序批式生物膜法的脫氮特性及機理研究

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簡介： 對序批式生物膜法工藝中所表現(xiàn)出來的脫氮特性進行了探討，并提出了過量儲存－SND脫氮作用機理. 厭氧段脫氮主要靠生物膜對含碳氮有機物的過量儲存作用；好氧段脫氮主要靠生物膜的SND作用，反硝化的有機碳源主要為生物膜中在厭氧段過量儲存的有機碳源。
關鍵字：序批式 生物脫氮 SND 過量儲存

Characteristics and mechanism studies on the removal of nitrogen in sequencing batch reactor of submerged biofilm process

LI Jun1，LI Yuan1，NIE Meisheng2， WANG Baozhen3
(1.College of Civil Engineering & Architecture, Beijing Polytechnic University, Beijing, 100022；
2.Housing Industrialization Office of Construction Ministry, Beijing, 100835；
3. College of Municipal & Environmental Engineering, Harbin University of Technology, Harbin, 150008)

　　Abstract：The article discusses the nitrogen removal characteristics in sequencing batch reactor of submerged biofilm process. It also sets up the mechanism of over storage—nitrogen removal with SND. Nitrogen removal in the anaerobic phrase depends largely on the over storage function of the biofilm to the carbonaceous and nitrogenous organism, and nitrogen removal in the aerobic phrase depends on the SND function of biofilm. The organic carbon over storaged in the anaerobic phrase in the biofilm provides the major of organic carbon in the process of denitrification.
　　Keywords：Sequencing Batch Reactor ；Biological Nitrogen Removal；Simultaneous Nitrification and Denitrification；Over Storage

　　生物膜法具有單位體積生物量大、抗沖擊能力強、污泥易于沉淀、運行管理方便以及省能的優(yōu)點。同時微生物呈固著態(tài)，有利于將微生物保持在反應器內和優(yōu)勢菌屬的培養(yǎng)。在研究序批式生物膜法工藝時，筆者發(fā)現(xiàn)該工藝具有很好的同步脫氮作用[1]。因此有必要就序批式生物膜法工藝中所表現(xiàn)出來的脫氮特性和機理做進一步的探討。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置
　　試驗裝置如圖1所示。試驗所用反應器用有機玻璃制成，內徑15cm，反應器內有效容積18L，其中沉淀池2L。試驗進水的TP平均為10.0mg/L、TN平均為37.7mg/ L、COD為370.0 mg/ L，溫度為25℃，好氧狀態(tài)的DO平均為5.5 mg/ L。裝填密度應是纖維載體上生物膜成熟后，膜與載體所占容積與整個反應器容積之比。本實驗分別做了最大裝填密度37.5％、實用裝填密度30％以及較低裝填密度22.5％的對比實驗后，確定較適宜的裝填密度為30％。此時，反應器中的纖維載體的比表面積為2.66m2/ L 。生物膜培養(yǎng)采用A/O交替運行方式歷時3個月，菌種取自一般活性污泥工藝。試驗穩(wěn)態(tài)運行工況為淹沒序批式生物膜法工藝的運行工況[1]，即每一SBR周期為9h，其中厭氧段3h、好氧段6h。

1.2 原生污水和主要分析方法
　　原生污水用自來水加蛋白胨配制，配制時還投加少量氯化銨、硫酸鎂、磷酸二氫鉀、氯化鈣、氯化鈉等，配制后水質如表1所示。 COD，重鉻酸鉀法；TN ，過硫酸鉀-紫外分光光度法；NH₄⁺-N，納氏試劑光度法； NO3--N 、NO2--N ，離子色譜法；TP，過硫酸鉀氯化亞錫還原光度法。

表1 原生污水水質表水質指標CODTNNH₄⁺-NNO3--NNO2--NTPSPPH堿度BOD5濃度，mg/L250-40030-6010-200.20.18-10 7-97.3380-440180-300

2 試驗研究

2.1 厭、好氧時段內各形態(tài)氮濃度的變化
　　為考察厭、好氧時段內各形態(tài)氮濃度的變化，筆者測定了進水后厭氧3h、再好氧17h的各形態(tài)氮濃度的變化曲線，見圖2。試驗中，以試驗條件改變后運行2周后的水樣為試樣，各濃度值為連續(xù)2周試驗數(shù)據(jù)的平均值。由圖2可見，在厭氧段TN下降、NH₄⁺-N上升，TN去除率為34.3%；NH₄⁺-N在好氧開始后6小時內已低于1 mg/ L，硝化基本完成, 同時也可看到此時好氧時段內脫氮率為進水TN 的22.3%, 總脫氮率達56.6%。過長的好氧時間只是把余下的氮轉化為NO3--N，而總脫氮率幾乎沒有提高。

2.2 進水ＣＯＤ負荷的影響
　　試驗中，采用4種COD進水負荷考察COD和各形態(tài)氮的變化規(guī)律，見圖3至圖7。
　　由圖3可知，軟性填料序批式生物膜可承受較高的COD負荷的增長，且在厭氧段有較高的COD吸收速率，COD負荷越高，其COD吸收速率也就越高。厭氧段COD吸收值在進水負荷1.32 kg COD/（m3.d）(相應進水COD濃度為496.8mg/ L)時為212.5mg/ L，而在進水負荷1.00kg COD/（m3.d）（相應進水COD濃度為375.0mg/ L）時為203.1mg/ L，這說明在進水負荷為1.00 kg COD/（m3.d）時，厭氧段COD吸收值已趨于極大值，對COD吸收達到極大值表明不是所有的有機物都可以做為細胞中的合成物質和儲藏物質。所以筆者確定該工藝適宜進水COD負荷為0.27－1.32 kg COD/（m3.d）。

　　圖4為4種COD進水負荷時NO3--N變化曲線，隨著COD進水負荷的提高，發(fā)生硝化的時間往后推移。圖5為4種COD進水負荷時NO2--N變化曲線，NO2--N產生后要達到一個峰值，隨著COD進水負荷的提高，產生峰值的時刻后移。在COD進水負荷1.00 kg COD/（m3.d）時，出水NH₄⁺-N為0.40mg/ L，在COD進水負荷增加到1.32 kg COD/（m3.d）時，出水NH₄⁺-N達1.47mg/ L。圖7、為4種COD進水負荷時TN去除率。可見，進水COD負荷為0.27－1.32 kg COD/（m3.d）時都有較好的硝化、脫氮效果。

3 厭氧段過量儲存脫氮機理探討

3.1 生物膜的吸附作用
　　生物膜的表面是高度活性的、具有巨大的截留和吸附能力, 可吸附混合液中的顆粒、膠體物質和溶解性物質，因而生物膜中除異氧菌、自養(yǎng)硝化菌和原生動物外還有使細胞得以凝聚在一起的胞外多聚糖類物質，附著在生物膜絮體表面的溶解態(tài)、懸浮態(tài)、膠體態(tài)的有機物，微生物的代謝殘留物及進水中不可降解的組份等。許多低分子溶解性有機物可被微生物細胞通過主動運輸、輔助運輸、單純擴散機制直接吸收，溶解性大分子有機物、懸浮物和膠體物質雖然難以直接穿過細胞壁進入細胞內，但可以吸附在細胞表面然后經胞外酶的水解作用轉化為可傳遞到胞內的溶解性有機物，因而生物膜的吸附作用對有機物的去除是非常重要的。
3.2 儲存代謝機理
　　由上可見并非所有被吸附到生物膜上的有機物都可轉化為細胞的原生質，而其中的一部分是以“儲存物質”的形式存在。儲存物質就是儲存于生物膜中的溶解或非溶解性有機物并可經生物代謝作用成為微生物生長所利用的物質。
　　含碳有機物可作為糖原[2]、PHB[1]或其他儲存化合物儲存于細胞內部，作為細胞生長的碳源和能源，這些易降解的胞內儲存物對于本研究是尤為重要的，因為在缺氧條件下它們將被首先用于反硝化；而更多的有機物則存在于細胞外即生物膜中，在胞外反應足夠慢的情況下，只有在胞內儲存的易降解有機物消耗到一定程度后胞外有機物才成為反硝化的碳源。
3.3 過量儲存脫氮機理
　　淹沒式SBR生物膜在厭氧段可較好地吸附進水中的高濃度有機物，見圖3。在該階段微生物細胞具有很好的儲存誘導作用，細胞內可積累含碳氮有機物，這些碳氮已超出了細胞生長的需要。James E. Aueman [2]的實驗中發(fā)現(xiàn)在SBR好氧段，在外界有機物已耗盡的情況下，仍有胞內糖原的增長，從而證明了胞內儲存有機物為糖原前體，因而更加強了這一觀點。
　　綜上，淹沒式SBR生物膜反應器在厭氧段具有約34％的脫氮功能，這是由于微生物細胞具有很好的吸付和儲存含碳氮有機物的功能，這些碳氮已超出生長需要；更多的儲存物質存在于細胞外即生物膜中，并通過微生物代謝作用為細胞所利用。

4好氧段SND脫氮機理探討

　　根據(jù)傳統(tǒng)生物脫氮理論，硝化與反硝化反應不能同時發(fā)生，硝化反應在好氧條件下進行，反硝化反應在厭氧條件下進行。然而，近幾年有不少試驗[3]證明存在同步硝化與反硝化現(xiàn)象（Simultaneous Nitrification and Denitrification, 簡稱SND），尤其是有氧條件下的反硝化現(xiàn)象存在于各種不同的生物處理系統(tǒng), 如生物轉盤[4]、SBR[5]、CAST[6]工藝等。
　　如前所述，SBR生物膜反應器的厭氧段，含碳氮有機物被過量儲存。圖8為COD進水負荷1.00 kg COD/（m3.d）時進入好氧段后的TN、COD變化曲線。由圖8可見，在外界有機物已近耗盡的情況下仍有持續(xù)的脫氮作用（SND反應），則證明生物膜中的儲存物質成了反硝化的有機碳源。因而，筆者認為，生物膜中存在好氧生物膜層與兼性生物膜層。在深層的兼性生物膜中存在反硝化細菌，這些反硝化細菌利用生物膜中儲存有機物作為有機碳源，將好氧生物膜層中產生的硝態(tài)氮轉化為氮氣。本試驗中好氧段的脫氮作用主要是由于生物膜的SND脫氮作用。由圖7可知，在進水COD負荷從0.27 kg COD/（m3.d）上升到0.73 kg COD/（m3.d）時，總氮去除率從48.3％上升到56.6％，說明由SND產生的脫氮率隨著生物膜內儲存物的增加而增加；當進水COD負荷從0.73 kg COD/（m3.d）上升到1.32 kg COD/（m3.d）時，總氮去除率從56.6％下降到48.7％，是由于過高的COD負荷使生物膜變厚，影響了硝化和反硝化，從而使總脫氮率下降。圖2則說明了生物膜中儲存有機碳隨好氧時間延長而下降，所以脫氮率也逐步下降，在好氧6小時后生物膜中儲存有機物已耗盡，所以過長的好氧時間并不能提高脫氮率。

　　因此筆者認為，生物膜內存在SND反應。SND反應主要發(fā)生在好氧生物膜層和兼性生物膜層分界區(qū)內，反硝化的有機碳源主要為在厭氧段過量儲存的有機碳源。由SND產生的脫氮率隨碳/氮比的增加而增加，而過高的進水COD負荷將使生物膜變厚，從而影響SND的效果。一個SBR運行周期好氧末端生物膜中儲存物質的耗盡為下一周期厭氧開始進行的過量儲存做好了準備。

5結論

　　(1)序批式生物膜法工藝具有較好的同步脫氮作用。在水力停留時間為9h（其中厭氧3h、好氧6h）的工藝參數(shù)下，進水COD負荷從0.27kgCOD/（m3.d）到1.32 kgCOD/（m3.d）均可使脫氮率達48.3%以上。(2)厭氧段脫氮機理為過量儲存脫氮機理。微生物細胞具有很好的吸付和儲存含碳氮有機物的功能，這些碳氮已超出生長需要；更多的儲存物質存在于細胞外即生物膜中，并通過生物代謝作用為細胞所利用。(3)好氧段脫氮機理為生物膜的SND機理。SND反應主要發(fā)生在好氧生物膜層和兼性生物膜層分界區(qū)內，反硝化的有機碳源主要為在厭氧段過量儲存的有機碳源。由SND產生的脫氮率隨碳/氮比的增加而增加，而過高的負荷將使生物膜變厚，從而影響SND的效果。

參考文獻

　[1] 李軍，王寶貞，聶梅生。淹沒序批式生物膜法除磷工藝特性研究[J]。中國給水排水, 2001, 17(7):1-5
　　[2] James E. Aueman et al. Storage-induced denitridication using sequencing batch reactor operation[J]. Wat. Res. , 1980, 14:1483 -1488
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　　[6] Mervyn C Goronszy, Gunnar Demouiin and Mark Newland. Aerated nitrification in full-scale activated sludge facilities[J]. Wat.Sci.Tech., 1997, 35(10):103-110

基金項目：北京市科技新星資助項目（9558100800）、北京市留學基金項目資助

作者簡介：李軍（1964—），男，副教授（博士）