新型固定床生物膜反应器硝化性能的研究

Nitrif ication capabil ity of a f ixed biomembrane reactor
Wang J in1 ,2 　Ma Wenling1 ,2 　Qi Rong1 　Yang Min1
(11State Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry ,Research
Center for Eco - Environmental Sciences ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100085
21Department of Environmental Science , Shanxi University ,Taiyuan 030006)

Abstract:A fixed bed nit rification reactor was const ructed by filling a waved nonwoven sheet in a plastic column ,and the performance of the reactor was evaluated on synthetic wastewater. A ammonia removal over 98 % was obtained at a load of 1. 7kg/ (m³·d) . A DO of 6mg/ L could prevent nit rite accumulation under the load. The reactor recovered it s ammonia removal capacity in a week after it was stopped for two and half months.
Key words:non-wovens ; biofilm reactor ; nitrification ; biocarrier ; nit rite accumulation
1 　前言
　　水体氮污染以及由此造成的水体富营养化问题已成为世界上许多国家、地区共同关心的环境问题。有关工业废水和城市污水的脱氮研究一直是国内外环境研究中的一个热点。高浓度氨氮废水的处理主要有化学法(吹脱法、折点氯化法、离子交换法等) 和生物法两种。化学法容易造成二次污染,因此,普遍认为生物脱氮法最为经济有效^[1] 。
　　有机氮化合物的生物脱氮过程包括氨化、硝化和反硝化三个阶段,其中氨化作用和反硝化作用的反应速率比硝化作用要高得多,这使得硝化作用成为整个反应过程的制约阶段。由于硝化菌生长速度缓慢,当采用一般的悬浮生长系统进行硝化处理时,一旦发生污泥流失现象,系统的处理能力难于在短时间内得到恢复,因此,现在人们倾向于采用
生物膜反应器作为硝化处理装置。
　　有些学者利用悬浮载体生物膜反应器去除市政垃圾填埋渗滤液中的氨氮,可以获得最大的氨氮氧化速率为0. 6kg/ (m3·d) ^[2] 。本文以经过波浪型定形处理的无纺布作为填料,设计出一种新型的固定床式生物膜反应器,并利用人工合成的高氨氮废水对这种反应器的硝化性能进行研究。
　　无纺布是一种比表面积大、微生物易于附着的材料,其上可以生长高浓度的微生物,本实验的目的在于通过载体上的高生物量得到一种高负荷的硝化反应器。
2 　实验装置与试验方法
2.1 　试验用水及接种污泥
　　试验用水采用人工配水,由NH₄Cl 、K₂HPO₄ 、NaHCO₃ 和微量元素组成,碱度按大约7. 1g CaCO₃/1g(NH₄-N) 的比例投加。接种污泥取自北京市高碑店污水处理厂,污泥接种量为600mg/ L 。
2.2 　试验装置与流程
　　硝化柱是半径0. 045m、高度1. 2m 的有机玻璃柱,填充容积为7. 6L ;采用微孔曝气器,曝气量由气体流量计控制;进水采用升流式,用计量泵控制流量;填料为经过定形处理的无纺布填料。硝化处理工艺流程如图1 所示,整个系统放置在温控室中,可根据需要调节至一定温度。

2.3 　试验方法
⑴试验方法
　　实验用无纺布由日本Organo公司提供,预先经过波纹状定形处理。面积为0.5m²的无纺布被卷成筒状后装进反应器中,充填率为90%。反应器经过20d的挂膜生长后,进入负荷提高阶段。在每一个负荷下实现稳定运行5—6d后,以30%的速度增加进水氨氮浓度。每天取样测定氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮,记录温度、溶解氧和进出水的pH值。三个月后,每隔2—3d对生物膜进行反冲洗,以保持微生物活性。
　　试验结束后测量反应器生物量。剪一定面积的无纺布,烘干、称量,然后将污泥洗涤下来,再次烘干、称量,二者之差再乘以总面积就是反应器的生物量。
⑵测试方法^[3]
　　氨氮:纳氏试剂比色法;
　　亚硝酸盐氮、硝酸盐氮:离子色谱法;
　　pH:便携式pH 计;
　　DO :便携式DO 计。
3 　结果与讨论
3.1 　硝化柱运行情况
　　硝化柱运行情况随时间的变化如图2所示。

　　系统启动运行后,首先在较低负荷下运行,当在该负荷下达到稳定后,升高负荷。硝化柱运行半年,进水氨氮从40mg/L 一直升高到700mg/L ,氨氮的容积负荷最高达到2. 2kg/ (m³·d) 。
　　系统运行初期,进水氨氮浓度从40mg/ L左右逐渐升至200mg/ L ,容积负荷也从0. 12kg/ (m³·d)提高到0. 63kg/ (m³·d) 。稳定时的出水氨氮均在1mg/L 以下,仅在增大氨氮浓度时有2—3d的适应期。氨氮硝化产物基本为硝酸盐氮,无亚硝酸盐氮的积累。这说明在低氨氮负荷条件下,无纺布硝化柱有很好的氨氮去除效果。
　　将进水氨氮浓度提高到300mg/ L 时,硝化柱出水中开始有亚硝酸盐氮积累。但直至进水氨氮浓度达到600mg/L , 氨氮去除率仍保持在接近100%。进水氨氮浓度达到700 mg/L (容积负荷为2.2kg/(m³·d)) 时,出水虽无亚硝酸盐氮,去除率已下降至50% —70% ,实际去除量为1.1 —1.5kg/(m³·d) 。再增大曝气量也无济于事,下面将对实验结果进行进一步的讨论。
3.2 　亚硝酸盐氮的积累及其影响因素
　　生物硝化过程是在硝化菌的新陈代谢过程中,将氨转化成亚硝酸根,最后再将亚硝酸根转化成硝酸根的过程。在一些情况下,亚硝酸根会产生积累。导致亚硝酸根离子累积的原因有温度、pH 值、溶解氧浓度、游离氨浓度、硝化菌抑制物以及泥龄等^[4] 。
⑴溶解氧
　　由于亚硝化菌对有限溶解氧的竞争能力要强于硝化菌,所以低溶解氧容易抑制硝化菌的生长,引起亚硝酸盐氮的积累[5] 。据报导,水中的DO>2mg/L 时,硝化菌的增长与溶解氧浓度无关^[6] 。但由于生物膜形成了氧的浓度梯度,水体中所测定的溶解氧浓度不能代表生物膜内部溶解氧浓度。从图3 可以看出,进水氨氮浓度在300mg/ L时,DO从4mg/L 升到6mg/L 后,出水已无亚硝酸盐氮了。这说明在一定限度内,加大曝气量既可以对生物膜进行冲刷,将一部分死亡的微生物细胞脱落下去,从而使生物膜保持更高的活性;又能增加氧的浓度梯度,使氧气扩散至污泥层内部,从而加快硝化反应速率。当进水浓度增加至400mg/L 时,亚硝酸盐氮再次出现。可能是随着负荷的升高,系统又出现了供氧不足的问题。

⑵温度
　　从图3 可以看出,系统运行初期,反应器内温度在25℃左右,出水基本无亚硝酸盐氮。当温度降至20℃以下时,开始出现亚硝酸盐的积累。再次升高温度,亚硝酸盐氮的积累得到了缓解。温度对硝化反应的影响主要有两方面:首先,不同温度下硝化菌和亚硝化菌的增长速率是不同的,但都是随温度的升高速率增大。另外,温度的影响还体现在氧气的转移速率方面。随着水温的上升,水的粘滞性降低,氧的扩散系数提高^[7] 。最后表现为:温度升高有利于减轻亚硝酸盐氮的积累。
⑶氨氮浓度
　　当进水浓度达到700mg/L 时,氨氮去除率已明显下降,加大曝气量也无好转。可能是受传质速率的影响,反应器内溶解氧浓度已无法增加。我们也曾将磷和微量元素的配量加大,但也无明显效果,说明不是营养元素缺乏造成氨氮去除率下降的。
3.3 　二次启动阶段
　　停止进水两个半月后,再次启动硝化柱,水力停留时间从以前的7.6h 改为4.5h。在溶解氧浓度为5.5—6mg/L左右,水温为20℃,入水氨氮浓度为300mg/L的条件下,氨氮去除率在95%以上。由此可见,生物膜反应器在中断进水一段时间后,系统功能不会有致命影响,通水一周后能够较快地得到恢复。
　　但当进水氨氮浓度升至350mg/L后,去除率已降为70%—80%, 氨氮去除量仍保持在1.6kgNH₃-N/ (m³·d)左右,说明反应器对氨氮的去除在现有条件下已达极限。

表1 　连续现场试验结果

试验日期 COD SS 油 pH 前 后 前 后 前 后 前 后 2000.8.10 528 80 230 8.2 101 6.9 6.8 7.2 2000.8.15 458 81 212 7.6 98 6.8 7.1 7.3 2000.8.20 326 67 189 6.6 102 7.3 6.9 7.5 2000.8.25 493 87 167 7.6 69 7.1 7.0 7.8 2000.8.30 389 92 201 7.9 81.5 8.9 7.2 7.9 2000.9.05 411 105 156 8.6 120 10 6.9 7.8

6 　结论
(1)中小型酒店废水可利用混凝- 过滤法处理,处理后的水质达到广州市排放标准。
(2)本工艺方法较简单,再加之混凝沉降设备的特点,充分利用了空间,占地少。
(3)将石灰水和硫酸亚铁分别用作破乳剂和混凝剂,价廉易得,运行费用约为0.6元/t。
(4)本工艺与现有的生化法相比,无噪音污染,占地面积小。
(5)本工艺很适合市区本行业废水处理,有一定的实用性。
参考文献
[1] 周国光等.缺氧-好氧生物法处理酒店废水.净水技术,1995,(1):17—23
[2] 罗国维,林世光. CN ZL 87 1 0225715 ,1987
[3] 美国自来水协会等. 水和废水标准检验方法. 中国建筑工业出版社,1985
[4]《环境污染分析方法》编辑组.环境污染分析方法.科学出版社,1980