进水有机物对一体化生物膜反应器脱氮效果的影响

进水有机物对一体化生物膜反应器脱氮效果的影响摘要：根据传统好氧硝化和缺氧反硝化生物脱氮的工艺原理，开发了一体化生物膜反应器。在保持水力停留时间为20h，曝气速率1.8m3/h，进水TN平均浓度为78mg/L的条件下，考察了进水有机物对反应器脱氮效果的影响。试验结果表明，进水COD浓度由210mg/L提高到500mg/L过程中，反应器硝化率由96％降低至66％，而反硝化率由82％提高至99％。由于硝化率的降低，TN去除率由80％下降至64％。批式试验表明，反应器各区污泥都具有硝化活性，但硝化反应主要在反应器好氧区进行。关键词：脱氮；一体化反应器；生物膜；硝化；反硝化EffectofInfluentOrganicSubstancesonNitrogenRemovalinCombinedBiofilmReactorAbstract：AcombinedbiofilmreactorwasdevelopedontheprincipleoftraditionalAnoxic/Oxicnitrogenremovalprocess.ResearchwascarriedoutontheeffectofinfluentCODconcentrationonnitrogenremovalwhenthehydrogenretentiontimeofthereactorwas20h,aerationrate1.8m3/handaveragedinfluentTNconcentration78mg/L.ContinuousexperimentsshowedthatwhentheinfluentCODwasincreasedfrom210mg/Lto500mg/L,nitrifyingefficiencydecreasedfrom96%to66%anddenitrifyingefficiencyincreasedform82%to99%.TNremovalefficiencydecreasedfrom80%to64%duetothedecreasednitrifyingefficiency.Batchstudiesdemonstratedthatthemicroorganismsfromdifferentzonesofthereactorhadnitrifyingactivities,butnitrificationwascarriedoutmainlyintheaerobiczone.Keywords:Nitrogenremoval；Combinedreactor；Biofilm；Nitrification；Denitrification传统生物脱氮方法包括硝化和反硝化两个阶段，分别由硝化细菌和反硝化菌完成。由于二者对环境条件的要求不同,这两个过程一般不能同时发生,而只能序列式进行,即硝化反应在好氧条件下由自养菌完成,反硝化反应在缺氧（厌氧）条件下由异养菌完成。传统的生物脱氮工艺中，硝化和反硝化是在两个或多个独立的具有不同溶解氧（DO）浓度的反应器中进行,如A/O工艺；或者是在时间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行,如SBR工艺。显然,如果硝化和反硝化反应能在一个反应器内连续发生，不仅可以减小反应器容积，节省占地面积，反硝化反应增加的碱度可补充硝化反应减少的部分碱度，调节反应器pH值，使硝化反应顺利进行[1-5]。我们开发制作的一体化好氧/缺氧生物膜反应器，利用曝气推动力实现硝化液的循环，构造简单，操作方式灵活，适用于小规模污水脱氮处理。本文基于该新型生物膜反应器，考察了进水有机物浓度对反应器脱氮处理效果的影响，并对反应器脱氮机理进行了探讨。1装置与方法1.1反应器与运行条件一体化生物膜反应器试验装置见图1。反应器由有机玻璃制成，有效容积360L。底部一侧设曝气装置，两块阻水板将反应器分为好氧区、缓冲区和缺氧区，有效容积分别为135L、90L和135L，三个区域均设置不同密度的弹性纤维填料。反应器进水口位于缺氧区填料中部，出水口位于缓冲区，溢流出水。硝化反应和反硝化反应假设主要在反应器好氧区和缺氧区内进行，利用曝气的喷射动能实现硝化液在这两个分区的循环。同是为保证缺氧区较低的溶解氧浓度，必须控制好氧区和缺氧区的液体循环速率，这可以通过增加缓冲区和缺氧区阻水板面积(阻水板由上下两片部分重合的隔板组成,通过改变隔板重合度可改变阻水板面积大小)来实现。缓冲区的存在一方面保证了缺氧区较低的DO浓度，另一方面增强了反应器对进水水质波动的抗冲击能力。在保持反应器一定曝气速率的条件下，进水有机物负荷对反应器硝化反应和反硝化反应的影响比较复杂。一方面，进水有机负荷过低会造成缺氧区反硝化过程中电子供体缺乏，反硝化反应不完全；另一方面，进水有机负荷过高，好氧区异养菌将会占优势，大量消耗溶解氧从而抑制硝化反应的顺利进行。本试验考察了一定曝气速率和水力停留时间条件下，进水COD浓度对反应器脱碳和脱氮的影响。试验用水采用模拟生活污水，由蔗糖、尿素、食用碱、KH2PO4及其它微量元素配制而成。进水TN浓度为70-86mg/L，TP浓度5-7mg/L，碱度329-428mg/L，pH7-8。从2004.2.16-5.8，通过增加配水中的蔗糖含量使进水COD平均浓度由210mg/L提高至500mg/L。整个试验阶段反应器进水量20L/h，曝气量1.8m3/h，水力停留时间HRT为18h。试验期间反应器水温20-26℃。1.2批式试验反应器运行稳定期间，采用批式试验测定了反应器不同分区污泥的硝化活性，以NH3-N的比污泥降解速率来表征。具体实验步骤是：从反应器不同分区取出污泥后，在8000r/min下离心10min，去掉上清液，将污泥放入250ml锥形瓶中，加入无机培养基100ml。无机培养基中含有NH4Cl、NaHCO3、K2HPO4和微生物生长所需的及其他微量元素。将锥形瓶在28℃、150r/min摇床上振荡,定时取样测定NH3-N浓度。1.3分析方法COD分析方法采用微波消解重铬酸钾法；NH3-N采用纳氏试剂光度法；NO2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；NO3-N采用酚二磺酸光度法；TN采用过硫酸钾氧化－紫外分光光度法；MLSS采用重量法[6]；pH值测定采用PHS-25型酸度计；DO采用JPSJ-605型溶解氧分析仪测定。图1一体化生物膜反应器2结果与讨论2.1反应器运行效果图2、3显示了反应器在两个多月连续运行过程中对COD和TN去除的效果。从图2可以看出，整个试验过程中，出水COD始终小于50mg/L。随着进水COD的提高，COD去除率由89％增加至96％，COD去除负荷达到0.613kgCOD/m3.d。图3显示，由于运行条件的改变，出水TN浓度梯度变化，在3.14到4.2日反应器运行期间，出水TN约为15mg/L，TN去除负荷约为0.084kgN/m3.d。图2反应器对有机物的去除坦图系3徐反应器弹对摇T炕N忧的去除走2.2庭嘉进水有机物浓心度绢对赛T伏N销去除的影响宗进水有机物浓贴度对反应霉器观T盾N炊去除率的影响默如依图临4堆所示。可以看贴出，当进惑水吸CO著D条由凡约窜210mg/谢L钻提高菠到件400mg/斥L跑，反应拖器亭T警N刊去除率始终保猴存屑在义80江%会左右；进幅水慨CO内D封增加至逐约澡500mg/烤L盾，堡T锤N戒去除率下降珠至疲6率4警％。遗图毕5忙表明了不纯同叙CO尝D疤浓度进水期间早反应器出水茧中锹NH祖3羊-岁N障、紫NO每3验-邮N扩和差NO师2钟-怜N防浓度变化。可因以看出，整个转试验期间，反帅应器出扰水阻NO冠2衔-碎N盛浓度始终小光于劈1mg/债L膊。进萄水绍CO牢D拦由燃210mg/阀L摸提高紫至机500mg/瓣L恶，区NO州2宿-汽N很浓度挂由达0.9mg/提L屠下降台至露0.4mg/慢L绸。与之不同，强出扫水器NH联3板-驴N吓和钞NO御3挡-艰N活浓度受进脂水箭CO库D告影响较大。进众水青CO因D汽平均浓度小窝于认400mg/驾L度时，虽然出顺水羽T丸N沈相差不多枯（帮15-17m佳g/扣L遵）弊,汽但出水何中葛N井的构成却不尽它相同。进状水弃CO肃D叼为透210mg/岔L棵时，出水啄中荐NO孟3扭-论N钢浓度扣为障13mg/掉L西，乳而惨NH喊3挡-翅N限为缠3mg/殿L认，反应器硝化袭率和反硝化率规分别枝为波9睁6虾％岸和幅8邻2农％；进阀水兴CO等D妥增加良至羞400mg/晕L笨，出水帜中卧NO姐3艇-闷N我浓度降副至僵1mg/我L采，缠而神NH哑3慧-删N限增加恒至北14mg/肯L丹，反应划器硝化率索为浊8蔑2嫩％，反硝化率宅为漂9羡8态％；进万水交CO非D匠浓度进一步提滔高摄至亦500mg/咬L医，反应器硝化饲率下降培至歪6谢6末％，新而第T抚N命去除率栏由子8乓0条％降低哄至攀6章4透％。陈3悠反应器脱氮特努性分析现3.1D哀O评在反应器各区坦的分布垒反应器各芹区必D员O平分布如娘图发6判所示。可以看残出，在不同进衫水条件下，好暮氧虚区确D蔑O研浓度明显高于扮缺氧区，随着涨进疼水锡CO香D岛的增高，各遇区唱D捷O删浓度呈下降趋励势。在进牺水覆CO躁D帐浓度辉为丢210mg/蠢L凉时，好氧区、论缓冲区和缺氧逗区饺D荡O宪浓度分别变为寿4.7mg/四L致、序3.8mg/逐L帆和碌1.5mg/持L南。反应器各区樱尤其是缺氧区缠生物膜内部存狮在缺氧微环境布是反硝化得以残进行的条件。抗但缺氧区混合惧液中溶解氧浓筝度较高可能是射该阶段反硝化雀不完全、出借水扔NO拍3侍-劝N爽浓度大的原因盆。在进肆水润CO尚D榜浓度提高杀至艳500mg/因L暴时，好氧区、墨缓冲区和缺氧复区祖D养O阿浓度分别下降默为摆3.6mg/验L驴、物1.6mg/环L矩和宾0.5mg/瑞L社左右。异养好袄氧菌和硝化菌律相比，对环境排条件变化的忍子耐性好，生长萌率高，在反应顷器中极易占优血势。该阶段进框水有机物较高此，异养好氧菌链大量生长，好塑氧区和缺氧扩区假D对O趁下降，从而使拣系统中的硝化抖菌比例过低，三减弱了硝化作鹿用。捉图誓4跟胳进普水厚CO题D浪浓度偶对需T轻N荷去除率的影响伙图歉5遣银进硬水侧CO连D君浓度对出塌水状NH3-共N识、喊NO3-谨N饶和移NO2-筛N蜓浓度的影响响3.损2云污泥硝化活性支在反应器运行梢的不同阶段，还采用批式试刑验对各区污泥络进行了硝化活代性的测定。试述验结果如搏图殃7新所示。可以看样出，由于反应旱器内不存在绝雾对的厌氧区，奇不同分区的污堵泥都具有硝化合活性，但好氧脱区污泥的硝化序活性明显高于饥缺氧区。在反等应器进水平茫均创CO伤D闹浓度尝为被500mg/疏L才运行期间，虽猴然好氧伏区另D蠢O佛浓度高于缓冲干区，但好氧区需污泥的硝化活箱性却低蓝于缺氧区，分遵析原因可能和墨生物膜的结构命有关。该阶段绳好氧区生物膜埋呈丝状絮体，翻厚度增加期至贵5m呈m扣左右。研究表炼明，大部分硝医化细菌处于生哑物膜的内部，梅生物膜厚度的军增加降低亚了比D喇O藏在其内的穿透院性而导致硝化职活性的下降。虏图宁6屠袜不同进醒水萍CO讽D怕浓度下反应器元内在D换O辛分布括图检7互仗不同进蹄水葵CO烫D江浓度下反应器铅各区污泥硝化银活性记3.蠢3渗反应器各区生牌物膜特性劈由于反应殿器董D吸O运浓度梯度分布蜻，各区污泥性历状明显不同。尊好氧区污泥呈锦黄褐色，生物黄膜为丝状絮体弯，沉淀性能差领，镜检观察生哪物相丰富，有稍大量丝状菌和棉等枝虫，少量算轮虫和变形虫泳；缺氧区污泥藏呈黑褐色，填况料上部表层生递物膜少量为灰经白色，沉降性谁能良好，镜检折有变形虫和线盗虫等。缓冲区局污泥颜色随进柴水有机物浓度钓的改变而不同谁，在进霉水态CO记D凑浓度低时为黄仅褐色，进睬水寻CO匹D们高时部分污泥伸变为黑褐色，裁镜检有丝状菌警、等枝虫和轮董虫，数量和好松氧区相比较少矮。不同分区污好泥表观特征在鬼水平方向的连分续过渡以及对失污泥硝化活性萄测定结果表明孝，硝化反应在布好氧区占优势阻，而反硝化反云应在缺氧区占肺有优势。这一颈点也被各物质愉在反应器内的仿分布所证实。精从雾图沿8激和模图锅9行可以看出，由替于硝化反应的腥发生，好氧已区搂NH埋3鬼-土N灌浓度低于缺氧移区，川而请NO注3狂-道N肉浓度高于缺氧啊区，这种差异唱在进水有机物壶浓度较低、硝序化率较高运行哑期间表现明显刑。芝图慎8坝戴不同进越水深CO适D拌浓度孩下吉NH靠3蔑-流N第在反应器内分毅布胀图挑9疲执不同进砍水该CO攻D拔浓度肥下贪NO吨3后-缘N硬在反应器内分符布4结论门（岸1盲）根据传统好悠氧硝化和缺氧斥反硝化生物脱那氮的工艺原理奏，开发了一体度化生物膜反应剧器。连续试验智表明，在保持轿水力停留时间穴为键20聚h籍，曝气速竿率竿1.8m持3盲/恭h核，进害水秤TN即居平均巡为滚78mg/魄L被的条件下，反啄应器对废水悼中糖CO蹦D峡和村T铺N茧的去除率分别古达徒到竭96背%爽和纺80嘱%网。神（沫2飞）随着进水有砖机物浓度的提断高，反应器硝至化率下降，反畜硝化率上升。色进帽水票CO棋D颠由办210mg/问L控提高粉至吹500mg/溜L悬时，硝化率加由距9香6屿％降贝至蜜6肺6催％唤，抽T锅N踪去除率捡由灯8洋0遥％下降奴至涂6垄4鼓％。硝化菌在膛和异养的好氧否菌对溶解氧和望生存空间的竞导争中处于弱势跌，是反应犁器皆T述N府去除率下降的滥主要原因。大（何3暑）批式试验表扯明，反应器各畏区污泥都具有距硝化活性，但限由于好氧区硝山化活性高于缺乐氧区；瞒NH作3地-巨N晨和烧NO球3前-瞒N勉在反应器各区诉的分布也表明梢，架硝化和反硝化挡反应分别主要尖在反应器好氧缠区和缓冲区进悦行。绝（驰4月）反应器对于撤生活污水的脱渔氮处理，不需也外加碳源和补蚁充碱度，剩余瓶污泥量很少，深具有占地面积稻小、操作简单早等优点。参考文献：福[1]宾T.Han月o,M.纯Matsum琴oto枪.昼Biolog眉icaln羊itroge到nremo梢valsi闯nabu寒bblec凝olumn久witha制draft确tube锤.疮Chemic吐alEng鸟ineeri氏ngSci半ence指,1992让,陷47鱼:醋3737-检3744柳.熟[2]灾TakuT闯ujiwar眠