種反應(yīng)器最大允許硝態(tài)氮濃度。
從圖5可以看出，原污水中的硝態(tài)氮濃度較低，經(jīng)過混合以后，濃度超過了2mg/L。在厭氧段的前30分鐘，反硝化發(fā)生了快速反應(yīng)，該階段是利用厭氧發(fā)酵產(chǎn)物作為碳源（快速生物降解可溶性有機(jī)物），硝酸鹽濃度在經(jīng)過60分鐘左右的厭氧反硝化后，基本達(dá)了0.08 mg/L以下，水中原有的硝酸鹽在缺氧的情況下，被還原成氣態(tài)N2從水中逸出。從這里可以看出生物膜法對(duì)反硝化的效果很明顯。
② 硝化(氨氮的去除) 從圖3和圖4可以看出，氨氮在厭氧循環(huán)階段基本不變化，此時(shí)由于無分子態(tài)氧，硝化菌的生長(zhǎng)和活動(dòng)受到抑制。一旦進(jìn)入好氧階段，硝化菌便活躍起來，將氨氮氧化成亞硝態(tài)氮或硝態(tài)氮。最終氨氮得到了很好的去除，基本上轉(zhuǎn)化成為硝態(tài)氮了。本試驗(yàn)的結(jié)果，氨氮的出水小于4mg/L，但大部分都在1mg/L左右，可見生物膜法處理的高效性。考慮原因可以解釋如下：微生物附著在載體上，不受泥齡限制，因而種類豐富。且能在載體上穩(wěn)定“著床”。本系統(tǒng)可以看作是碳氧化/硝化合并處理，在曝氣剛開始階段，由于有機(jī)物在經(jīng)過一段時(shí)間的厭氧循環(huán)，此時(shí)有機(jī)物濃度已相對(duì)較低，異氧菌群的生長(zhǎng)就已經(jīng)受到抑制，而這對(duì)硝化菌的增殖是有利的。隨著曝氣的繼續(xù)進(jìn)行，有機(jī)物濃度越來越低，微生物環(huán)境對(duì)硝化菌更有利。總體表現(xiàn)出硝化效率高。
③ 總氮的去除從圖4可以看出，在厭氧階段，總氮中的一部分硝態(tài)氮被脫掉，這個(gè)階段總氮濃度降低主要是混合后濃度的降低和硝態(tài)氮的去除，而這個(gè)階段氨氮濃度有些變化，但不是很明顯。考慮可能是厭氧狀態(tài)下的厭氧氨氧化[1]。在隨后的好氧曝氣階段，總氮并沒有去除多少，主要是因?yàn)橄到y(tǒng)中硝化菌占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而反硝化菌則處于劣勢(shì)。當(dāng)氨氮被氧化為硝態(tài)氮之后，由于生成的硝態(tài)氮很難被反硝化去除，所以好氧階段總氮濃度變化不大。從圖4可見，總氮在好氧階段也有輕微降低，原因可能是存在好氧條件下的同步硝化反硝化現(xiàn)象[2]，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)總氮的變化規(guī)律分析，確實(shí)存在同步硝化/反硝化。只是效果不是很明顯，有待于以后試驗(yàn)中深入研究。
3、硝化過程中環(huán)境的影響因素
① 溫度 生物硝化反應(yīng)可以在4℃～45℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，亞硝酸菌最佳生長(zhǎng)溫度為35℃，硝酸菌的最佳生長(zhǎng)溫度為35℃～42℃，溫度不但影響硝化菌的比增長(zhǎng)速率，而且影響硝化菌的活性。特別是當(dāng)碳氧化和硝化在一個(gè)裝置中進(jìn)行時(shí)，溫度的影響更為敏感。而在本次試驗(yàn)中，溫度變化不是很大，一般都在30℃左右，所以溫度對(duì)此次試驗(yàn)的影響不大。
② DO 生物膜法生物硝化的一個(gè)特點(diǎn)是環(huán)境因素對(duì)硝化影響不象活性污泥法生物硝化那樣敏感；另一方面，由于異氧菌與硝化菌競(jìng)爭(zhēng)生物膜的表面空間和DO，為使硝化菌在生物膜中有足夠的數(shù)量保證完成硝化，必須使液體主體區(qū)DO大于3mg/L，使DO能穿透生物膜，本試驗(yàn)中使DO大于或等于3.5mg/L。經(jīng)過4小時(shí)的好氧曝氣，出水NH3-N濃度一般都能達(dá)到1mg/L以下。
③ 酸堿度 一般亞硝化菌生長(zhǎng)的最適合PH為7～8.5，硝化菌為6～7.5，反硝化菌為6.5～8.5。生物硝化過程中要消耗廢水中的堿度而使PH值下降。本試驗(yàn)過程中未補(bǔ)充堿度。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)過程中的PH值在6.2～7.0之間波動(dòng)。分析原因可能是存在好氧段的同步硝化/反硝化（SND）和好氧段吸磷產(chǎn)生的堿度補(bǔ)充了硝化階段消耗的堿度[3]
④ 有機(jī)物及C/N比 本試驗(yàn)中，由于廣州地區(qū)城市污水中的有機(jī)物并不是很高，那些快速生物降解的有機(jī)物又在厭氧Ñ;¬;環(huán)階段去除了一部分。當(dāng)?shù)胶醚跸趸A段時(shí)有機(jī)物濃度已不是很高，再者在本反應(yīng)器中由于生物膜附著在載體上，就使得泥齡大大提高，這些都有利于硝化的順利進(jìn)行。
4、反硝化過程中環(huán)境的影響因素
① 酸堿度 反硝化過程的最適宜PH值為6.5～7.5，不適宜的PH值影響反硝化菌的增殖和酶的活性。當(dāng)PH值低于6.0或高于8.0時(shí)，反硝化反應(yīng)受到強(qiáng)烈抑制。另外，文中已提到，反硝化過程中會(huì)產(chǎn)生堿度，這有助于補(bǔ)充硝化所需的堿度。本試驗(yàn)中由于NO3-N 濃度不是很高，所以產(chǎn)生的堿度不高，PH值波動(dòng)不是很大，故不影響反硝化的順利進(jìn)行。
② DO 反硝化反應(yīng)是由一群異氧型微生物完成的，它的主要作用是將硝酸鹽或亞硝酸鹽還Ô;¬;成氣態(tài)N2或N2O，反應(yīng)需要在無分子態(tài)氧的條件下進(jìn)行。反硝化細(xì)菌在自然界很普遍，多數(shù)屬于兼性菌，在分子態(tài)氧（DO）極低的環(huán)境中可利用NO3-N中的氧作為電子受體。有機(jī)物作為碳源及電子供體進(jìn)行反硝化反應(yīng)。當(dāng)有分子態(tài)氧且濃度較高時(shí)，它會(huì)與硝酸鹽中的氧競(jìng)爭(zhēng)電子供體，另外分子態(tài)氧也會(huì)抑制硝酸鹽還原酶的合成及其活性，從而使反硝化受到抑制。本反應(yīng)器中，由于生物膜對(duì)氧傳遞的阻力較大，所以當(dāng)厭氧Ñ;¬;環(huán)段DO小于0.2mg/L，從上圖3-5 可以看出，反硝化并未受明顯影響，反硝化率均在97%以上。
③ C/N比 理論上講1g NO3-N還原為N2需要碳源有機(jī)物（以BOD5表示）2.86g。一般認(rèn)為，當(dāng)反硝化反應(yīng)器污水的BOD5/TKN值大于4～6時(shí)，可認(rèn)為碳源充足。表4給出了不同C/N比的脫氮效果[4]。
而廣州地區(qū)的BOD5/TKN在3.5-4.0之間，從處理效果來看，反硝化率在97%以上，分析Ô;¬;因可能有以下幾點(diǎn)：
1）生物膜法泥齡較長(zhǎng)，這時(shí)微生物的內(nèi)源代謝作用要高于活性污泥法系統(tǒng)。微生物通過消耗自身的Ô;¬;生質(zhì)進(jìn)行所謂的內(nèi)源反硝化，反應(yīng)式可用下式表示：
C5H7O2N + 4NO3 → 5CO2 + NH3 +2N2 ↑+ 4OH-
2）有研究表明見[5]，要還原等量的NO3-N，分別用懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)和附著生長(zhǎng)系統(tǒng)所投加的碳源（以甲醇計(jì)算），后者所需投加的量比前者要低些；
3）反硝化一般以有機(jī)物為碳源和電子供體。當(dāng)環(huán)境中缺乏有機(jī)物時(shí)，無機(jī)物如氫、Na2S等也可作為反硝化反應(yīng)的電子供體。
六、結(jié)論
① 在碳源不足的情況下，序批式生物膜法對(duì)城市污水的NH3-N、TN都有很高的去除效果。NH3-N的去除率達(dá)90%以上；系統(tǒng)對(duì)TN的去除率在30%以上；
② 當(dāng)控制混合水中硝態(tài)氮濃度在4mg/L以下時(shí)，基本不影響厭氧釋磷，經(jīng)過3.5小時(shí)的厭氧循環(huán)，出水硝態(tài)氮濃度在0.08mg/L以下，反硝化效率達(dá)到90%以上；
③ C/N比（以BOD5表示）在3.5-4.0之間，對(duì)廣州地區(qū)城市污水來講，基本可以滿足反硝化；
④ 序批式生物膜法具有工藝流程簡(jiǎn)單、去除效率高、占地面積小、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。
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