低DO紊动床内有机物对硝化过程的影响

张小玲,彭党聪,王志盈,袁林江
(西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西西安　710055)

　　摘　要： 利用生物紊动床在低溶解氧(DO)和有机物存在的条件下研究了氨氮的亚硝化、硝化和有 机物氧化的规律,分析了异养菌与自养菌竞争的特点。试验结果表明，DO为2～3mg/L、有机物浓度(TOC)为200mg/L、C/N=1∶1.5时对硝化作用影响不大；DO为0.5～1mg/L、TOC≥100mg/L、C/N=1∶3时硝化系统即受到破坏。
　　关键词：生物紊动床;有机物；硝化;DO
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2002)05-0010-04

Influence of Organic Matters on Nitrification at Low DO in Biological Turb ulent Bed Reactor

ZHANG Xiao?ling,PENG Dang?cong,WANG Zhi?ying,YUAN Lin?jiang?
(School of Environmental and Municipal Engineering,Xi‘an University of Arc hitectural? Science and Technology,Xi‘an 710055,China)

　　Abstract：Study was made on nitrification and organic matter oxidation under t he condition of low?DO and existence of organics in biological turbulent bed reactor,and analysis was conducted on the competition between heterotrophic and autotrophic bacteria.The test results show that under the conditions of DO = 2～3 mg/L,TOC=200 mg/L,and C/N=1∶1.5,there is less impact on nitrificatio n;However,nitrification system is destroyed with?DO=0.5～1mg/L,TOC≥100 mg/L and C/N=1∶3.
　　Keywords:biological turbulent bed reactor;organic matters;nitrification;DO

　　DO和有机物是影响生物硝化的两个重要因素。由于亚硝酸菌的氧饱和常数(0.2～0.4mg /L)小于硝酸菌的氧饱和常数(1.2～1.5 mg/L)，因此当稳定硝化系统中DO降低时可能引发这两类细菌对氧的竞争，导致其增殖不平衡，从而发生硝化过程的动力学选择。有机物是 生物脱氮系统中氮还原必需的电子供体，同时又是氮氧化(硝化)时电子受体的争夺者，有机物的存在可能降低硝化速率，从而影响整个系统的脱氮能力，因此研究DO和有机物浓 度对硝化过程的单独影响和综合影响，对开发高氨、低碳源废水的低耗、高效处理工艺和生物脱氮系统的运营管理有着重要意义。焦化、石化、化肥、垃圾渗滤液及煤气废水等都属于 高氨、低碳废水，采用A/O工艺处理此类废水时，缺氧池中NO₂-N浓度增加，表明缺氧池中碳源不足，反硝化也不完全，部分NO₃-N仅转化为NO₂-N而没有成为N₂，而这部分NO₂-N在好氧池中又被氧化成NO₃-N，如此循环增加了碳源和氧的消耗量，而对总氮的去除率 并未提高。若按亚硝化—反硝化运行则有望解决此类问题。?

1 试验方法

1.1　 试验装置及材料
　　 试验装置见图1。

　　 所用的生物紊动床是20世纪90年代初发展起来的一种膜法处理新技术，它采用轻质载体，以气体作为提升动力。紊动床主体采用有机玻璃管，内径为12cm，高为44.6cm，有效容积为3L，分为反应区和沉淀区两部分。反应区径高比为120∶266，加之气泡的搅动，各相物质横向掺混，流态试验证明紊动床近似为完全混合流(串联级数较小、离散数较大)。该装置结构简单，运行管理方便，占地面积小。载体(shell)是一种中空壳状球形的无机颗粒，比表面积为4500m²/m³，真密度为0.69kg/L，表观密度为0.41kg/L，其填充比为0.25～0.3，试验得到的最大工作氮负荷为1.512kg/(m³·d)。?
1.2 水质
　　 人工模拟焦化废水的组成为：CH₃COONa、NH₄Cl、K₂HPO₄、NaHCO₃和微量元素，其中N∶P控制在(10～20)∶1，投加的NaHCO₃一方面作为碳源，另一方面起到调节反应器pH值的作用。
1.3　 分析方法
　　 氨氮：纳氏试剂比色法；NO₂-N：N-1-萘基乙二胺比色法；NO₃-N：紫外分光光度法；TOC：5000A型TOC仪；DO：Metller-Toledo4100型在线DO监控仪；MLVSS：重量法；微生物计数：MPN法。

2 　结果与分析

2.1 ?DO对硝化过程的影响
2.1.1　DO=2～3 mg/L的硝化
　　 控制紊动床内DO为2～3mg/L，温度为25℃，pH为7.0～7.5，HRT为5h，入流中无有机物时，运行初期(第1天到第9天)出水中含有大量NO₂-(60mg/L，以N计)，其原因是 硝酸菌还未适应新环境，且硝酸菌生长速率较慢，在数量上还不能与亚硝酸菌相协调，因此 未能及时把NO_2-转化为NO₃^-。随着运行时间的延长，出水中NO₃^--N浓度不断上升，NO₂^-N浓度不断下降。到第15天时，当进水氨氮浓度为180mg/L时出水NO₃^--N 浓度已高达155mg/L，氨氮浓度＜5mg/L，其后基本维持不变，说明DO充足，生物膜上硝酸菌和亚硝酸菌的数量和硝化能力会自动达到平衡，从而实现从氨到NO₃^-的稳定转化。
2.1.2 　DO=0.5～1 mg/L的硝化
　　在全程硝化过程稳定后[此时反应器氮负荷为1.4kg/(m³·d)，出水氨氮＜5mg/L]，控制紊动床内的DO为0.5～1mg/L，出水NO₂^-逐渐升高，形成NO₂^-积累(见图2)。

　　 从图2看出，该亚硝化过程的建立经历了选择期(第1天到第16天)和稳定期(第17天到第31天)，选择期的特征是:氨氮去除率＞80%，NO₂^-的积累率波动不稳定，但总的趋势是逐渐升高，说明低DO下由于亚硝酸菌对氧的亲合力大于硝酸菌，在有限基质(O₂)下硝酸菌处于竞争的劣势，所以出现NO₃^-积累，但此时在生物膜表面上硝酸菌仍占一定的比例，对基质仍有一定的竞争力，在环境条件瞬时改变时(比如DO增大)，NO₂^-积累率就会下降；稳定期的特征是:氨氮去除率恢复到90%以上，NO₂^-积累率稳定在80%以上，说明此 时生物膜表面绝大部分被亚硝酸菌所覆盖，供给的DO绝大部分被亚硝酸菌所利用，而硝酸菌由于处于生物膜的内部，得不到充足的氧，因而利用NO₂^-的速率大大降低，从而获得持久稳定的NO₂^-积累。
2.2　 有机物对硝化过程的影响
2.2.1 DO=2～3 mg/L时有机物对硝化的影响
　　在DO充分且无有机物的条件下，系统达到完全硝化的状态(出水中NO₃-N/(NO₂-N+NO₃-N)≥80%，氨氮≤5mg/L)后，向进水中加入50mg/L有机物(TOC)时，对有机物和氨氮的去除情况见图3。

　　 由图3可见，对有机物的去除率稳步上升，对氨氮去除率略有下降(降至70%左右，说明系统中异养菌逐渐开始繁殖。当TOC由50 mg/L依次增至200mg/L时，要维持氨氮去除率＞70%就必须提高DO以减弱有机物的加入对氨氧化的影响，这也说明只要DO充足异养菌 的氧化作用和自养菌的硝化作用会同时得到有效的发挥。
2.2.2 DO=0.5～1 mg/L时有机物对硝化的影响
　　 当进水氨氮浓度为300mg/L、逐步实现稳定的亚硝化后，向进水中加入有机物，观察对有机物、氨氮的去除率和硝态氮浓度随时间的变化(见图4)。

　　 当TOC＜50 mg/L时，有机物对硝化系统影响不大，氨氮去除率＞70%；当TOC达到100mg/L左右时，氨氮去除率持续下降至20%，出水硝态氮也锐减。到第20天NO₂-N浓度降 至14mg/L，NO₃-N浓度降至0.1mg/L，说明此时系统的硝化能力受到严重的破坏。
　　上述现象表明，在DO=0.5～1mg/L条件下，当进水TOC＜50mg/L时，虽然异养菌与自养菌存在竞争，但有机物的氧化和亚硝化可同时进行，因此出水氨氮浓度较低，硝化菌数量变化不大。而TOC在100mg/L左右时充分的基质使异养菌的生长繁殖速度加快，异养菌首先利用了水中有限的氧，同时由于生物膜增厚也阻碍了氧在生物膜中的传递，而硝化菌是一种严格的好氧菌，氧不足导致其活性下降而数量减少，出水氨氮浓度剧增，硝态氮浓度锐减，以至硝化过程完全终止。?
2.3 污泥特征及生物相变化
　　 不同条件下生物膜内生物种群及数量的变化见表1。

表1生物膜内生物种群及数量的变化 运行状态 DO充分，入流无有机物 DO充分，入流加有机物 低DO，入流无有机物 低DO，入流加有机物 细菌计数(个/mL) 亚硝酸菌 1×10¹⁰ 7.5×10⁹ 5×10¹⁰ 2.4×10⁸ 硝酸菌 3×10⁹ 5.3×10⁸ 1.8×10⁹ 8×10⁵ 异养菌 　 4.8×10¹⁰ 　 2.7×10⁹ 生物膜性状 生物膜呈棕黄色透明状，有大量原生动物(钟虫、累枝虫等)。 液相出现污泥絮体，原生动物个体大、活跃、数量多。 原生动物数量明显减少。孢囊大量出现，可观察到许多钟虫或累枝虫的断柄或空柄。 液相出现少量污泥絮体，原生动物个体小，不活跃，数量明显减少。 生物膜量(g/L) 2.7 4.0 2.5 3.5

　　 ①当DO充分且无有机物时，亚硝酸菌的数量为1×10¹⁰个/mL，硝酸菌的数量 为3×10⁹个/mL；加入有机物后，异养菌数量增至4.8×10¹⁰个/mL，亚硝酸菌的 数量减少为7.5×10⁹个/mL(比无有机物时减少了1/4)，硝酸菌的数量减少为5.3×10⁸个/mL(比无有机物时减少了4/5)，说明异养菌的增殖会抑制自养菌的活性，使其数量减少，但自养菌的数量还足以维持正常的硝化。?
　　②当低DO且无有机物时，亚硝酸菌的数量为5×10¹⁰个/mL，硝酸菌的数量为1.8×10⁹个/mL；加入有机物后，异养菌数量增加到2.7×10⁹个/mL，亚硝酸菌的数量 骤减为2.4×10⁸个/mL(仅为无有机物时的0.5%)，硝酸菌的数量也仅为8×10⁵个/mL( 为无有机物时的0.1%)，以上数据说明，低DO下生物硝化更易受有机物的影响。?
　　③当DO充分且无有机物时，亚硝酸菌的数量为1×10¹⁰个/mL，硝酸菌的数量为3×10⁹个/mL。当DO降至0.5～1mg/L时，亚硝酸菌的数量增至5×10¹⁰个/ mL(为DO充分时的5倍)；硝酸菌的数量减少为1.8×10⁹个/mL(约为DO充分时的1/2)，表明低DO状态下，亚硝酸菌能够继续繁殖和增长，而硝酸菌则由于对DO的竞争力远小于亚硝酸菌，其正常的代谢过程受到严重抑制。?
　　生物膜上微生物种群及数量的变化与出水氮的形态变化相吻合。

3 　结论

　　 ①DO对硝化的影响：进水氨氮为300mg/L、DO降至0.5～1.0mg/L时，硝酸菌受到抑制，而亚硝酸菌基本不受影响，因而会引起NO₂-的积累，从而实现稳定的亚硝化。
　　②有机物对硝化的影响：TOC为200 mg/L(C/N=1∶1.5)时，只要保证硝化菌有良好的生长环境(温度适宜，pH值适合，DO充足)，并有充足的氨供给，硝化作用即不受影响。
　　③DO和有机物对硝化的综合影响：低DO和高有机物浓度将会相互加强对硝化作用的影响。由于好氧异养微生物的比增殖速率(30℃时为0.3～0.5h^-1)远大于自养硝化微生物的比增殖速率(30℃时为0.085h^-1)，因而异养菌对水中DO的争夺强于硝化菌，故在DO不足时硝化菌的生长繁殖受到抑制。细菌计数的结果是亚硝酸菌和硝 酸菌的数量分别减少了约99.5%和99.9%，硝化系统的硝化能力受到严重破坏，因此在实现高氨、低碳源废水亚硝化—反硝化工艺的开发研究中深入开展异养菌和硝化自养菌生长竞争关系的研究，具有重要意义。

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　　作者简介：张小玲(1976-)，女，安徽毫州人， 西安建筑科技大学博士，研究方向为污水处理及回用。
　　电　　话：13087516949?
　　E-mail:[email protected]
　　收稿日期：2001-10-04