曝氣生物濾池的短程硝化反硝化機理研究
摘要：通過小試 研究 了曝氣生物濾池實現(xiàn)短程硝化反硝化的效能和機理。試驗結果表明，曝氣生物濾池在濾速為1～2m/h、氣水比為3∶1、水溫為21～26.5℃、進水COD負荷為1.18～5.57kg/(m3*d)、NH3-N負荷為0.26～0.62kg/(m3*d)、TN負荷為0.28～0.63kg/(m3*d)的條件下可以取得良好的去除有機物和脫氮效果。試驗中還發(fā)現(xiàn)，反應器中出現(xiàn)了明顯的NO2-積累現(xiàn)象，并表現(xiàn)出顯著的短程硝化反硝化特征，進行機理 分析 后認為曝氣生物濾池的結構特征和運行方式是其能夠進行短程硝化反硝化的主要原因。
關鍵詞：曝氣生物濾池 NO2-積累 短程硝化反硝化
曝氣生物濾池是一種新型污水生物處理技術，具有占地面積小、處理效率高、能耗較低等特點,可進行模塊化 應用 ，在對有機物、SS和氮的去除等方面具有良好的效果[1]。
1 試驗裝置與 方法
1.1 試驗裝置
模型曝氣生物濾池由有機玻璃加工而成，尺寸為50mm×80mm×2000mm，底部為100mm高的礫石承托層，填料選用粒徑為3～5mm的陶粒，填充高度為1600mm。承托層以上每隔150mm設一個取樣口，共設9個。進氣口位于距底部400mm處，壓縮空氣經(jīng)曝氣擴散器進入反應器。試驗裝置見圖1。
1.2 試驗方法
原水由淀粉、蛋白胨、牛肉膏、NH4Cl、KH2PO4、CaCl2?H2O、MgSO4.7H2O、FeSO4.7H2O、食用堿等按一定比例配制而成，其COD為86.61～424.6mg/L、NH3-N為34.3～44.38mg/L、TN為41.26～46.16mg/L、NO3--N為0～0.82mg/L、NO2--N為0～0.32mg/L、pH值為5.8～8.18、BOD5為56.31～236.45mg/L，TP為4～6mg/L。
采用下向流進水，氣水逆向流。反應器啟動時投加一定量的消化污泥作為種泥，悶曝3d后改為連續(xù)流進水，系統(tǒng)運行15d后對COD和NH3-N的去除率分別達到75%和60%，至此標志掛膜成功，試驗分別在1、2m/h的濾速下進行，氣水比為3∶1，水溫為21～26.5℃，定時測定反應器進、出水及曝氣處水樣的COD、NH3-N、TN、NO3--N、NO2--N、pH值、溶解氧以考察反應器去除有機物和硝化反硝化的效能及反應器內(nèi)含氮化合物的空間變化特點。分析項目均按標準方法進行。采用氣水聯(lián)合反沖洗方式，按運行時的水頭損失和處理效果確定沖洗強度及頻率，周期一般為24～48h。
2 結果及分析
2.1 處理效果
①NH3-N
曝氣生物濾池對NH3-N的去除效果見圖2。
由圖2可知，在進水COD負荷為1.18～5.57kg/(m3*d)、NH3-N負荷為0.26～0.63kg/(m3*d)時，曝氣生物濾池出水的氨氮含量<3～16mg/L，對NH3-N的平均去除率為81.4%。濾速為1、2m/h時反應器對NH3-N的去除率沒有明顯變化，其中在運行的第17天由于改變?yōu)V速而引起處理效率下降，但是很快在一個過濾周期內(nèi)即恢復到原有水平，這說明在一定的負荷條件下濾速對硝化的效率 影響 較小，但在較高濾速下的出水水質(zhì)相對更穩(wěn)定一些。
②TN
試驗期間系統(tǒng)對TN的去除效果見圖3。
圖3系統(tǒng)對TN的去除效果由圖3可知，在進水TN負荷為0.28～0.63kg/(m3*d)、濾速為1～2m/h的條件下，曝氣生物濾池對TN的去除率可達60%左右，出水TN為12.33～19.46mg/L。提高濾速對TN去除率有一定的影響，其原因可能是提高濾速則相應地增加了曝氣量，從而抑制了反硝化細菌的活性。
③COD
試驗表明，曝氣生物濾池對COD的平均去除率為79.53%，最高可達90%以上。個別水樣的COD去除率有些下降，可能是進水COD較低的原因，而出水COD大多在50mg/L以下(最低為15.87mg/L)，說明反應器對COD的去除效果相當穩(wěn)定，而濾速在1～2m/h內(nèi)變化對COD的處理效果沒有影響。
④NO2-和NO3-含量的變化
曝氣處的NO2-和NO3-含量的變化見圖4。
由圖4可知，曝氣處的NO2-含量顯著高于NO3-含量，說明在反應器內(nèi)部發(fā)生了NO2-的積累，而同期NH3-N的減少量卻明顯地高于NO2-和NO2-生成量之和，說明這一過程中發(fā)生了反硝化作用。試驗中發(fā)現(xiàn)，提高濾速會加快水頭損失的增加速度，相應地增加反沖洗次數(shù)，而濾速為2m/h時的NO2-積累現(xiàn)象比濾速為1m/h時更加明顯，說明反應器內(nèi)的NO2-積累與反沖洗有關。
試驗表明，出水的NO3-含量幾乎為零，NO2-含量在10mg/L左右(明顯高于NO3-含量)，其與圖4的結果相比，NO2-含量減少了約5～20mg/L，可以推測減少的NO2-主要經(jīng)反硝化作用去除。上述試驗結果表明，曝氣生物濾池在氨氧化過程中出現(xiàn)了明顯的NO2-積累現(xiàn)象，而出水中NO2-的減少并未帶來NO3-的增加，說明對TN的去除主要是通過將NH3-N氧化成NO2-，進而由反硝化細菌將NO2-直接反硝化形成N2逸出的短程硝化反硝化途徑進行的。
2.2 結果分析
根據(jù)傳統(tǒng)生物脫氮 理論 ，硝化過程的產(chǎn)物主要是NO3--N，穩(wěn)態(tài)運行時不會出現(xiàn)NO2-的積累，但試驗中對反應器內(nèi)NO2-和NO3-含量的測定結果表明，單級曝氣生物濾池不僅在去除有機物的同時具有較好的脫氮能力，而且其機理不同于傳統(tǒng)硝化反硝化理論，此時氨氧化的產(chǎn)物主要是NO2--N，出水中NO2--N降低而NO3--N未見增加，說明大部分NO2-并沒有進一步被氧化為NO3-，而是被直接反硝化去除，表現(xiàn)出明顯的短程硝化反硝化特征。
3 短程硝化反硝化
①含氮化合物的空間變化
試驗期間對曝氣生物濾池內(nèi)各種不同含氮化合物含量沿水流方向的空間變化進行了 研究 ，采樣時間為反沖洗后6h、水溫為22℃、氣水比為3∶1，試驗結果見圖5。
由圖5可知，NH3-N的減少與NO2-的增加表現(xiàn)出一定的相關性，但在數(shù)量上卻沒有表現(xiàn)出穩(wěn)定的同步變化，與此同時的NO3-含量幾乎沒有變化(數(shù)量低且變化趨勢平穩(wěn))。從進水到0.7m深的濾層處NH3-N的減少量稍高于NO2-和NO3-的生成量，隨后NH3-N量急劇下降，而NO2-的增幅卻明顯低于NH3-N減少量;到1m深的濾層處及往后的變化比較平穩(wěn)，而NO2-的含量在1～1.3m深的濾層處也達到了最大值，隨后表現(xiàn)出與NH3-N降低相一致的變化趨勢。由圖5可以得出兩點結論：a.曝氣生物濾池對NH3-N的去除主要集中于0.7～1m深的濾層處，另外在0.4～0.7m深的濾層和1.3m深的濾層以上也有一定的去除;b.NH3-N被氧化的主要產(chǎn)物是NO2--N，但NO2--N并沒有進一步被氧化為NO3--N，而是直接被反硝化去除。在曝氣處(1.3m深的濾層處)附近區(qū)域出現(xiàn)明顯的NO2-積累現(xiàn)象，但在反應器的最下段又急劇下降，說明該區(qū)域氨氧化過程比較活躍，而NO2-氧化和反硝化能力較低主要是受曝氣作用所帶來的溶解氧濃度和紊流強度變化的 影響 。
②短程硝化反硝化機理
近來的研究表明[2、3]，在一定條件下生物反應器可以進行短程硝化反硝化脫氮，即控制硝化過程至產(chǎn)生NO2-階段，然后再由NO2-直接還原為N2逸出，或在厭氧或缺氧條件下由NO2-與NH3-N作用形成N2，實現(xiàn)反硝化脫氮。試驗期間發(fā)現(xiàn)的反應器中NO2-積累現(xiàn)象和較高的脫氮效能說明在曝氣生物濾池中產(chǎn)生了短程硝化反硝化作用，而曝氣生物濾池獨特的結構特征和運行特點是其能夠進行短程硝化反硝化脫氮的根本原因。曝氣生物濾池采用陶粒作為過濾和生物氧化的介質(zhì)和載體，進水沿填料推流而下，但在填料空隙間則為局部紊流，因而在整體上和每一單元填料表面所附著生物膜中都存在著基質(zhì)和溶解氧的濃度梯度分布，也為各種不同生態(tài)類型的微生物在生物膜內(nèi)不同部位占據(jù)優(yōu)勢生態(tài)位提供了條件。
4 結論
①同步脫氮除碳曝氣生物濾池在濾速為1～2m/h、氣水比為(1～3)∶1、水溫為21～26.5℃、進水COD負荷為1.18～5.57 kg/(m3*d)、NH3-N負荷為0.26～0.62kg/(m3*d)、TN負荷為0.28～0.63kg/(m3*d)的條件下可以取得良好的去除有機物和脫氮效果，其COD、NH3-N和TN的去除能力分別為0.7～4.76、0.15～0.52和0.18～0.42kg/(m3*d)，表現(xiàn)出較強的同步除碳和脫氮能力。
②曝氣生物濾池運行過程中出現(xiàn)了明顯的NO2-積累現(xiàn)象，而出水連續(xù)檢測和在反應器內(nèi)不同部位取樣 分析 均未發(fā)現(xiàn)NO3--N的相應增加，與此同時對TN去除率卻較高，
說明NH3-N被氧化為NO2--N后并沒有進一步被氧化為NO3--N，而是直接被反硝化去除，表現(xiàn)出顯著的短程硝化反硝化特征。
③曝氣生物濾池能夠進行短程硝化反硝化脫氮的原理在于其獨特的結構特征和運行方式。陶粒填料為異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌和反硝化細菌分別占據(jù)不同生態(tài)位、形成合理的微環(huán)境體系提供了有效的載體，較低的曝氣量和定期反沖洗又使得競爭能力較弱的NO2--N氧化細菌不能在反應器內(nèi)形成優(yōu)勢群體而被 自然 淘汰，因而氨氧化產(chǎn)生的NO2--N可直接被反硝化去除。
④有關曝氣生物濾池短程硝化反硝化的機理、作用因子及其影響 規(guī)律 的研究尚需進一步深入，同時試驗中反應器出水的NH3-N和NO2--N濃度還比較高，因此有關如何提高脫氮效能、反應器結構和運行條件的優(yōu)化研究將具有更重要的工程意義和 應用 價值。
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