序批式生物膜反应器的脱氮特性及影响因素
摘要：本项目的研究是用序批式生物膜法处理广州地区的城市污水，主要研究在碳源不足的情况下，研究应用序批式生物膜反应器的脱氮特性，并分析影响其稳定运行的各种因素。
关键词：序批式生物膜 污水 脱氮
序批式生物膜法是在SBR法的基础上，把反应器中的活性污泥变成载体上的生物膜。它既具有生物膜法通常的优点，又具有SBR工艺的特点，具有潜在的优势。本研究利用广州地区城市污水中碳源不足的情况下，研究应用序批式生物膜反应器的脱氮特性，并分析影响其稳定运行的各种因素。
一、试验装置与设备
如图1所示，反应器由有机玻璃制成，柱体直径约11.5cm，有效水深约98cm。有效容积约10升，循环泵其流量可通过控制阀门6调节。气体流量计3采用转子流量计。填料10采用利用中间的半软性部件支撑外围软性纤维素的组合填料，结合了半软性填料和软性填料各自的优点，其示意图（单片）如图2所示，填料单片直径为16cm，面积200.96cm2，填料比表面积1300m2/m3。试验中共用11片，每片相距9.6cm。试验中填料的填充度为22.5%。高位水箱容积40升。每次试验将原水用提升泵提到高位水箱7内，曝气采用微孔曝气。
原水从高位水箱7进入反应器8后，开动循环泵开始厌氧循环，此时严格控制反应器8中DO浓度小于0.2mg/L水平。厌氧Ñ;¬;环一段时间， 随后停止厌氧Ñ;¬;环，开始曝气5，调整流量计3，使反应器内DO浓度维持在3.5mg/L以上，由于生物膜固有的特点，在反应器由厌氧段进入好氧段的时间段内，部分膜将存在一个缺氧区，此时将有利于反硝化。好氧状态下除磷菌分解体内的PHB用于过量吸收环境中的溶解磷，同时硝化菌可将NH3-N氧化为NO3-N。总的结果将使有机物、氮磷达到较高去除率。好氧曝气4小时后，停止曝气，开始沉淀1小时，出水排水后闲置，等待下周期的运行。
二、试验水质
本试验考虑到获取原水的实际问题，试验前期采用人工配水；后期取广州城市污水。见表1。
三、试验运行方式
本次试验的运行方式如表2所示。
四、试验启动与运行
试验的启动包括污泥的培养和驯化以及正常工序的试运行。试验用的接种污泥来自猎德污水处理厂AB法的B段回流污泥。
（1)污泥的培养和驯化 污泥的培养采用接种培养法。先将组合填料悬挂在序批式生物膜反应器内，再将取来的新鲜污泥经沉淀排除上清液后加入主反应区。同时加入按广州地区城市污水水质新配的废水并连续曝气。每次连续曝气6小时，每天2次，每次开始曝气前，都换新鲜的污水，并且把剩余的污泥经沉淀后再加入到反应器。如此反复约20多天，并且进行微生物镜检，观察挂膜已基本完成，便开始试运行。
（2)系统的试运行。系统的试运行也是稳定运行前的关键。试运行期间每天运行2次，时间是:第一周期从早上8:00到下午17:00，排水后，待机闲置；第二周期从晚上8:00到第二天早上5点。当然，试验中我们也根据需要调整运行周期和时间段。
五、试验结果与讨论
1、氨氮的去除
污水生物脱氮系统中，氮的去除有两条途径：同化脱氮和异化脱氮。通常认为，异化脱氮是废水中氮的主要去除途径。异化脱氮一般包括三个方面：氨化作用、硝化作用、反硝化作用。在未经处理的废水中，含氮化合物主要以有机氮如蛋白质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在，此外还含有部分氨态氮如NH3和NH4+-N。在细菌的作用下，有机氮化合物分解，转化为氨态氮。
序批式生物膜法处理工艺集曝气、沉淀于一个池子，运转按进水、反应、沉淀、排水等几个阶段进行，污水间歇而有序地进入反应池。由氨化作用生成的氨态氮在有分子态氧的条件下，经过硝化作用生成了亚硝态氮和硝态氮。图3给出了氨氮的去除效果图。
从图3可以看出氨氮进水浓度在11.12mg/L～24.8mg/L时，出水浓度在0.1mg/L～3.1mg/L之间，去除率为86.9％～99％，这说明用序批式生物膜法处理的效率很高。原因之一是上周期处理后的部分处理水的稀释作用，之二主要是好氧曝气时的硝化作用。处理出水浓度基本都小于4mg/L，而且大部分在1mg/L以下。
2、氮的转化规律
为了考查周期内氮的转化情况，试验中对各种形态氮进行了监测。表3给出了7个稳定运行周期内氮的转化情况。
从表3和图4可以看出厌氧循环段原污水中的硝态氮进行了反硝化，浓度逐渐减少，而氨氮变化较小；氨氮的去除主要在好氧曝气阶段通过硝化菌的作用大部分都转化为硝态氮。从图4还可以看出，混和以后，氨氮、总氮的浓度都降低了，而硝态氮的浓度却增加了；在厌氧Ñ;¬;环段，氨氮的浓度几乎不变，而硝态氮得到了很大的去除，总氮浓度也降低了；进入好氧曝气阶段，氨氮的去除速率加快，主要是亚硝化菌和硝化菌作用的结果，将其转化为硝态氮了。从而硝态氮浓度增加，此时总氮浓度变化不大，但也降低了一部分，这主要是由于生物膜从厌氧环境过渡到好氧环境时，刚开始的时候存在一个缺氧环境，这时也有利于反硝化。从而出现了在好氧条件下总氮浓度的降低。
① 反硝化(硝态氮的去除) 由于原污水当中的硝态氮浓度很低，经监测发现一般小于1mg/L，试验中采取将处理后的污水不全排掉，留有1/4～1/3的剩余水与原污水进行混合，这样混合后的污水中硝态氮浓度一般在2mg/L～5mg/L左右，然后我们进行反硝化试验，同时考察在不影响高效除磷的前提下，研究此种反应器最大允许硝态氮浓度。
从图5可以看出，原污水中的硝态氮浓度较低，经过混合以后，浓度超过了2mg/L。在厌氧段的前30分钟，反硝化发生了快速反应，该阶段是利用厌氧发酵产物作为碳源（快速生物降解可溶性有机物），硝酸盐浓度在经过60分钟左右的厌氧反硝化后，基本达了0.08 mg/L以下，水中原有的硝酸盐在缺氧的情况下，被还原成气态N2从水中逸出。从这里可以看出生物膜法对反硝化的效果很明显。
② 硝化(氨氮的去除) 从图3和图4可以看出，氨氮在厌氧循环阶段基本不变化，此时由于无分子态氧，硝化菌的生长和活动受到抑制。一旦进入好氧阶段，硝化菌便活跃起来，将氨氮氧化成亚硝态氮或硝态氮。最终氨氮得到了很好的去除，基本上转化成为硝态氮了。本试验的结果，氨氮的出水小于4mg/L，但大部分都在1mg/L左右，可见生物膜法处理的高效性。考虑原因可以解释如下：微生物附着在载体上，不受泥龄限制，因而种类丰富。且能在载体上稳定“着床”。本系统可以看作是碳氧化/硝化合并处理，在曝气刚开始阶段，由于有机物在经过一段时间的厌氧循环，此时有机物浓度已相对较低，异氧菌群的生长就已经受到抑制，而这对硝化菌的增殖是有利的。随着曝气的继续进行，有机物浓度越来越低，微生物环境对硝化菌更有利。总体表现出硝化效率高。
③ 总氮的去除从图4可以看出，在厌氧阶段，总氮中的一部分硝态氮被脱掉，这个阶段总氮浓度降低主要是混合后浓度的降低和硝态氮的去除，而这个阶段氨氮浓度有些变化，但不是很明显。考虑可能是厌氧状态下的厌氧氨氧化[1]。在随后的好氧曝气阶段，总氮并没有去除多少，主要是因为系统中硝化菌占有绝对优势，而反硝化菌则处于劣势。当氨氮被氧化为硝态氮之后，由于生成的硝态氮很难被反硝化去除，所以好氧阶段总氮浓度变化不大。从图4可见，总氮在好氧阶段也有轻微降低，原因可能是存在好氧条件下的同步硝化反硝化现象[2]，结合试验数据，根据总氮的变化规律分析，确实存在同步硝化/反硝化。只是效果不是很明显，有待于以后试验中深入研究。
3、硝化过程中环境的影响因素
① 温度 生物硝化反应可以在4℃～45℃的温度范围内进行，亚硝酸菌最佳生长温度为35℃，硝酸菌的最佳生长温度为35℃～42℃，温度不但影响硝化菌的比增长速率，而且影响硝化菌的活性。特别是当碳氧化和硝化在一个装置中进行时，温度的影响更为敏感。而在本次试验中，温度变化不是很大，一般都在30℃左右，所以温度对此次试验的影响不大。
② DO 生物膜法生物硝化的一个特点是环境因素对硝化影响不象活性污泥法生物硝化那样敏感；另一方面，由于异氧菌与硝化菌竞争生物膜的表面空间和DO，为使硝化菌在生物膜中有足够的数量保证完成硝化，必须使液体主体区DO大于3mg/L，使DO能穿透生物膜，本试验中使DO大于或等于3.5mg/L。经过4小时的好氧曝气，出水NH3-N浓度一般都能达到1mg/L以下。
③ 酸碱度 一般亚硝化菌生长的最适合PH为7～8.5，硝化菌为6～7.5，反硝化菌为6.5～8.5。生物硝化过程中要消耗废水中的碱度而使PH值下降。本试验过程中未补充碱度。监测发现，试验过程中的PH值在6.2～7.0之间波动。分析原因可能是存在好氧段的同步硝化/反硝化（SND）和好氧段吸磷产生的碱度补充了硝化阶段消耗的碱度[3]
④ 有机物及C/N比 本试验中，由于广州地区城市污水中的有机物并不是很高，那些快速生物降解的有机物又在厌氧Ñ;¬;环阶段去除了一部分。当到好氧硝化阶段时有机物浓度已不是很高，再者在本反应器中由于生物膜附着在载体上，就使得泥龄大大提高，这些都有利于硝化的顺利进行。
4、反硝化过程中环境的影响因素
① 酸碱度 反硝化过程的最适宜PH值为6.5～7.5，不适宜的PH值影响反硝化菌的增殖和酶的活性。当PH值低于6.0或高于8.0时，反硝化反应受到强烈抑制。另外，文中已提到，反硝化过程中会产生碱度，这有助于补充硝化所需的碱度。本试验中由于NO3-N 浓度不是很高，所以产生的碱度不高，PH值波动不是很大，故不影响反硝化的顺利进行。
② DO 反硝化反应是由一群异氧型微生物完成的，它的主要作用是将硝酸盐或亚硝酸盐还Ô;¬;成气态N2或N2O，反应需要在无分子态氧的条件下进行。反硝化细菌在自然界很普遍，多数属于兼性菌，在分子态氧（DO）极低的环境中可利用NO3-N中的氧作为电子受体。有机物作为碳源及电子供体进行反硝化反应。当有分子态氧且浓度较高时，它会与硝酸盐中的氧竞争电子供体，另外分子态氧也会抑制硝酸盐还原酶的合成及其活性，从而使反硝化受到抑制。本反应器中，由于生物膜对氧传递的阻力较大，所以当厌氧Ñ;¬;环段DO小于0.2mg/L，从上图3-5 可以看出，反硝化并未受明显影响，反硝化率均在97%以上。
③ C/N比 理论上讲1g NO3-N还原为N2需要碳源有机物（以BOD5表示）2.86g。一般认为，当反硝化反应器污水的BOD5/TKN值大于4～6时，可认为碳源充足。表4给出了不同C/N比的脱氮效果[4]。
而广州地区的BOD5/TKN在3.5-4.0之间，从处理效果来看，反硝化率在97%以上，分析Ô;¬;因可能有以下几点：
1）生物膜法泥龄较长，这时微生物的内源代谢作用要高于活性污泥法系统。微生物通过消耗自身的Ô;¬;生质进行所谓的内源反硝化，反应式可用下式表示：
C5H7O2N + 4NO3 → 5CO2 + NH3 +2N2 ↑+ 4OH-
2）有研究表明见[5]，要还原等量的NO3-N，分别用悬浮生长系统和附着生长系统所投加的碳源（以甲醇计算），后者所需投加的量比前者要低些；
3）反硝化一般以有机物为碳源和电子供体。当环境中缺乏有机物时，无机物如氢、Na2S等也可作为反硝化反应的电子供体。
六、结论
① 在碳源不足的情况下，序批式生物膜法对城市污水的NH3-N、TN都有很高的去除效果。NH3-N的去除率达90%以上；系统对TN的去除率在30%以上；
② 当控制混合水中硝态氮浓度在4mg/L以下时，基本不影响厌氧释磷，经过3.5小时的厌氧循环，出水硝态氮浓度在0.08mg/L以下，反硝化效率达到90%以上；
③ C/N比（以BOD5表示）在3.5-4.0之间，对广州地区城市污水来讲，基本可以满足反硝化；
④ 序批式生物膜法具有工艺流程简单、去除效率高、占地面积小、经济节能的优点，具有广阔的发展前景。
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