改良A/O生物膜載體強(qiáng)化氨氮降解效果分析

張偉龍

（廣州市污水治理有限責(zé)任公司龍歸分公司，廣東廣州 510445）

1 概述

1.1 生物脫氮的機(jī)理和機(jī)理分析

活性污泥中有的異養(yǎng)菌，在無(wú)溶解氧的條件下，能利用硝酸鹽中的氧（結(jié)全氧）來(lái)氧化分解有機(jī)物，這種細(xì)菌從氧的利用形式分，屬于兼性厭氧菌。兼性厭氧菌利用有機(jī)物將亞硝酸鹽或硝酸鹽還原為氮?dú)獾姆磻?yīng)稱為反硝化生物脫氮（簡(jiǎn)稱脫氮），參與脫氮反應(yīng)的兼性厭氧菌稱為脫氮菌。

脫氮反應(yīng)是在無(wú)溶解氧的條件下，脫氮菌進(jìn)行呼吸的反應(yīng)，其反應(yīng)式如下：

式中（H2）——?dú)涔w。氫供體由污水中的有機(jī)物、投加甲醇等有機(jī)物或細(xì)菌內(nèi)貯存物質(zhì)分解產(chǎn)物來(lái)提供。為使脫氮反應(yīng)能順利進(jìn)行，要求活性污泥混合液中不存在溶解氧，但應(yīng)有足夠的有機(jī)物。

從以上公式可知，脫氮反應(yīng)中，還原每千克硝酸鹽生成3.75 g堿度，需要2.86 g BOD（C-BOD）。

1.2 污水生物處理工藝概況

1.2.1 活性污泥工藝

活性污泥是微生物群體及它們所依附的有機(jī)物質(zhì)和無(wú)機(jī)物質(zhì)的總稱。微生物群體主要包括細(xì)菌、原生動(dòng)物和藻類等。其中，細(xì)菌和原生動(dòng)物是主要的二大類。活性污泥主要用來(lái)處理污廢水。是一種好氧生物處理方法。活性污泥基本概念是由1912年英國(guó)人Clark and Cage發(fā)現(xiàn)對(duì)廢水進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間曝氣會(huì)產(chǎn)生污泥并使水質(zhì)明顯改善，其后Arden and Lackett進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)由于試驗(yàn)容器洗不干凈，瓶壁留下殘?jiān)炊固幚硇Ч岣撸瑥亩l(fā)現(xiàn)活性微生物菌膠團(tuán)，定名為活性污泥而來(lái)。

1.2.2 活性污泥與生物膜結(jié)合工藝

生物膜-活性污泥（A/O）復(fù)合工藝綜合了活性污泥法和生物膜法兩者的優(yōu)點(diǎn),特別適合于脫氮。長(zhǎng)泥齡的生物膜為生長(zhǎng)緩慢的硝化菌提供了非常有利的生存環(huán)境,達(dá)到有效的硝化效果;而對(duì)于泥齡相對(duì)較短的活性污泥,主要起去除有機(jī)物的作用。這樣就避免了普通活性污泥工藝中為了達(dá)到硝化目的不得不延長(zhǎng)泥齡而極可能導(dǎo)致污泥膨脹的困境[1-2]。聯(lián)合工藝主要有兩類，其一是生物膜與活性污泥同時(shí)在同一構(gòu)筑物內(nèi)共同生長(zhǎng)，可稱之為復(fù)合方式聯(lián)合工藝；該方式的主要特征是投加載體要滿足懸浮要求，即投加的載體附滿生物膜后的比重接近1，目前通常采用的載體有粉末活性炭、無(wú)煙煤和球形塑料等，系統(tǒng)中廢水與生物相處于完全混合狀態(tài)。串聯(lián)方式聯(lián)合工藝主要是針對(duì)處理廢水的水質(zhì)特征、處理深度要求，合理地將生物膜法與活性污泥法的單元處理工藝結(jié)合起來(lái)。該方式中的每個(gè)單元都是一個(gè)獨(dú)立的處理工藝，串聯(lián)方式靈活多變。串聯(lián)級(jí)數(shù)可以是兩級(jí)，也可以是多級(jí)；串聯(lián)次序可以先生物膜法后活性污泥法，也可以是相反的。該方式的廢水流態(tài)總體上是屬于推流式，在局部單元處于完全混合。

1.3 研究意義

由于廢水中成分的復(fù)雜性，尤其是廢水中氮、磷成分的增加，研究高效穩(wěn)定的生物處理技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。復(fù)合生物膜反應(yīng)器模擬了大自然生態(tài)系統(tǒng)中水體的自凈功能。系統(tǒng)中既存在附著生長(zhǎng)在各種物體表面的微生物又存在懸浮生長(zhǎng)微生物，提高了微生物的種類和數(shù)量，對(duì)原有污水處理廠工藝的改進(jìn)及生物處理技術(shù)的研究都有重要的指導(dǎo)意義。

在污水處理過(guò)程中，對(duì)于有機(jī)物的去除，關(guān)鍵是如何提高系統(tǒng)氮的去除率，降低出水氮的濃度[3]。傳統(tǒng)的理論認(rèn)為，氨氮的去除是通過(guò)硝化和反硝化兩個(gè)相互獨(dú)立的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。然而，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有不少試驗(yàn)和報(bào)道證明有同步硝化反硝化（SND）現(xiàn)象，尤其是有氧條件下的反硝化現(xiàn)象確實(shí)存在于各種不同的生物處理系統(tǒng)。從物理學(xué)角度解釋SND的微環(huán)境理論是目前已被普遍接受的觀點(diǎn)[4]。由于污水排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的檢測(cè)頻率為每2 h一次、取日平均值，因此對(duì)中時(shí)速控制變量的研究更有意義[3]，為此研究只從試驗(yàn)的角度來(lái)研究中時(shí)速控制變量對(duì)A/O脫氮工藝的影響并確立污水生理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制對(duì)策[5-7]。

2 材料與方法

2.1 載體

載體材料為工程塑料，一般用于飲用水處理池中的絮凝發(fā)生池，也稱為渦流發(fā)生器。載體外形為直徑30 cm的球體，載體的比表面積為210 m2/m3，密度為0.95 g/L，載體在掛膜之前靜止時(shí)浮于水面，曝氣時(shí)，依靠曝氣的攪拌和水力作用與污水混合在一起，掛膜后的載體，曝氣時(shí)稍流化于水體之中，停止曝氣后，載體沉入池底。

2.2 試驗(yàn)流程與裝置

此污水處理系統(tǒng)的尺寸設(shè)計(jì)見(jiàn)于表1。

表1 污水處理系統(tǒng)的尺寸Tab.1 Size of Wastewater Treatment System

試驗(yàn)所用反應(yīng)器由工程塑料制作反應(yīng)器運(yùn)行體積為2 m3，分為完全混合的水解池和分格式的缺氧池和好氧氧化池。二沉池采用堅(jiān)流式，體積為0.4 m3。試驗(yàn)進(jìn)水、回流污泥和硝化液回流均采用污水泵控制。

2.3 試驗(yàn)用水

本次試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)用水為學(xué)校宿舍區(qū)的生活雜排水和某禽畜養(yǎng)殖廠污水混合而成，其總磷、CODCr、氨氮的含量見(jiàn)于表2。

表2 試驗(yàn)用水水質(zhì)Tab.2 Influent Water Quality

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 載體掛膜與微生物培養(yǎng)

改良A/O法反應(yīng)器中載體生物膜的培養(yǎng)是試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵因素之一，試驗(yàn)對(duì)進(jìn)行條件進(jìn)行嚴(yán)格的控制，載體上的生物膜生長(zhǎng)如表3所示。

3.2 傳統(tǒng)A/O法氨氮的去除效果分析

傳統(tǒng)A/O在好氧池中沒(méi)有添加填料，控制養(yǎng)殖場(chǎng)廢水流量基本恒定，其氨氮的去除率見(jiàn)表4。

表4 氨氮的去除結(jié)果Tab.4 Degradation Results of Ammonia

測(cè)定氨氮的去除率基本維持在55%～61%，結(jié)果顯示系統(tǒng)基本穩(wěn)定。

3.3 改良A/O法氨氮的去除效果分析

改良A/O法在好氧池中添加填料，當(dāng)填料上面的生物膜成熟后，再不斷地增加養(yǎng)殖廢水的流量，測(cè)定進(jìn)出水中氨氮的含量，其去除率結(jié)果見(jiàn)表5所示。

表5 氨氮的去除結(jié)果Tab.5 Degradation Results of Ammonia

當(dāng)養(yǎng)殖場(chǎng)廢水排量在50 mL/min至92 mL/min時(shí)，氨氮的去除率在80%～85%，處理效果比較理想。但在養(yǎng)殖廢水的排量在110 mL/min時(shí)，氨氮的去除率明顯降低，表明廢水的處理量已經(jīng)超過(guò)系統(tǒng)的負(fù)荷，從而影響了處理的效果。該試驗(yàn)表明生物膜對(duì)處理廢水的氨氮具有良好的去除作用。

4 結(jié)論

（1）采用新型的懸浮載體生物強(qiáng)化A/O工藝對(duì)氨氮降解進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)不僅能有效地去除CODCr，而且更具有較強(qiáng)的硝化功能。該試驗(yàn)與傳統(tǒng)的A/O活性污泥法相比，縮短了氨氮的降解時(shí)間，提高了氨氮的降解速率。

（2）懸浮載體生物膜的培養(yǎng)優(yōu)化了生物膜上的微生物種群和生物膜結(jié)構(gòu)，球形蜂窩狀結(jié)構(gòu)也改善了附著生長(zhǎng)的生物膜內(nèi)部傳質(zhì)困難和供氧不足的問(wèn)題，增加了生物膜內(nèi)活性硝化菌的數(shù)量，從而提高了硝化速率。

（3）改良A/O生物膜載體運(yùn)行方式相對(duì)于傳統(tǒng)A/O脫氮運(yùn)行方式相比，對(duì)進(jìn)水的CODCr和氨氮有較好的去除效果。在一定的運(yùn)行方式下，氨氮的去除率從55%～61%提高到80%～85%。

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