厭氧/特異性移動床生物膜反應器處理低碳氮比工業(yè)廢水脫氮效果優(yōu)化分析*

郝夢影 楊宇杰 敬雙怡 楊文煥 于玲紅 李衛(wèi)平

(內蒙古科技大學能源與環(huán)境學院，內蒙古 包頭 014010)

隨著國家對工業(yè)廢水排放重視程度的不斷提高，工廠生產廢水的排放標準日趨嚴格。由于工業(yè)廢水水質復雜，多數具有污染物濃度高、碳氮比(C/N)失衡、有毒有害及不易降解的化學成分多等特點，在處理過程中往往會遇到各項污染指標去除困難或去除運行成本高的問題[1]。目前，我國大部分工業(yè)廢水處理多采用傳統(tǒng)的氧化溝工藝、間歇式活性污泥法、A/O工藝和A2/O工藝等。這些工藝運行管理成熟，處理效果較穩(wěn)定，然而仍存在占地面積大、管理及運行費用高、出水水質難以達標等缺點。因此，尋求高效、節(jié)能、環(huán)保的廢水處理工藝是我國工業(yè)發(fā)展的迫切要求。

特異性移動床生物膜反應器(SMBBR)[2-3]在移動床生物膜反應器基礎上進一步升級改造，具有占地面積小、消耗低、處理效果較好、污泥產率低等優(yōu)點[4-8]，特異性主要表現(xiàn)為采用SDC-03型填料和DNF409高效反硝化菌，具有較強的脫氮能力。另外，在SMBBR前增設厭氧移動床生物膜反應器(AMBBR)，通過水解酸化作用去除部分有機物，并將難降解的有機大分子污染物轉化為小分子有機污染物，提高了廢水中BOD5和COD比(B/C)，為后續(xù)好氧裝置減輕處理負荷。目前，厭氧/特異性移動床生物膜反應器(A/SMBBR)逐漸深入到各污廢水領域，如韓劍宏等[9]研究的鄰苯二甲酸二辛酯生產廢水、李衛(wèi)平等[10-11]研究的農藥含酚廢水和生活污水、于玲紅等[12]研究的石油發(fā)酵工業(yè)廢水等處理均取得了良好的成果。

本研究以低C/N工業(yè)廢水為研究對象，考察A/SMBBR對低C/N工業(yè)廢水處理的脫氮效果，并采用基于Box-Behnken設計的響應曲面法優(yōu)化試驗參數，探究不同影響因子對脫氮效果的單獨及其交互作用，建立以TN去除率為響應值的二次響應曲面模型，并對模型準確性進行驗證分析，從而確定最佳運行條件。

1 材料與方法

1.1 填 料

采用SDC-03型六角蜂窩多孔結構填料，該填料材質為甘蔗渣親水性可降解的改性高分子材料，對酸堿變化有一定抵抗力，抗老化能力強，使用壽命長，具有高度親水性，投加后微生物成熟速度較快，衰老的生物膜較易從填料上脫落。規(guī)格為高10 mm、直徑30 mm、比表面積約900 m2/m3、密度0.97 g/cm3[13]。由于SDC-03型填料比表面積大、內表面粗糙，填料內部為微生物生長繁殖提供了良好的生存環(huán)境。

1.2 反硝化菌劑

本次中試試驗使用的菌種為DNF409高效反硝化菌。該菌種是經紫外線誘導變性后的芽孢桿菌(Bacillus)，能在低溫(下限10 ℃)、有機物濃度很低的環(huán)境下生存，適宜溫度和pH分別約為28 ℃、8，適應能力強、繁殖能力旺盛，具有高效反硝化作用，能促進亞硝酸鹽和硝酸鹽轉化，在各種不良的環(huán)境條件均能得到良好的脫氮效果。

1.3 試驗裝置

試驗裝置由鋼板焊接而成，AMBBR有效容積600 L，為防止污泥流失設有沉淀池，攪拌機轉速150 r/min；SMBBR有效容積586 L，底部設有孔徑3 mm的穿孔曝氣管。設計進水流量為1.2 m3/d，AMBBR中DO控制在低于0.5 mg/L，SMBBR中DO為4～6 mg/L。

進水經提升泵至中試調節(jié)池，經沉淀、中和作用后經提升泵至AMBBR內進行反硝化反應，再流入SMBBR進行氨化和硝化反應，好氧反應出水至東流砂式沉淀池，通過回流泵將硝化液回流至AMBBR內進一步消耗COD和TN，同時東流砂式沉淀池能進一步降低出水SS，提高廢水水質。圖1為試驗裝置示意圖。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 The figure of the test device

1.4 試驗水質

試驗進水來自江西省撫州市宜黃縣某工業(yè)園區(qū)污水處理廠調節(jié)池。該污水處理廠處理能力10 000 t/d，匯集了園區(qū)內各企業(yè)生產廢水、部分生活污水及雨水徑流等。水質成分復雜，C/N相對較低，B/C約0.17(質量比)，生物可降解性較差。經AMBBR處理后B/C約0.33，提高了廢水可生化性。原水水質：TN、COD、BOD5、氨氮、TP、SS分別為111～235、95～368、31～63、25～57、1.09～5.18、10～17 mg/L，pH為6.94～7.50。

1.5 分析項目與方法

COD、氨氮、TN、BOD5、TP、SS均根據文獻[14]中標準方法測定；pH、DO和水溫采用便攜式水質分析儀測定。

2 結果與討論

2.1 A/SMBBR的掛膜啟動

采用連續(xù)進水的自然掛膜法掛膜[15]。填料比表面積大、內表面較粗糙，系統(tǒng)中的微生物可較好地吸附在其內表面，同時系統(tǒng)啟動時處于夏季，氣溫較高，微生物活性較高，繁殖速度快，因此掛膜速度較快。在水力停留時間(HRT)為2.0 d、水溫為25～27 ℃、碳源投加量為80 mg/L、填料填充率為50%的工況下運行15 d，可觀察到填料內表面附著黃褐色的生物膜，且出水各項指標相對穩(wěn)定，表示掛膜啟動完成。

2.2 單因素試驗

穩(wěn)定運行期間，沒有額外說明，實驗條件一般為進水TN 160 mg/L、HRT=3.0 d、水溫25～28 ℃、pH=7.50、填料填充率50%、碳源投加量80 mg/L。

2.2.1 碳源投加量

進水COD較低，可生化性差，為保證試驗出水效果，需要補加碳源。雖然甲醇的反硝化效率較高，有利于生物降解，但因其價格高、有毒性、難以運輸，故中試采用乙醇作為外加碳源[16]，改變碳源投加量，考察碳源投加量對TN去除率的影響，結果見圖2。隨碳源投加量的增加，TN去除率逐漸升高，系統(tǒng)具有較好的脫氮效果。分析認為，在反應過程中，反硝化菌利用碳源作為電子供體通過反硝化作用進行氮素轉化[17]，其他工況不變的前提下，當系統(tǒng)內碳源投加量逐漸提高，系統(tǒng)可提供給微生物的營養(yǎng)物質逐漸增多，微生物的繁殖速度加快，加大了碳源的利用率，提高了TN去除率。

圖2 碳源投加量對TN去除率的影響Fig.2 Effect of carbon source dosage on TN removal rate

2.2.2 HRT

適當的HRT是確保廢水處理效果、基建及運行費用的重要影響因素。系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，改變HRT，每個階段穩(wěn)定運行3個周期后監(jiān)測水質，探究HRT對TN去除率的影響，結果見圖3。TN去除率隨HRT延長先增大后減小，當HRT為3.0 d時，TN去除率達到最大值。分析原因認為A/SMBBR采用連續(xù)流處理方式，當HRT縮短，單位時間內系統(tǒng)的進水流量增加，加大了水流對生物膜的沖刷作用，附著在填料表面的生物膜因受水流剪切作用而易發(fā)生脫落[18]，從而導致TN去除率較低。A/SMBBR為串聯(lián)設計，當HRT過長，AMBBR消耗大量有機物，SMBBR內微生物因營養(yǎng)物質不足而活性降低，抑制物質不斷積累，從而抑制微生物活性，導致TN去除率降低。該運行工況下，HRT為2.5～3.5 d時，系統(tǒng)具有較好的脫氮效果。

圖3HRT對TN去除率的影響Fig.3 Effect of HRT on TN removal rate

2.2.3 填料填充率

填料填充率是A/SMBBR工藝中的重要因素，改變填料填充率，探究填料填充率對TN去除率的影響，結果見圖4。TN去除率隨填料填充率的增加先增后減，當填充率為50%時最大。分析原因認為：當填充率由30%升至50%時，反應器內填料體積增加，系統(tǒng)內可提供微生物附著生長的表面積加大，生物量和生物相相對增多，氧利用率加大，增強了好氧微生物活性，改善了脫氮效果；當填料填充率由50%升至60%，雖然填料提供的微生物附著面積增加，但其在反應器內的流化狀態(tài)也相應變差，部分填料發(fā)生擁堵，沉降在反應器底部造成氧的傳遞率下降，氧利用率低，造成系統(tǒng)TN去除率下降。綜合考慮脫氮效果和經濟因素，填料填充率宜為40%～60%，既可達到高效的脫氮效果，又可符合設備的運行要求。

圖4 填料填充率對TN去除率的影響Fig.4 The influence of filling rate of padding on the TN removal rate

2.3 響應曲面法優(yōu)化與分析

2.3.1 基于Box-Behnken的試驗設計

通過單因素試驗分析，采用基于Box-Behnken的響應曲面法設計了3因素3水平的試驗方案進行優(yōu)化[19]，考察所選擇的3個參數(碳源投加量(X1)、HRT(X2)、填料填充率(X3))對TN去除率的影響及其交互作用，確定最佳運行條件。Box-Behnken試驗設計因子水平見表1，設計方案和試驗結果見表2。

表1Box-Behnken試驗設計因子水平

表2Box-Behnken試驗設計方案和結果

2.3.2 響應曲面模型建立與分析

采用Design-Expert 8.0.5軟件，對表2中數據進行回歸分析[20]，建立以碳源投加量、HRT、填料填充率為變量，以TN去除率(Y，%)為響應值的二次多項式數學模型(見式(1))。對該模型的方差分析結果見表3。模型P<0.000 1，F(xiàn)=257.17，說明模型準確度較高，回歸效果顯著；3個參數單獨對TN去除率影響作用順序為填料填充率(F=886.05)>碳源投加量(F=634.20)>HRT(F=17.90)；3個參數之間均存在一定的交互作用，其中填料填充率和HRT的交互作用對TN去除率影響最顯著，其次是填料填充率和碳源投加量的交互作用，碳源投加量和HRT的交互作用對TN去除率影響最弱。

(1)

由圖5可知，增大填料填充率和延長HRT對TN去除率的提高均有促進作用，填料填充率對TN去除率影響比HRT顯著。分析原因：隨著反應器內填料體積增加，系統(tǒng)內可提供微生物附著生長的表面積也增大，微生物繁殖速度增快，提高了廢水處理效率。由圖6可知，TN去除率隨填料填充率和碳源投加量增加呈先增大后減小的趨勢，說明填料填充率和碳源投加量并不是越大越好。填料填充率對TN去除率影響比碳源投加量顯著。分析原因：填料填充率大于55%時，填料在反應器內的流化狀態(tài)變差，氧的利用率低，硝化作用減弱，使得脫氮效果變差；碳源投加量超過90 mg/L時，系統(tǒng)內微生物營養(yǎng)過剩，抑制微生物降解，導致出水TN升高，處理效果也不理想。由圖7可知，碳源投加量和HRT之間的交互作用對TN去除率的影響較弱，增大碳源投加量和延長HRT，TN去除率相應提高，碳源投加量對TN去除率影響比HRT顯著。分析原因：當系統(tǒng)內碳源增加，系統(tǒng)內提供微生物生長繁殖所需的營養(yǎng)物質增多，微生物活性較強，促進了硝化反應的進行，TN去除率增加。

2.3.3 試驗優(yōu)化與驗證

表3 二次多項式模型的方差分析

注：1)P<0.000 1表示顯著。

圖5 填料填充率和HRT對TN去除率的交互影響(碳源投加量為80 mg/L)Fig.5 Interaction effect of filler filling rate and HRT on TN removal rate (carbon source dosage 80 mg/L)

圖6 填料填充率和碳源投加量對TN去除率的交互影響(HRT=3.0 d)Fig.6 Interactive effect of filler filling rate and carbon source dosage on TN removal rate (HRT 3.0 d)

圖7HRT和碳源投加量對TN去除率的交互影響(填料填充率為50%)Fig.7 Interactive effect of HRT and carbon source dosage on TN removal rate (filler filling rate 50%)

圖8TN去除率實際值與預測值關系Fig.8 The relationship between actual value and predicted value of TN removal rate

3 結 論

(1) 單因素試驗分析表明，當碳源投加量為60～100 mg/L、HRT為2.5～3.5 d、填料填充率為40%～60%時，A/SMBBR組合工藝對低C/N工業(yè)廢水脫氮效果較好。

(2) 響應曲面法分析表明，3個參數對TN去除率影響順序為填料填充率>碳源投加量>HRT，其中填料填充率和HRT之間的交互作用最顯著。

(3) 模型預測的最佳條件為碳源投加量90 mg/L、HRT=3.0 d、填料填充率55%，TN去除率預測值為90.78%。在該條件下TN去除率實際值達91.02%，與模型預測值基本一致，表明響應曲面模型與實際情況擬合良好。