張小玲,彭黨聰,王志盈,袁林江
(西安建筑科技大學環境與市政工程學院,陜西西安　710055)

　　摘　要： 利用生物紊動床在低溶解氧(DO)和有機物存在的條件下研究了氨氮的亞硝化、硝化和有 機物氧化的規律,分析了異養菌與自養菌競爭的特點。試驗結果表明，DO為2～3mg/L、有機物濃度(TOC)為200mg/L、C/N=1∶1.5時對硝化作用影響不大；DO為0.5～1mg/L、TOC≥100mg/L、C/N=1∶3時硝化系統即受到破壞。
　　關鍵詞：生物紊動床;有機物；硝化;DO
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)05-0010-04

Influence of Organic Matters on Nitrification at Low DO in Biological Turb ulent Bed Reactor

ZHANG Xiao?ling,PENG Dang?cong,WANG Zhi?ying,YUAN Lin?jiang?
(School of Environmental and Municipal Engineering,Xi‘an University of Arc hitectural? Science and Technology,Xi‘an 710055,China)

　　Abstract：Study was made on nitrification and organic matter oxidation under t he condition of low?DO and existence of organics in biological turbulent bed reactor,and analysis was conducted on the competition between heterotrophic and autotrophic bacteria.The test results show that under the conditions of DO = 2～3 mg/L,TOC=200 mg/L,and C/N=1∶1.5,there is less impact on nitrificatio n;However,nitrification system is destroyed with?DO=0.5～1mg/L,TOC≥100 mg/L and C/N=1∶3.
　　Keywords:biological turbulent bed reactor;organic matters;nitrification;DO

　　DO和有機物是影響生物硝化的兩個重要因素。由于亞硝酸菌的氧飽和常數(0.2～0.4mg /L)小于硝酸菌的氧飽和常數(1.2～1.5 mg/L)，因此當穩定硝化系統中DO降低時可能引發這兩類細菌對氧的競爭，導致其增殖不平衡，從而發生硝化過程的動力學選擇。有機物是 生物脫氮系統中氮還原必需的電子供體，同時又是氮氧化(硝化)時電子受體的爭奪者，有機物的存在可能降低硝化速率，從而影響整個系統的脫氮能力，因此研究DO和有機物濃 度對硝化過程的單獨影響和綜合影響，對開發高氨、低碳源廢水的低耗、高效處理工藝和生物脫氮系統的運營管理有著重要意義。焦化、石化、化肥、垃圾滲濾液及煤氣廢水等都屬于 高氨、低碳廢水，采用A/O工藝處理此類廢水時，缺氧池中NO₂-N濃度增加，表明缺氧池中碳源不足，反硝化也不完全，部分NO₃-N僅轉化為NO₂-N而沒有成為N₂，而這部分NO₂-N在好氧池中又被氧化成NO₃-N，如此循環增加了碳源和氧的消耗量，而對總氮的去除率 并未提高。若按亞硝化—反硝化運行則有望解決此類問題。?

1 試驗方法

1.1　 試驗裝置及材料
　　 試驗裝置見圖1。

　　 所用的生物紊動床是20世紀90年代初發展起來的一種膜法處理新技術，它采用輕質載體，以氣體作為提升動力。紊動床主體采用有機玻璃管，內徑為12cm，高為44.6cm，有效容積為3L，分為反應區和沉淀區兩部分。反應區徑高比為120∶266，加之氣泡的攪動，各相物質橫向摻混，流態試驗證明紊動床近似為完全混合流(串聯級數較小、離散數較大)。該裝置結構簡單，運行管理方便，占地面積小。載體(shell)是一種中空殼狀球形的無機顆粒，比表面積為4500m²/m³，真密度為0.69kg/L，表觀密度為0.41kg/L，其填充比為0.25～0.3，試驗得到的最大工作氮負荷為1.512kg/(m³·d)。?
1.2 水質
　　 人工模擬焦化廢水的組成為：CH₃COONa、NH₄Cl、K₂HPO₄、NaHCO₃和微量元素，其中N∶P控制在(10～20)∶1，投加的NaHCO₃一方面作為碳源，另一方面起到調節反應器pH值的作用。
1.3　 分析方法
　　 氨氮：納氏試劑比色法；NO₂-N：N-1-萘基乙二胺比色法；NO₃-N：紫外分光光度法；TOC：5000A型TOC儀；DO：Metller-Toledo4100型在線DO監控儀；MLVSS：重量法；微生物計數：MPN法。

2 　結果與分析

2.1 ?DO對硝化過程的影響
2.1.1　DO=2～3 mg/L的硝化
　　 控制紊動床內DO為2～3mg/L，溫度為25℃，pH為7.0～7.5，HRT為5h，入流中無有機物時，運行初期(第1天到第9天)出水中含有大量NO₂-(60mg/L，以N計)，其原因是 硝酸菌還未適應新環境，且硝酸菌生長速率較慢，在數量上還不能與亞硝酸菌相協調，因此 未能及時把NO_2-轉化為NO₃^-。隨著運行時間的延長，出水中NO₃^--N濃度不斷上升，NO₂^-N濃度不斷下降。到第15天時，當進水氨氮濃度為180mg/L時出水NO₃^--N 濃度已高達155mg/L，氨氮濃度＜5mg/L，其后基本維持不變，說明DO充足，生物膜上硝酸菌和亞硝酸菌的數量和硝化能力會自動達到平衡，從而實現從氨到NO₃^-的穩定轉化。
2.1.2 　DO=0.5～1 mg/L的硝化
　　在全程硝化過程穩定后[此時反應器氮負荷為1.4kg/(m³·d)，出水氨氮＜5mg/L]，控制紊動床內的DO為0.5～1mg/L，出水NO₂^-逐漸升高，形成NO₂^-積累(見圖2)。

　　 從圖2看出，該亞硝化過程的建立經歷了選擇期(第1天到第16天)和穩定期(第17天到第31天)，選擇期的特征是:氨氮去除率＞80%，NO₂^-的積累率波動不穩定，但總的趨勢是逐漸升高，說明低DO下由于亞硝酸菌對氧的親合力大于硝酸菌，在有限基質(O₂)下硝酸菌處于競爭的劣勢，所以出現NO₃^-積累，但此時在生物膜表面上硝酸菌仍占一定的比例，對基質仍有一定的競爭力，在環境條件瞬時改變時(比如DO增大)，NO₂^-積累率就會下降；穩定期的特征是:氨氮去除率恢復到90%以上，NO₂^-積累率穩定在80%以上，說明此 時生物膜表面絕大部分被亞硝酸菌所覆蓋，供給的DO絕大部分被亞硝酸菌所利用，而硝酸菌由于處于生物膜的內部，得不到充足的氧，因而利用NO₂^-的速率大大降低，從而獲得持久穩定的NO₂^-積累。
2.2　 有機物對硝化過程的影響
2.2.1 DO=2～3 mg/L時有機物對硝化的影響
　　在DO充分且無有機物的條件下，系統達到完全硝化的狀態(出水中NO₃-N/(NO₂-N+NO₃-N)≥80%，氨氮≤5mg/L)后，向進水中加入50mg/L有機物(TOC)時，對有機物和氨氮的去除情況見圖3。

　　 由圖3可見，對有機物的去除率穩步上升，對氨氮去除率略有下降(降至70%左右，說明系統中異養菌逐漸開始繁殖。當TOC由50 mg/L依次增至200mg/L時，要維持氨氮去除率＞70%就必須提高DO以減弱有機物的加入對氨氧化的影響，這也說明只要DO充足異養菌 的氧化作用和自養菌的硝化作用會同時得到有效的發揮。
2.2.2 DO=0.5～1 mg/L時有機物對硝化的影響
　　 當進水氨氮濃度為300mg/L、逐步實現穩定的亞硝化后，向進水中加入有機物，觀察對有機物、氨氮的去除率和硝態氮濃度隨時間的變化(見圖4)。

　　 當TOC＜50 mg/L時，有機物對硝化系統影響不大，氨氮去除率＞70%；當TOC達到100mg/L左右時，氨氮去除率持續下降至20%，出水硝態氮也銳減。到第20天NO₂-N濃度降 至14mg/L，NO₃-N濃度降至0.1mg/L，說明此時系統的硝化能力受到嚴重的破壞。
　　上述現象表明，在DO=0.5～1mg/L條件下，當進水TOC＜50mg/L時，雖然異養菌與自養菌存在競爭，但有機物的氧化和亞硝化可同時進行，因此出水氨氮濃度較低，硝化菌數量變化不大。而TOC在100mg/L左右時充分的基質使異養菌的生長繁殖速度加快，異養菌首先利用了水中有限的氧，同時由于生物膜增厚也阻礙了氧在生物膜中的傳遞，而硝化菌是一種嚴格的好氧菌，氧不足導致其活性下降而數量減少，出水氨氮濃度劇增，硝態氮濃度銳減，以至硝化過程完全終止。?
2.3 污泥特征及生物相變化
　　 不同條件下生物膜內生物種群及數量的變化見表1。

表1生物膜內生物種群及數量的變化 運行狀態 DO充分，入流無有機物 DO充分，入流加有機物 低DO，入流無有機物 低DO，入流加有機物 細菌計數(個/mL) 亞硝酸菌 1×10¹⁰ 7.5×10⁹ 5×10¹⁰ 2.4×10⁸ 硝酸菌 3×10⁹ 5.3×10⁸ 1.8×10⁹ 8×10⁵ 異養菌 　 4.8×10¹⁰ 　 2.7×10⁹ 生物膜性狀 生物膜呈棕黃色透明狀，有大量原生動物(鐘蟲、累枝蟲等)。 液相出現污泥絮體，原生動物個體大、活躍、數量多。 原生動物數量明顯減少。孢囊大量出現，可觀察到許多鐘蟲或累枝蟲的斷柄或空柄。 液相出現少量污泥絮體，原生動物個體小，不活躍，數量明顯減少。 生物膜量(g/L) 2.7 4.0 2.5 3.5

　　 ①當DO充分且無有機物時，亞硝酸菌的數量為1×10¹⁰個/mL，硝酸菌的數量 為3×10⁹個/mL；加入有機物后，異養菌數量增至4.8×10¹⁰個/mL，亞硝酸菌的 數量減少為7.5×10⁹個/mL(比無有機物時減少了1/4)，硝酸菌的數量減少為5.3×10⁸個/mL(比無有機物時減少了4/5)，說明異養菌的增殖會抑制自養菌的活性，使其數量減少，但自養菌的數量還足以維持正常的硝化。?
　　②當低DO且無有機物時，亞硝酸菌的數量為5×10¹⁰個/mL，硝酸菌的數量為1.8×10⁹個/mL；加入有機物后，異養菌數量增加到2.7×10⁹個/mL，亞硝酸菌的數量 驟減為2.4×10⁸個/mL(僅為無有機物時的0.5%)，硝酸菌的數量也僅為8×10⁵個/mL( 為無有機物時的0.1%)，以上數據說明，低DO下生物硝化更易受有機物的影響。?
　　③當DO充分且無有機物時，亞硝酸菌的數量為1×10¹⁰個/mL，硝酸菌的數量為3×10⁹個/mL。當DO降至0.5～1mg/L時，亞硝酸菌的數量增至5×10¹⁰個/ mL(為DO充分時的5倍)；硝酸菌的數量減少為1.8×10⁹個/mL(約為DO充分時的1/2)，表明低DO狀態下，亞硝酸菌能夠繼續繁殖和增長，而硝酸菌則由于對DO的競爭力遠小于亞硝酸菌，其正常的代謝過程受到嚴重抑制。?
　　生物膜上微生物種群及數量的變化與出水氮的形態變化相吻合。

3 　結論

　　 ①DO對硝化的影響：進水氨氮為300mg/L、DO降至0.5～1.0mg/L時，硝酸菌受到抑制，而亞硝酸菌基本不受影響，因而會引起NO₂-的積累，從而實現穩定的亞硝化。
　　②有機物對硝化的影響：TOC為200 mg/L(C/N=1∶1.5)時，只要保證硝化菌有良好的生長環境(溫度適宜，pH值適合，DO充足)，并有充足的氨供給，硝化作用即不受影響。
　　③DO和有機物對硝化的綜合影響：低DO和高有機物濃度將會相互加強對硝化作用的影響。由于好氧異養微生物的比增殖速率(30℃時為0.3～0.5h^-1)遠大于自養硝化微生物的比增殖速率(30℃時為0.085h^-1)，因而異養菌對水中DO的爭奪強于硝化菌，故在DO不足時硝化菌的生長繁殖受到抑制。細菌計數的結果是亞硝酸菌和硝 酸菌的數量分別減少了約99.5%和99.9%，硝化系統的硝化能力受到嚴重破壞，因此在實現高氨、低碳源廢水亞硝化—反硝化工藝的開發研究中深入開展異養菌和硝化自養菌生長競爭關系的研究，具有重要意義。

參考文獻：

　　[1] 俞毓馨，吳國慶，孟憲庭.環境工程微生物檢測手冊[M].北京：中國環境科學出版社，1990.
　　[2] Haanaki K，et al?.Influence of dissolved oxygen with and without organic loading in a suspended-growth reactor[J].Water Res，1990，24(3)：379-402.
　　[3] Laanbroek H J，et al.Competition for limiting amounts of oxygen between nitrosomonas europaea and nitrobacteria winogradskyi grown in continuous cultured[J ].Arch Microbiology，1993(159)：453-459
　　[4]袁林江，彭黨聰，王志盈.短程硝化—反硝化生物脫氮[J].中國給水排水，2000，16 (2)：29-31.
　　[5]趙旭濤，顧國維.硝化作用特性分析及討論[J].環境科學研究，1995，8(1 )：20-23.
　　[6] Lazarova V,Mannem J.An innovative process for waster treatment: circulating floating bed reacter[J].Wat?Sci& T ech,1996,34(9)：89-99.
　　[7] Lazarova V,Nogueira R,Mannem J，et al.Control of nitrification effiency in a new biofimm reacter[J].Wat Sci & Tech,1997,36(1)：31-41.

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　　作者簡介：張小玲(1976-)，女，安徽毫州人， 西安建筑科技大學博士，研究方向為污水處理及回用。
　　電　　話：13087516949?
　　E-mail:zhangxiaoling2384@263.net
　　收稿日期：2001-10-04