生物轉盤同步去除化學需氧量和氮的實驗研究

李 芳，崔紅梅 ，呂炳南

（1東北石油大學土木建筑工程學院給水排水工程專業，黑龍江 大慶163318；2黑龍江省防災減災及防護工程重點實驗室，黑龍江 大慶163318；3哈爾濱工業大學市政環境工程學院市政工程系，黑龍江 哈爾濱150090）

研究開發

生物轉盤同步去除化學需氧量和氮的實驗研究

李 芳1，2，崔紅梅1，2，呂炳南3

（1東北石油大學土木建筑工程學院給水排水工程專業，黑龍江 大慶163318；2黑龍江省防災減災及防護工程重點實驗室，黑龍江 大慶163318；3哈爾濱工業大學市政環境工程學院市政工程系，黑龍江 哈爾濱150090）

采用單軸三級生物轉盤（RBC），進行了生物轉盤同步去除化學需氧量和氮的試驗研究。水溫度15 ℃，進水COD濃度為400mg/L左右時，轉盤對化學需氧量的去除率達到85%左右。控制適宜的堿度，轉盤系統氨氮的硝化率在75%左右、總氮（TN）的去除率在50%左右。增設硝化液回流系統后，總氮的去除率顯著提高，特別是回流比為200%時，TN去除率在低溫下可達73.87%。實驗表明生物轉盤對化學需氧量和氮有較好的同步去除效果。

生物轉盤；總氮的去除率；化學需氧量的去除率；回流比

生物轉盤法是一種膜生物處理技術，起步于20世紀50～60年代[1]。因其具有凈化效率高、耗能低、進水負荷高和易管理等優點[2]，在生活污水[3]和有機廢水[4]、含酚廢水[5]、石化廢水[6-7]等工業廢水處理領域得到了廣泛的應用。它除被用于去除水中的含碳化合物外，也可以用于脫氮。美國和日本等國，近年來對生物轉盤的運用已擴大到污水的脫氮工藝中。Gupta等[8-9]采用多級生物轉盤系統對合成廢水及城市污水中的碳、氮同步去除進行了研究，取得了較好的效果。但是國內在這方面尚未展開較系統的應用研究。本文應用三級生物轉盤，對污水的同步去除碳和氮進行系統研究，為生物轉盤在污水同步去除碳和氮的工程應用提供有價值的參考。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

本實驗采用單軸三級生物轉盤裝置，轉盤的盤片為孔隙率96%的特殊網狀載體，有利于微生物的附著生長。主要技術參數見表1。

裝置見圖1。水箱內的水經蠕動泵打入第一級氧化槽的首端，依次流經二、三級生物轉盤，最后進入二沉池，進行泥水分離。

表1 生物轉盤的主要技術參數

圖1 生物轉盤實際裝置圖（啟動階段）

1.2 實驗用水水質

實驗用水水質見表2。

表2 實驗用水水質

1.3 水質分析方法及主要試劑

實驗中水質分析方法及主要試劑見表3。

1.4 實驗啟動

啟動開始，每天向反應器內投加一定量的污泥（取自大慶市東城區污水處理廠）。進水COD為400 mg/L左右，水力停留時間24 h，進行生物膜的培養。7天后COD的去除率可達到46%左右，15天達到66%左右。17天后，水力停留時間改為10 h，進水有機物濃度不變，26～36天，COD的去除率保持在75%～85%，生物轉盤啟動成功。

表3 水質分析方法及主要試劑及儀器

2 實驗結果和討論

2.1 COD的處理效果

水力停留時間調整為 8 h，轉盤轉速 5～15 r/min，水溫15 ℃左右。此時轉盤各級均好氧運行。各級溶解氧見表4。

表4 生物轉盤各級溶解氧濃度

生物轉盤對COD有較好的去除效果。見圖2。

在進水COD濃度為400 mg/L左右時，COD去除率均值85%，起主要有機物降解作用的是第一級轉盤。該轉盤盤片采用新型網狀材料，盤片與傳統盤片相比具有較大的比表面積和孔隙率，有利于微生物的附著、生長與繁殖，單位面積的網狀盤片上的生物量是普通盤片的2～3倍。雖然水溫較低但生物量大，COD的去除效果較好。

2.2 氨氮的處理效果

由圖3可見，此時氨氮的硝化率一般在60%左右。硝化細菌的生長除了對營養物質的需求外，還需要一定的外界環境條件。主要原因有兩個：首先運行溫度偏低。溫度是影響細菌生活的重要環境條件之一。硝化細菌屬于中溫菌，最適生長溫度為25～30 ℃[10]。而運行中的溫度只有15 ℃。這大大影響了細菌的生長繁殖速率，進而影響了氨氮的硝化率。其次堿度過低。采集水樣測定堿度，1、2、3級轉盤內的堿度分別為 92 mg/L、20.1 mg/L、3.1 mg/L（以CaCO3計）。

配水時加入NaHCO3為25 g/300L調節堿度。氨氮的去除效果見圖4。

加入碳酸氫鈉調節堿度后，1、2、3級的堿度分別為104.6 mg/L、50.5 mg/L、22 mg/L。如圖4所示調節堿度后，氨氮的去除率有所上升，即硝化率提高了，由原來的60%左右升高到75%左右。

2.3 硝酸鹽氮的變化

由圖5可見未外加堿度時生物轉盤1、2、3級硝酸鹽氮的濃度分別在4 mg/L、5 mg/L、9 mg/L左右，硝化率較低。由圖6可見調節堿度后第三級出水硝酸鹽氮含量大幅度提高，出水值在20 mg/L左右。硝化反應過程生成一定量的酸，會使系統的堿度不斷下降，抑制了硝化反應的進行，加入堿后，中和一部分生成的酸，提高了系統的硝化率。所以氨氮的去除率上升，硝酸鹽氮的含量增加。

2.4 亞硝酸鹽氮的變化

在生物轉盤的整個運行過程中亞硝酸鹽氮的含量一直很低，圖7所示。通常各級亞硝酸鹽氮的濃度均在0.5 mg/L以下。原因是溫度過低，高溫更有利于亞硝化細菌的生長繁殖[10]。調解堿度后亞硝酸鹽氮的濃度亦無較大變化。可能是由于生物轉盤具有同步硝化反硝化的功能，一部分生成的亞硝酸鹽被還原成氮氣，所以堿度調節前后亞硝酸鹽氮的變化不大。

2.5 總氮的處理效果

由圖8可見：溫度15 ℃左右時，系統對總氮的去除率在50%左右。去除的氮量超過了生物自身生長繁殖所需要的氮量，證明了生物轉盤有一定的除氮功能。起主要脫氮作用的是第一級轉盤，原因是第一級轉盤內由于進水有機物含量較高，微生物生長繁殖較快，轉盤的生物膜厚度大，膜內的厭氧、缺氧環境范圍大，為反硝化菌的生長繁殖提供了一定的空間，反硝化脫氮的效果較好。另外由圖6可知第一級轉盤出水硝酸鹽氮的含量低于原水硝酸鹽氮的含量，減少的部分被反硝化菌還原為氮氣，而二、三級轉盤的硝酸鹽氮含量是逐漸增加的，也說明了第一級轉盤起主要脫氮作用。但是出水總氮濃度仍然較高，在20～25 mg/L左右。

2.6 增設回流系統的實驗結果和討論

由于轉盤出水硝酸鹽氮含量較高，說明反硝化效果不好。增加了硝化液回流系統，出水由二沉池上部回流至進水口，同時調節轉速至5 r/m in，以減小氧化槽內的溶解氧濃度，更有利于反硝化反應的進行。不同的回流比時，生物轉盤約運行21天。

表5 不同回流比時總氮的去除效果

由表5可知，增加回流后，總氮的去除率提高。在回流比為100%、200%、300%時，總氮的去除率分別為58.53%、73.87%、66.30%。

RBC的轉速降低，各級溶解氧的濃度隨之下降，生物膜內部缺氧環境范圍擴大。硝化液回流至反應器前端，為系統的反硝化反應又提供了足夠的反應底物，有利于各級內反硝化菌的生長、繁殖。所以增加了硝化液循環系統后，總氮的去除率顯著提高。

隨著回流比的增加，TN和COD的去除率均有增加。在回流比為200%，TN去除效果好于100%和300%。這是因為回流比小時DO濃度過低，生物絮凝體內微環境傾向于向缺氧或厭氧狀態發展，提高了系統的反硝化能力，但會對一部分硝化菌產生抑制作用，影響了硝化反應。硝化率下降，反硝化反應沒有足夠的底物，導致整體的脫氮率不高。所以回流比為100%，總氮的去除率僅為58.53%。回流比繼續增加，使氧化槽內的溶解氧值隨之增大。回流比為200%，總氮的去除率為73.87%。回流比繼續增加到300%，DO濃度也繼續增加，氧的穿透能力增強，使得生物膜內部缺氧和厭氧區域范圍縮小，有利于提高NH+4-N的去除率，但卻大大降低了系統的反硝化能力，進而降低了對 TN的去除率[11]。所以回流比為 300%時，去除率降低到66.30%。

3 結 論

（1）轉盤系統由于生物量較大除碳效果較好，水力停留時間8 h，溫度15 ℃，在進水COD濃度為400 mg/L左右時，COD去除率均值85%。

（2）氨氮的硝化率一般在60%～70%之間，系統運行時應注意添加堿防止硝化率的下降。

（3）總氮的去除率在 50%左右。增設硝化液回流系統后，總氮的去除率顯著提高，特別是回流比為200%時，TN去除率可達73.87%.

（4）裝置在15 ℃對C和N仍有較好的同步去除效果，所以生物轉盤在氣溫較低地區有一定的應用前景。

[1] Rittman B E，Mclarty PL. Environmental biotechnology：Principles，and applications[M].北京：清華大學出版社，2002：456-541.

[2] 張自杰. 排水工程[M]. 第4版. 北京：中國建筑工業出版社，2000，222-226.

[3] 李彬，呂錫武，寧平，等.自回流生物轉盤/植物濾床工藝處理農村生活污水[J].中國給水排水，2007，23（17）：15-18.

[4] 熊歡偉，郭勇，李禮，等. 新型顆粒生物膜生物轉盤處理有機廢水的研究[J].中國給水排水，2009，25（1）：75-81.

[5] Waminathan S G，Ramanujam T K. Effect of substrate concentration on biodegradation of 2，4-dichlorophenol using modified rotating biological contactors[J].Bioprocess Engineering，1999（21）：169-173.

[6] Ahn K-H，Chang J-S. Performance evaluation of compact RBC-selting tank system [J].Wat.Sci.Tech.，1991，23：1467-1476。

[7] 孫衛紅，操家順. A/O 生物轉盤工藝處理氨氮廢水[J].上海環境科學，2001，20（8）：390-392.

[8] Tait S J，Friedman A A. Anaerobic rotating biological contactor for carbonaceous wastewater[J].JWPCF，1980，52：2257-2269.

[9] Gupta A B，Gupta S K. Simultaneous carbon and nitrogen Removal in a m ixed culture aerobic RBC biofilm[J].Wat. Res.，1999，32（2）：555-561.

[10] 任南琪，馬放，楊基先. 污染控制微生物學[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2007：359-364.

[11] 齊唯，李春杰，何義亮.浸沒式膜生物反應器的同步硝化反硝化效應[J].中國給水排水，2003，19（7）：8-11.

COD and nitrogen removal w ith rotating biological contactor

LI Fang1,2，CUI Hongmei1,2，Lü Bingnan3
（1Department of Water Draining and Supply，School of Civil Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，Heilongjiang，China；2Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention，M itigation and Protection Engineering，Daqing 163318，Heilongjiang，China；3School of Municipal & Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，Heilongjiang，China）

A 3-stage rotating biological contactor was used to study simultaneous removal of COD and nitrogen. When temperature was 15 ℃ and influent COD concentration was about 400mg/L，removal rate of COD was about 85% . Through controlling proper alkalinity nitrification rate of ammonia was about 75% and removal rate of TN was about 50%. After addition of a nitrification liquid circulation system，removal rate of TN，at reflux ratio of 200% increased to 73.87 %. Experimental results showed good effect of rotating biological contactor on removing COD and nitrogen.

rotating biological contactor；removal rate of total nitrogen；removal rate of COD；reflux ratio

X 703

A

1000–6613（2012）–07–1615–05

2012-02-10；修改稿日期：2012-02-24。

及聯系人：李芳（1979－），女，碩士，講師，主要研究方向為污水及含油污泥處理。E –mail lif1216@163.com。