提高接觸氧化法硝化反硝化效果的思路

宋慧(深圳深態環境科技有限公司， 廣東 深圳 518000)

生物膜法和活性污泥法一樣，同屬好氣生物處理方法。但活性污泥法是依靠曝氣池中懸浮流動著的活性污泥來分解有機物，而生物膜法則是依靠固著于載體表面的微生物膜來凈化有機物。

1 生物膜法的優點

與活性污泥法相比，生物膜法具有以下優點：

①固著于固體表面上的生物膜對廢水水質、水量的變化有較強的適應性，操作穩定性好。②不會發生污泥膨脹，運轉管理較方便。③高營養級的微生物存在，剩余污泥量較少。

2 生物膜法的缺點

目前國內生物膜法的典型工藝為接觸氧化工藝，接觸氧化工藝又稱為淹沒式生物濾池，其特征是在池內填充惰性填料，污水中的有機物與填料上的生物膜廣泛接觸，在微生物的新陳代謝作用下污染物得到去除。此技術相當于在活性污泥法曝氣池內提供微生物附著、棲息的填料。

接觸氧化工藝具有投資省、運行管理簡單等優點，在中小規模的生活污水處理領域和有機廢水處理領域得到廣泛應用，但由于設計和技術上的一些原因，上述生物膜法的優點沒有得到充分發揮，主要是硝化能力和反硝化能力不強，氨氮、總氮去除率不高，運行費用高等缺點，限制了其進一步的應用。

3 硝化能力和反硝化效果不好的原因分析

(1)工藝流程 采用接觸氧化工藝的具有氨氮和總氮去除能力的典型污水處理工藝流程(A/O工藝)如下圖1：

圖1 A/O處理工藝流程圖

在上述工藝中，廢水在接觸氧化池(好氧池)中完成硝化，將污水中的有機氮氧化成氨氮，并進一步氧化成硝酸氮，然后接觸氧化出水回流到缺氧池，脫氮菌在缺氧的情況下進行反硝化，利用廢水中的有機物作為碳源，將硝酸鹽NO3-中的氮還原成氮氣N2溢出，從而完成污水的脫氮過程。

(2)原因分析 ①硝化能力不強的原因。不同于活性污泥法中懸浮的活性污泥，接觸氧化池中填料上的固定的生物膜的厚度容易過大，導致生物膜內部供氧不足，膜活性下降，或者填料上出現積泥，傳質效果下降，這些都會影響生物膜的去除效率，影響到生物池的出水水質。而起硝化作用生長率較低的硝化細菌處于生物膜的內部(如下圖2)，傳質效果下降所受影響最大，因此會導致硝化效果的下降。

圖2 異養菌及硝化菌在生物膜中的分布示意圖(Tijhus et al.,1994)

②反硝化能力不強的原因。①接觸氧化工藝的缺氧池內安裝有填料，對混合攪拌機的水力阻力很大，回流的硝化液在缺氧池內不能均勻地與微生物混合，會出現水流短路的情況。②接觸氧化池出水回流比不合理，無法達到最佳的反硝化效果。

4 解決上述問題的思路

(1)采用大氣泡沖刷系統對好氧池和缺氧池的生物膜進行沖刷，控制生物膜的厚度

《生物接觸氧化法污水處理工程技術規范(HJ 2009-2011)》中規定曝氣設備宜采用穿孔曝氣管，這種方式雖然有利于對生物膜的沖刷，但氧利用率高，能耗也高，而且微生物生化需要的氣量的沖刷效果也達不到生物膜的沖刷要求。比較好的方式是曝氣供氧設備采用氧利用率高的微孔曝氣系統，在微孔曝氣系統之外另行設置大氣泡氣沖刷系統對好氧池和缺氧池的生物膜進行沖刷。

沖刷系統的管路采用環狀穿孔管鼓氣系統，孔徑一般為5mm，孔中心距為10cm。要達到的沖刷強度一般至少為10m3/m2·h，沖洗的空氣速度梯度G值應達到500s-1。沖刷頻率一般為1次/3天，每次持續時間1～3分鐘。

沖刷可利用曝氣鼓風機作為氣源，但由于沖刷需要的空氣量大于正常生化曝氣所需要的空氣量，沖洗管路需要分段建設，分段鼓氣。

(2)采用低氧大氣泡空氣攪拌的方式對缺氧池進行攪拌 ①《生物接觸氧化法污水處理工程技術規范(HJ 2009-2011)》中對混合攪拌設備的規定是“宜采用水力攪拌、低氧空氣攪拌等方式”。在實際工程實踐中發現填料的阻力很大，采用水力攪拌很難達到需要的效果，應采用大氣泡低氧空氣攪拌的方式。②生物膜中自養菌和異養菌分布是不均勻的，生物膜外表面雖然由于鼓氣而成為好氧環境，但由于是攪拌采用的是微鼓氣的方式，氧氣的濃度有限，不至于進入生物膜內部，故生物膜內部為厭氧環境，較高濃度梯度的NO3--N離子仍可進入生物膜內部進行異養菌厭氧反硝化。③缺氧池的攪拌系統可與沖刷系統共用一套管路系統，但其強度要低很多，一般控制在1m3/m2·h左右，既可保證攪拌效果，又不至于破壞缺氧的環境。

(3)缺氧池設置布水系統。缺氧池應采用上流式的方式，進水裝置位于底部，布水系統宜采用穿孔管進水，孔眼直徑為5mm，間距為20cm左右，孔口水流速度一般為2m/s左右。

(4)設置合適的回流比。在設計運行良好的情況下，回流到缺氧池的硝酸鹽可認為100%被反硝化，則出水硝酸鹽氮的去除率與回流量的關系為：

式中： 為硝酸鹽氮的去除率，R為回流比。

假定污水中的凱氏氮全部轉化為硝酸氮，則出水硝酸氮的濃度與回流比的關系為：

式中： 為出水硝酸鹽氮， 為進水總氮。

根據上式，通過測出的進水總氮的濃度和要求的排放標準即可算出需要的回流量R。通過所需的回流量即可選擇合適的回流泵，并應通過變頻器對回流泵的流量進行調節。

5 生物接觸氧化工藝填料的選擇

生物接觸氧化工藝核心的設備是生物填料，而懸掛式填料是工程中最常用的填料，《生物接觸氧化法設計規程(CECS 128：2001)》中闡述的懸掛式填料主要分為軟性、半軟性、彈性及組合填料。其中，目前國內應用較廣泛的是彈性及組合填料。組合填料的優點是比表面積大(可達2200m2/m3以上)，掛膜容易，但因此也容易結團；彈性填料具有更大的孔隙率，更好的切割能力，因此生物膜的活性更好。

厭氧池內的微生物生長緩慢，活性差，因此應選用更容易掛膜的組合填料，而好氧池內的微生物活性大，生長迅速，應選用具備更好的切割能力彈性填料。

根據相關規范，生物接觸氧化的容積負荷的取值范圍為0.4～2.0kgBOD5/m3填料·d；如果取值靠近下限，則生物接觸氧化工藝負荷高，體積小的優點就體現不出來，若容積負荷取值較高，則單位填料上的生物量高，生物膜的厚度大，根據前面章節的描述，會影響到生物池的出水水質。雖然可以通過增加沖刷頻率來控制生物膜的厚度，但會導致操作變得繁瑣，運行不便，而且頻繁的沖洗對生物膜的生長也不利。可見接觸氧化法發展的重點是需進一步開發性能更優良的生物填料，其在高負荷下仍能具有良好的傳質性能。

[1]中國工程建設標準化協會.生物接觸氧化法設計規程(CECS 128：2001)[M].北京：[出版者不詳]，2001.

[2]環境保護部.生物接觸氧化法污水處理工程技術規范(HJ 2009-2011)[M]. 北京：中國環境科學出版社，2011.

[3]中國市政工程東北設計研究院.給水排水設計手冊(第二版 第03冊 城市給水)[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2000.

[4]劉雨，趙慶良，鄭興燦.生物膜法污水處理技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2000.

[5]王俊,吳浩汀，程寒飛.曝氣生物濾池污水處理新技術及工程實例[M].北京：化學工業出版社，2002.