Nitrif ication capabil ity of a f ixed biomembrane reactor
Wang J in1 ,2 　Ma Wenling1 ,2 　Qi Rong1 　Yang Min1
(11State Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry ,Research
Center for Eco - Environmental Sciences ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100085
21Department of Environmental Science , Shanxi University ,Taiyuan 030006)

Abstract:A fixed bed nit rification reactor was const ructed by filling a waved nonwoven sheet in a plastic column ,and the performance of the reactor was evaluated on synthetic wastewater. A ammonia removal over 98 % was obtained at a load of 1. 7kg/ (m³·d) . A DO of 6mg/ L could prevent nit rite accumulation under the load. The reactor recovered it s ammonia removal capacity in a week after it was stopped for two and half months.
Key words:non-wovens ; biofilm reactor ; nitrification ; biocarrier ; nit rite accumulation
1 　前言
　　水體氮污染以及由此造成的水體富營養(yǎng)化問題已成為世界上許多國家、地區(qū)共同關(guān)心的環(huán)境問題。有關(guān)工業(yè)廢水和城市污水的脫氮研究一直是國內(nèi)外環(huán)境研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。高濃度氨氮廢水的處理主要有化學(xué)法(吹脫法、折點(diǎn)氯化法、離子交換法等) 和生物法兩種?；瘜W(xué)法容易造成二次污染,因此,普遍認(rèn)為生物脫氮法最為經(jīng)濟(jì)有效^[1] 。
　　有機(jī)氮化合物的生物脫氮過程包括氨化、硝化和反硝化三個(gè)階段,其中氨化作用和反硝化作用的反應(yīng)速率比硝化作用要高得多,這使得硝化作用成為整個(gè)反應(yīng)過程的制約階段。由于硝化菌生長速度緩慢,當(dāng)采用一般的懸浮生長系統(tǒng)進(jìn)行硝化處理時(shí),一旦發(fā)生污泥流失現(xiàn)象,系統(tǒng)的處理能力難于在短時(shí)間內(nèi)得到恢復(fù),因此,現(xiàn)在人們傾向于采用
生物膜反應(yīng)器作為硝化處理裝置。
　　有些學(xué)者利用懸浮載體生物膜反應(yīng)器去除市政垃圾填埋滲濾液中的氨氮,可以獲得最大的氨氮氧化速率為0. 6kg/ (m3·d) ^[2] 。本文以經(jīng)過波浪型定形處理的無紡布作為填料,設(shè)計(jì)出一種新型的固定床式生物膜反應(yīng)器,并利用人工合成的高氨氮廢水對(duì)這種反應(yīng)器的硝化性能進(jìn)行研究。
　　無紡布是一種比表面積大、微生物易于附著的材料,其上可以生長高濃度的微生物,本實(shí)驗(yàn)的目的在于通過載體上的高生物量得到一種高負(fù)荷的硝化反應(yīng)器。
2 　實(shí)驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法
2.1 　試驗(yàn)用水及接種污泥
　　試驗(yàn)用水采用人工配水,由NH₄Cl 、K₂HPO₄ 、NaHCO₃ 和微量元素組成,堿度按大約7. 1g CaCO₃/1g(NH₄-N) 的比例投加。接種污泥取自北京市高碑店污水處理廠,污泥接種量為600mg/ L 。
2.2 　試驗(yàn)裝置與流程
　　硝化柱是半徑0. 045m、高度1. 2m 的有機(jī)玻璃柱,填充容積為7. 6L ;采用微孔曝氣器,曝氣量由氣體流量計(jì)控制;進(jìn)水采用升流式,用計(jì)量泵控制流量;填料為經(jīng)過定形處理的無紡布填料。硝化處理工藝流程如圖1 所示,整個(gè)系統(tǒng)放置在溫控室中,可根據(jù)需要調(diào)節(jié)至一定溫度。

2.3 　試驗(yàn)方法
⑴試驗(yàn)方法
　　實(shí)驗(yàn)用無紡布由日本Organo公司提供,預(yù)先經(jīng)過波紋狀定形處理。面積為0.5m²的無紡布被卷成筒狀后裝進(jìn)反應(yīng)器中,充填率為90%。反應(yīng)器經(jīng)過20d的掛膜生長后,進(jìn)入負(fù)荷提高階段。在每一個(gè)負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行5—6d后,以30%的速度增加進(jìn)水氨氮濃度。每天取樣測(cè)定氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮,記錄溫度、溶解氧和進(jìn)出水的pH值。三個(gè)月后,每隔2—3d對(duì)生物膜進(jìn)行反沖洗,以保持微生物活性。
　　試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量反應(yīng)器生物量。剪一定面積的無紡布,烘干、稱量,然后將污泥洗滌下來,再次烘干、稱量,二者之差再乘以總面積就是反應(yīng)器的生物量。
⑵測(cè)試方法^[3]
　　氨氮:納氏試劑比色法;
　　亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮:離子色譜法;
　　pH:便攜式pH 計(jì);
　　DO :便攜式DO 計(jì)。
3 　結(jié)果與討論
3.1 　硝化柱運(yùn)行情況
　　硝化柱運(yùn)行情況隨時(shí)間的變化如圖2所示。

　　系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后,首先在較低負(fù)荷下運(yùn)行,當(dāng)在該負(fù)荷下達(dá)到穩(wěn)定后,升高負(fù)荷。硝化柱運(yùn)行半年,進(jìn)水氨氮從40mg/L 一直升高到700mg/L ,氨氮的容積負(fù)荷最高達(dá)到2. 2kg/ (m³·d) 。
　　系統(tǒng)運(yùn)行初期,進(jìn)水氨氮濃度從40mg/ L左右逐漸升至200mg/ L ,容積負(fù)荷也從0. 12kg/ (m³·d)提高到0. 63kg/ (m³·d) 。穩(wěn)定時(shí)的出水氨氮均在1mg/L 以下,僅在增大氨氮濃度時(shí)有2—3d的適應(yīng)期。氨氮硝化產(chǎn)物基本為硝酸鹽氮,無亞硝酸鹽氮的積累。這說明在低氨氮負(fù)荷條件下,無紡布硝化柱有很好的氨氮去除效果。
　　將進(jìn)水氨氮濃度提高到300mg/ L 時(shí),硝化柱出水中開始有亞硝酸鹽氮積累。但直至進(jìn)水氨氮濃度達(dá)到600mg/L , 氨氮去除率仍保持在接近100%。進(jìn)水氨氮濃度達(dá)到700 mg/L (容積負(fù)荷為2.2kg/(m³·d)) 時(shí),出水雖無亞硝酸鹽氮,去除率已下降至50% —70% ,實(shí)際去除量為1.1 —1.5kg/(m³·d) 。再增大曝氣量也無濟(jì)于事,下面將對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的討論。
3.2 　亞硝酸鹽氮的積累及其影響因素
　　生物硝化過程是在硝化菌的新陳代謝過程中,將氨轉(zhuǎn)化成亞硝酸根,最后再將亞硝酸根轉(zhuǎn)化成硝酸根的過程。在一些情況下,亞硝酸根會(huì)產(chǎn)生積累。導(dǎo)致亞硝酸根離子累積的原因有溫度、pH 值、溶解氧濃度、游離氨濃度、硝化菌抑制物以及泥齡等^[4] 。
⑴溶解氧
　　由于亞硝化菌對(duì)有限溶解氧的競(jìng)爭(zhēng)能力要強(qiáng)于硝化菌,所以低溶解氧容易抑制硝化菌的生長,引起亞硝酸鹽氮的積累[5] 。據(jù)報(bào)導(dǎo),水中的DO>2mg/L 時(shí),硝化菌的增長與溶解氧濃度無關(guān)^[6] 。但由于生物膜形成了氧的濃度梯度,水體中所測(cè)定的溶解氧濃度不能代表生物膜內(nèi)部溶解氧濃度。從圖3 可以看出,進(jìn)水氨氮濃度在300mg/ L時(shí),DO從4mg/L 升到6mg/L 后,出水已無亞硝酸鹽氮了。這說明在一定限度內(nèi),加大曝氣量既可以對(duì)生物膜進(jìn)行沖刷,將一部分死亡的微生物細(xì)胞脫落下去,從而使生物膜保持更高的活性;又能增加氧的濃度梯度,使氧氣擴(kuò)散至污泥層內(nèi)部,從而加快硝化反應(yīng)速率。當(dāng)進(jìn)水濃度增加至400mg/L 時(shí),亞硝酸鹽氮再次出現(xiàn)?？赡苁请S著負(fù)荷的升高,系統(tǒng)又出現(xiàn)了供氧不足的問題。

⑵溫度
　　從圖3 可以看出,系統(tǒng)運(yùn)行初期,反應(yīng)器內(nèi)溫度在25℃左右,出水基本無亞硝酸鹽氮。當(dāng)溫度降至20℃以下時(shí),開始出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。再次升高溫度,亞硝酸鹽氮的積累得到了緩解。溫度對(duì)硝化反應(yīng)的影響主要有兩方面:首先,不同溫度下硝化菌和亞硝化菌的增長速率是不同的,但都是隨溫度的升高速率增大。另外,溫度的影響還體現(xiàn)在氧氣的轉(zhuǎn)移速率方面。隨著水溫的上升,水的粘滯性降低,氧的擴(kuò)散系數(shù)提高^[7] 。最后表現(xiàn)為:溫度升高有利于減輕亞硝酸鹽氮的積累。
⑶氨氮濃度
　　當(dāng)進(jìn)水濃度達(dá)到700mg/L 時(shí),氨氮去除率已明顯下降,加大曝氣量也無好轉(zhuǎn)?？赡苁鞘軅髻|(zhì)速率的影響,反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度已無法增加。我們也曾將磷和微量元素的配量加大,但也無明顯效果,說明不是營養(yǎng)元素缺乏造成氨氮去除率下降的。
3.3 　二次啟動(dòng)階段
　　停止進(jìn)水兩個(gè)半月后,再次啟動(dòng)硝化柱,水力停留時(shí)間從以前的7.6h 改為4.5h。在溶解氧濃度為5.5—6mg/L左右,水溫為20℃,入水氨氮濃度為300mg/L的條件下,氨氮去除率在95%以上。由此可見,生物膜反應(yīng)器在中斷進(jìn)水一段時(shí)間后,系統(tǒng)功能不會(huì)有致命影響,通水一周后能夠較快地得到恢復(fù)。
　　但當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度升至350mg/L后,去除率已降為70%—80%, 氨氮去除量仍保持在1.6kgNH₃-N/ (m³·d)左右,說明反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除在現(xiàn)有條件下已達(dá)極限。

表1 　連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)日期 COD SS 油 pH 前 后 前 后 前 后 前 后 2000.8.10 528 80 230 8.2 101 6.9 6.8 7.2 2000.8.15 458 81 212 7.6 98 6.8 7.1 7.3 2000.8.20 326 67 189 6.6 102 7.3 6.9 7.5 2000.8.25 493 87 167 7.6 69 7.1 7.0 7.8 2000.8.30 389 92 201 7.9 81.5 8.9 7.2 7.9 2000.9.05 411 105 156 8.6 120 10 6.9 7.8

6 　結(jié)論
(1)中小型酒店廢水可利用混凝- 過濾法處理,處理后的水質(zhì)達(dá)到廣州市排放標(biāo)準(zhǔn)。
(2)本工藝方法較簡(jiǎn)單,再加之混凝沉降設(shè)備的特點(diǎn),充分利用了空間,占地少。
(3)將石灰水和硫酸亞鐵分別用作破乳劑和混凝劑,價(jià)廉易得,運(yùn)行費(fèi)用約為0.6元/t。
(4)本工藝與現(xiàn)有的生化法相比,無噪音污染,占地面積小。
(5)本工藝很適合市區(qū)本行業(yè)廢水處理,有一定的實(shí)用性。
參考文獻(xiàn)
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