生物膜守量储存-SND作用脱氮特性及机理研究

李军 李媛
北京工业大学建筑工程学，北京，100022

0 前言

　　生物膜法具有单位体积生物量大、抗冲击能力强、污染易于沉淀、运行管理方便以及省能的优点。同时微生物呈固着态，有利于将微生物保持在反应器内和优势菌属的培养。在研究序批式生物膜法工艺时，笔者发现该工艺具有很好的同步脱氮作用。因此有必要就序批式生物膜法工艺中所表现出来的脱氮特性和机理做进一步探讨。

1 研究方法

　　试验装置如图1所示。试验所用反应器有机玻璃制成，内径15cm，反应器内有效容积18L，其中沉淀池2L。温度为25℃，好氧状态的DO平均为5.5mg/L。装填密度为30%。生物膜培养采用A/O交替运行方式历时3个月，菌种取自一般活性污染工艺。试验稳态支行工兑每一SBR周期9h，其中太原市氧段3h、好氧段6h。试验中，以试验条件改变后运行2周后的水样为试样，各浓度值为边连续2周后的水样为试样，各浓度值为边连续2周试验数据的平均值。原生污水水质如表1所示。COD，重笱酸钾法；TN，过硫酸钾-紫外分光光度法；NH⁺₄-N，纳氏试剂光度法；NO^-₃-N　NO^-₂-N，离子色谱法：TP，过硫酸钾氯化亚锡还原光度法。

表1 原生污水水质表 水质指标 COD TN NH⁺₄-N NO⁺₂-N NO^-₃-N TP SP PH 碱度 BOD5 浓度,mg/L 250-400 30-60 10-20 0.2 0.1 8-10 7-9 7.3 380-440 180-300

2 结果与讨论

　　2.1 厌、好氧时段内各形态氮浓度的变化。为考察、厌、好氧时段内各形态氮浓度的变化，笔者测定了进水后太原市氧3h、再好氧17h的各形态氮浓度的变化曲线，见图2。由图2可见，在太原市氧段TN下降、NH⁺₄-N上升，TN去除率为34.3%；NH⁺₄-N在好氧开始后6小时内已低于1mg/L，硝化基本完成，同时也可看到此时好氧时段内脱氮率为进水TN的22.3%，总脱氮率达56.6%。过长的好氧只是把余下的氮转化为NO^-₃-N，而总脱氮率几乎没有提高。
　　2.2 进水COD负荷的影响。试验中，采用4种COD进水负荷考察COD(见图3)和各形态氮的变化规律。由图3可知，软性填料序批式生物膜可承受较高的COD负荷的增长，且在厌氧段有较高的COD吸收速率，COD负荷越高，其COD吸收速率也就越高。在进水负荷为1.00kgCOD/(m³·d)时，厌氧段COD吸收值已趋于极大值，对COD吸收达到极大值表明不是所有的有机物都可以做为细胞中的合成物质和储藏物质。进水COD负荷为0.27-1.32kgCOD/(m³·d)时，都有较好的硝化、脱氮效果。

　　2.3 厌氧段过量储存脱氮机理探讨。淹没式SBR生物膜反应器在厌氧段具有约34%的脱氮功能，这是由于微生物细胞具有很好的吸会和储存含碳氮有机物的功能，这些碳氮已超出生长需要；更多的储存物质存在于细胞外即生物膜中，并通过微生物并可经生物代谢作用成为微生物生长所利用的物质。含碳有机物可作为糖原^[2]、PHB^[1]或其他储存化合物储存于细胞内部，作为细胞生长的碳源和能源，这些易降解的胞内储存物对于本研究是尤为重要的，因为在缺氧条件下它们将被首先用于反硝化；而更多的有机物则存在于细胞外即生物膜中，在胞外反应足够慢的情况下，只有在胞内储存的易降解有机物消耗到一定程度后胞外有机物才成为反硝化的碳源。淹没式SBR生物膜在厌氧段可较好地吸附进水中的高浓度有机物，见图3。在该阶段微生细胞具有很好的储存诱导作用，细胞内可积累含碳氮有机物，这些碳氮已超了细胞生长的需要。
　　2.4 好氧段SND脱氮机理探讨。如前所述，SBR生物膜反应器的厌氧段，含碳氮有机物被过量储存。进入好氧段后，在外界有机物已近耗尽的情况下仍有持续的脱氮作用(Simultaneous Nitrification and Denitrification, SND反应)，则证明生物膜中的储存物质成了反硝化的有机碳源。因而，笔者认为，生物膜中存在好氧生物膜层与兼性生物膜层。在深层的兼性生物膜中存在反硝化细菌，这些反硝化细菌利用生物膜中储存有机物作用有机碳源，将好氧生物膜层中道理的硝态氮转化为氮气。SND产生的脱氮率随着生物膜内储存物的增加而增加；过高的COD负荷使生物膜变厚，影响了硝化和反硝化，从而使总脱氮率下降。

3 结论

　　(1)序批式生物膜法工艺具有较好的同步脱氮作用。在水力停留时间为9h(其中厌氧3h、好氧6h)的工艺参数下，进水COD负荷从0.27kgCOD(m³·d)到1.32kgCOD/(m³·d)均可使脱氮率达48.3%以上。(2)厌氧段脱氮机理为过量储存脱氮机理。细胞外即生物膜中，并通过生物代谢作用为细胞所利用。(3)好氧段脱氮机理为，生物膜的SND机理。SND反应主要发生在好氧生物膜层和兼性生物膜层分界区内，反硝化的有机碳源主要为在厌氧段过量储存的有机碳源。由DND产生的脱氮率随碳/氮比的增加而增加，而过高的负荷将使生物膜变厚，从而影响SND的效果。