地表水处理中的好氧反硝化

谢曙光，张晓健，王占生
(清华大学环境科学与工程系，北京100084)

　　摘　要：对地表水处理中的好氧反硝化进行了探索性研究，在水力负荷较高的情况下取得了良好的效果(对氮的去除率为20%～30%)，还根据试验结果对好氧反硝化的机理作了补充和修正。
　　关键词：地表水；好氧反硝化；除氮?
　　中图分类号：X505
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2002)03-0007-03

Aerobic Denitrification in Surface Water Treatment
XIE Shu?guang，ZHANG Xiao?jian，　WANG Zhansheng?
(Dept of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 10008 4,China)

　　Abstract：Experimental study was carried out on the aerobic denitrificaion in surface water treatment,and good effect was achieved under high hydraulic loading with nitro gen removal of 20%～30%.Furthermore,supplement and modification were made for th e mechanism of aerobic denitrification based on the experiment results.
　　Keywords:surface water;　aerobic denitrification;　nitrogen removal

　　氮能引起水环境的富营养化，因此在含氮废水排入水体以前必须进行脱氮。常规的脱氮方法是进行生物硝化反硝化，但在有机碳源较低时必须投加甲醇或乙醇等外加碳源才能进行有效的异养反硝化。最近一些国外学者在处理高氨氮废水时发现，在低溶解氧(DO为1 mg/L左右)条件下某些微生物能不消耗有机物而进行脱氮，例如用生物转盘法处理经化学混凝(絮凝)的填埋场渗滤液(DOC为20mg/L,NH₄⁺-N为100～400 mg/L)时有60%的氮流失，而这不可能是异养反硝化的结果，故把此现象叫做好氧反硝化(Aerobic denitrification)或氧受限制的反硝化(Oxygen limited denitrification)，也有人称其为好氧脱氨(Aerobic　deammonification),属于自养反硝化类型的一种^［1～3］。对于氨氮较低的地表水处理，国内外尚未有好氧反硝化现象的报道。?

1　中试概况

　　采用三级淹没式生物滤池对永定河水进行处理流程见图1。

　　图1可见，滤池(柱)高均为3 m，柱直径为20 cm。滤池Ⅰ、Ⅱ的滤料层净高为1.2 m，滤池Ⅲ的滤料层净高为1.5 m(开始运行时为1.5 m)。滤池中的填料均为陶粒(粒径为2～5mm)，滤池Ⅰ、Ⅱ内不曝气，而滤池Ⅲ内进行曝气。滤池Ⅱ顶部密封，但在柱顶部 侧面设有数个开口(通过阀门可以调节开、闭程度)以调节滤池Ⅱ内DO浓度(维持在1 mg/L左右)。
　　试验从夏天开始，通水挂膜约4周后对高锰酸盐指数的去除率为28%，对NH₄⁺-N的去除率为60%,可以认为生物膜已基本成熟，经数日运行后认为系统已进入稳定状态。不同水力负荷和不同气水比的试验结果见表1～3。
　　从3组试验结果可以看出，在滤池Ⅱ内(DO为0.6～1 m g/L)有较多氮的流失，而有机碳(COD)却没有明显变化，估计所发生氮的流失是自养菌引起的。在滤池Ⅲ内也有少量氮的流失，这是因为其底部进水端仍存在一定的缺氧区，也发生了自养反硝化，同时可以看到气水比越大，滤池Ⅲ内氮的流失越少，这可能是通气量大时减少了滤池Ⅲ内的缺氧区，因而好氧反硝化受到较多抑制的缘故。

表1　水力负荷为5m³/（m²·h)时的运行结果 项目 原水 滤池Ⅰ出水 滤池Ⅱ出水 滤池Ⅲ出水 高锰酸盐指数(mg/L) 6.6 5.3 5.3 4.6 UV₂₅₄(1/cm) 0.203 0.184 0.169 0.155 DO(mg/L) 3.4 1.0(1.3) 0.7 2.6 NH₄⁺-N(mg/L) 3.9 3.0 2.0 0.5 NO₂-N(mg/L) 0.2 0.2 0.2 0.1 NO₃-N(mg/L) 0.7 1.3 1.3 2.8 无机氮总和(mg/L) 4.8 4.5 3.5 3.4 注：(()内数据为滤池Ⅱ进水的实际DO值；滤池Ⅲ的气水比为1∶1。

表2　水力负荷为6m³/m²·h时的运行结果 项目 原水 滤池Ⅰ出水 滤池Ⅱ出水 滤池Ⅲ出水 滤池Ⅲ出水

滤池Ⅲ出水

高锰酸盐指数(mg/L) 6.9 6.1 6.1 5.3 5.2 5.2 UV₂₅₄(1/cm) 0.136 0.120 0.118 0.101 0.097 0.097 DO(mg/L) 3.4 1.0(1.3) 0.7 2.5 3.1 3.6 NH₄⁺-N(mg/L) 2.81 1.12 0.52 0.2 0.2 0.1 NO₂-N(mg/L) 0.53 1.24 1.21 0.15 0.1 0.05 NO₃-N(mg/L) 1.04 2.02 1.98 3 3.06 3.26 无机氮总和(mg/L) 4.38 4.38 3.71 3.35 3.36 3.41 注：()内数据为滤池Ⅱ进水的实际DO值；滤池Ⅲ的气水比从左到右依次为0.5∶1、1∶1和1.5∶1。

表3　水力负荷为8m³/(m²·h)时的运行结果 项　目 原水 滤池Ⅰ水 滤池Ⅱ出水 滤池Ⅲ出水 滤池Ⅲ出水

滤池Ⅲ出水

高锰酸盐指数(mg/L) 6.0 5.3 5.3 5.2 5.2 5.1 UV₂₅₄(1/cm) 0.116 0.101 0.101 0.099 0.097 0.096 DO(mg/L) 3.3 1.0(1.3) 0.6 3.6 4.0 4.4 NH₄⁺-N(mg/L) 2.32 1.38 1.14 0.2 0.1 0 NO₂-N(mg/L) 1.03 0.76 0.67 0.31 0.18 0.05 NO₃-N(mg/L) 1.49 2.17 2.04 3.04 3.3 3.7 无机氮总和(mg/L) 4.84 4.28 3.85 3.55 3.58 3.75 注：(()内数据为滤池Ⅱ进水的实际DO值；滤池Ⅲ的气水比从左到右依次为0.5∶1、1∶1和1.5∶1。

　　目前在好氧或氧供应受限制条件下发生自养反硝化有两种假设：?
　　①由于在絮体或生物膜的氧扩散受限而导致厌氧微环境的生成。絮体直径为0.15mm时足以发生反硝化，而在生物膜厚度达到0.1 mm时也能发生反硝化。亚硝酸盐在好氧生物膜内由Nitrisomonas(亚硝化菌)产生，然后扩散进入厌氧区，发生相似于ANAMMOX工艺(厌氧氨氧化)的亚硝酸盐还原和氨氮氧化的偶联反应^［4、5］：NH₄⁺+O₂→NO₂-NH₄⁺+NO₂^-→N₂。 ?
　　②亚硝酸盐不是由氨氮氧化直接生成，而是由NH₂OH产生^［6］，其模型示意如下 ：?

　　　　　　　

　　根据此模型，由Nitrisomonas?氧化生成的亚硝酸盐中的67%理论上能还原成N₂，这可 能是生物转盘中连续变化的氧化还原电位造成的。
　　从中试生物滤池的运行条件和结果来看，好氧反硝化的机理接近于第一种，因发现滤池Ⅱ内有NO₃-N浓度降低的现象，推测可能还存在如下反应：NO₃^-+NH₄⁺→NO₂^-。

2　间歇试验

　　进一步通过一组间歇试验来验证生物滤池内发生的好氧反硝化现象。先让装置停运20 h(滤料仍淹没在水中，可以认为各反应柱中的可生物降解有机物都已耗尽)，然后从滤池Ⅱ中部取一定量的陶粒置于BOD瓶中，放入一定体积的滤池Ⅱ的残液，向瓶中添加NH₄Cl,使NH₄⁺-N浓度约 为50 mg/L(实际测得NH₄⁺-N为46.6 mg/L，NO₂-N和NO₃-N都为0，高锰酸盐指数为5 mg/L)。反应1 h后测得NH₄⁺-N为42.8 mg/L，NO₂-N和NO₃-N都为0，高锰酸 盐指数为5 mg/L(反应期间的DO为0.6～1.2 mg/L)时可以看出同样也发生了好氧反硝化。Christine进行的间歇试验也证明了这一点(取硝化生物转盘上的一些生物膜放在某容器内，然后添加NH₄⁺-N使其在容器内的浓度为60 mg/L，而不添加任何有机碳源，整个反应过 程中维持DO在1 mg/L,此时能观察到氨氮的转化率远远高于亚硝酸盐和硝酸盐累积率之和，而脱氮率可达到40%～50%^［5］)。

3　结论和建议

　　对地表水处理中的好氧反硝化进行了研究，并在水力负荷较高的情况下取得了良好的效果(有20%～30%的氮被去除，事实上在水力负荷较低［3m^3/(m²·h)］时曾有44%的脱氮率)。由于处理过程中不需添加有机碳，因此具有处理成本低、出水水质安全的特点，应进一步 从理论上研究好氧反硝化的成因并提高其效率。

参考文献：

　　［1］Helmer C,et al?.Nitrogen loss in a nitrifying biofilm system［J］.Wat Sci Tec hnol，1999，39(7):13-21.
　　［2］Hippen A，et al?.Aerobic deammonification:a new experience in the treatment of wastewaters［J］.Wat Sci Technol，1996，35(10):111-120.
　　［3］ Siegrist H，et al?.Nitrogen loss in a nitrifying rotating contactor treating ammonium rich leachate without organic carbon［J］.Wat Sci Technol，1998，37(4- 5):589-591.
　　［4］ Bock E，et al?.Nitrogen loss caused by dentrifying nitrosomonas cells using a mmonium or hydrogen as electron donors and nitrite as acceptor［J］.Arch Microbi ol，1995，16(3):16-20.
　　［5］ Christine H，Sabine Kunst. Simultaneous nitrification/denitrification in an aerobic biofilm system［J］.Wat Sci Technol，1998，37(4-5):183-187.
　　［6］Straous M，et al.Ammnonium removal from concentrated　waste streams?with?the?anaerobic?ammonium?oxidation process in di fferent con figurations［J］.Wat Res，1997，31(10):1955-1962.
　　［7］王建龙.生物脱氮新工艺及其技术原理［J］.中国给水排水，2000，16(2):2 5-28.

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　　作者简介：谢曙光(1975-),男,江苏常州人,清华大学博士研究生,主要从事水污染控制技术研究。
　　电　　话：(010)62782196(O)　62774056(H)?
　　E-mail:[email protected]
　　收稿日期：2001-09-29