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悬浮填料生物滤池用于二级出水生物脱氮的中试研究

Yunhong Shi, Guangxue Wu^⁎, Nan Wei, Hongying Hu

深圳市微生物应用与风险控制重点实验室，清华大学研究生院，深圳518055。邮箱：shiyunhong1991@126.com。

摘 要

三级反硝化是一种有效的污水脱氮方法。以乙醇为有机碳源，采用悬浮填料生物滤池进行三级反硝化试验，在滤速为6、10和14m/h的条件下，研究反硝化和生物膜生长的长期性能、生物动力学。中试规模生物滤池能够有效地去除二级出水中的硝酸盐，当滤速为6、10和14m/h时，NO₃-N的去除率分别为82%、78%和55%。在滤速为6和10m/h时，硝酸盐去除负荷率随着进水硝酸盐负荷率的增大而增大，然而当滤速为14m/h时，硝酸盐去除负荷率和进水硝酸盐负荷率并不相关。反硝化过程中，消耗的化学需氧量与去除的NO3-N之比为3.99-4.52mg/mg。当滤速为6、10和14m/h时，最大反硝化速率分别为3.12、4.86和4.42 N/(m²·d)，半饱和常数分别为2.61、1.05和1.17mg/L，半阶系数分别为0.22、0.32和0.24(mg/L)^1/2/min。生物膜量随滤速的增加而增加，当滤速为6、10和14m/h时分别为2845、5124和7324 mgVSS/m²。在滤速为14m/h时，生物膜密度最大为44 mg/cm³。由于进水负荷较低，在滤速为6m/h时，生物膜生物量和生物膜厚度最低。

关键词：三级反硝化；中试规模生物滤池；生物动力学；悬浮载体；生物膜

引 言

污水处理厂常规二级出水含有高浓度硝态氮是导致受纳水体富营养化的限制因素之一。二级出水三级反硝化去除硝酸盐是一种防止受纳水体富营养化的有效方法。在反硝化过程中，以有机碳作为电子供体，氧化态氮在缺氧条件下被转化为氮气。但二级出水中可生物降解有机碳的含量有限，因此，三级反硝化需要外加有机碳，常用的碳源有甲醇、乙醇和葡萄糖。相比于其它外加碳源，反硝化使用乙醇有以下几个优点：（1）驯化时间短；（2）反硝化速率高；（3）受温度影响小；（4）对环境危害小。

石英砂、陶瓷砂等高密度载体常作为三级反硝化的介质，而对悬浮载体生物滤池的研究较少。高密度载体生物滤池的主要缺点是水头损失大，反冲洗能耗高，而悬浮载体生物滤池出水往往含有高浓度的悬浮物（SS），需要额外的工艺去除SS。例如，在South Caboolture水回收厂，带有悬浮载体的移动床生物膜反应器（MBBR）能够将硝酸盐降低到1 mg/L以下，随后再进行过滤以去除SS。为了同时去除氧化态氮和SS，设计了一种同时具有悬浮载体和砂载体的新型复合式生物滤池，用于二级出水的反硝化脱氮，实验规模的系统能有效地去除硝酸盐和SS。

滤速会影响反硝化和生物膜生长的动力学，进而影响生物滤池的系统性能。低滤速时，反应时间长、污染物代谢彻底，另外，由于进水负荷率低，总是存在生物量受限制的情况；高滤速时，反应时间短，反硝化不彻底，剪切应力大，生物膜薄。Wei 等人发现反硝化速率随滤速的增加而增加。在反硝化生物膜系统中，生物量、生物膜的密度和厚度都会影响底物转化率，从而影响反硝化效率。例如在好氧生物膜反应器中，生物膜中氧的渗透深度一般为100～150mu;m，因此，为了使好氧生物过程最大化，生物膜厚度不应超过150mu;m。生物膜厚度取决于生物膜量的平均增长和脱落。底物负荷率直接影响生物膜的增长，底物负荷率越高，生物膜量越大，生物膜越厚。生物膜的脱落受水动力条件、反冲洗频率和载体填充率的影响。Neethling等人发现反冲洗频率和生物膜适宜厚度之间存在平衡。Melo和Vieira发现生物膜密度随流速的增大而增大，并且在14-28mg/cm³范围内。Wauml;sche等人的结果表明，生物膜密度随剪切力和底物负荷率的增加而增加，并且在16-65mg/cm³范围内。迄今为止，关于三级反硝化和生物膜生长的动力学研究相对较少，还需要进一步的研究。

以乙醇为有机碳源，在滤速为6、10和14m/h(分别对应于17.8、10.7和7.6min的空床停留时间)条件下对同时具有悬浮填料和砂填料的复合生物滤池进行中试研究。研究了系统的长期性能和反硝化动力学，以说明系统的脱氮性能。另外，对生物膜生长情况进行测定，以便将其与脱氮性能相联系。

1. 物质和方法

1.1 中试规模生物滤池及其运行

实验用的生物滤池原理图如图1所示。此中试规模生物滤池采用直径为20cm、高为300cm的有机玻璃柱，其有效容积为91L。悬浮载体（比表面积500m2/m3，SPR-1型，中国青岛）的填充高度为178cm，在生物滤池的不同高度设置取样口。在反应器顶部有一个高为12 cm的预混合区，以利于二级出水和有机碳的混合。在反应器底部，有一个填充高度为10cm的支撑砾石层和填充高度为20cm的石英砂层，其颗粒尺寸为2-4mm，用于去除SS。

图1. 中试规模生物滤池示意图

以昆明市第七污水处理厂二级出水为原料。此研究期间，进水中化学需氧量(COD)为20 mg/L，硝态氮(NO₃-N) 浓度为11.2 mg/L，正磷酸盐(PO₄-P)浓度为0.45mg/L，亚硝态氮(NO₂-N)浓度为0.25 mg/L，PH为6.2，溶解氧浓度为2.4mg/L。运行过程中，外来碳源的投加量量为5.4 g COD/g NO₃-N。处理过的废水(二级出水)和乙醇由生物滤池顶部的蠕动泵供给，滤速由蠕动泵的转速控制。生物滤池每24h进行为期15min的气、水反冲洗，在反冲洗过程中，水的流量为10L/（m²·s），空气的流量为5L/（m²·s）。在启动期间，滤速为6 m/h，当系统达到稳定状态并收集到足够的数据后，滤速再依次增加到10 m/h和14 m/h。

1.2 批量试验

在滤速分别为6、10和14m/h的条件下，对反冲洗生物膜量和悬浮填料生物膜量的长期性能、反硝化生物动力学以及生物膜特性进行了试验研究。在长期运行过程中，每天测试COD、NO3-N、NO2-N、氨氮（NH4-N）、pH值和溶解氧（DO）等参数，监测生物滤池的营养去除动态。在不同滤速的稳定状态下，分别从反应器的0、23、53、88、118、148、178、208、238cm高处的取样口取样，测试各种典型参数(NO₃-N, NO₂-N, COD, DO and pH)的浓度来研究生物滤池的反硝化动力学。在试验的不同阶段，2L的反冲洗生物膜量被用于批量试验，并通过投加硝酸钾和乙醇，使初始NO₃-N和COD分别达到30mg/L和200mg/L。批量试验开始后，每隔5分钟取样一次，样品在12000r/min下离心2min，然后上清液在4℃下保存，以便进一步分析NO3-N、NO2-N和COD。实验期间，定期从生物滤池中取出悬浮载体，然后测量生物膜的生物量、厚度和密度。

1.3 分析方法

COD, NO₃-N, NO₂-N, NH₄-N, PO₄-P, SS和挥发性悬浮固体(VSS)使用标准方法(APHA, 1999)进行测量。pH、DO和NTU分别用pH3110（德国WTW）、OXI315i（德国WTW）和1900C（美国，HACH）探针进行测量。为了测量生物膜生物量，从生物滤池中取出4块带生物膜的载体，用蒸馏水从悬浮载体上冲洗生物量，测定VSS。根据方程(1)-(3)计算生物膜的厚度和密度。（Shrestha等人，2009年；Alves等人，2002年）

(1)

(2)

(3)

式中，W是指表面积上的生物膜量，g/m²；

VSS是生物膜量中可挥发性生物膜的重量，g；

A指生物膜的表面积，m²；

rho;是生物膜的密度，g/m³；

V是比表面积上湿生物膜的平均体积，m³/m²；

L是生物膜厚度，m。

采用线性方程拟合氧化态氮的动力学，得到脱氮速率。根据莫诺方程（方程（4）），使用最大反硝化速率，用AQAASIM获得半饱和常数。

(4)

式中，R是脱氮速率，(mg/(L·min))；

R_max是最大脱氮速率，(mg/(L·min))；

S是硝酸盐浓度，(mg/L)；

Ks是硝酸盐的半饱和常数，(mg/L)。

生物滤池中的反硝化过程可以用以下半级反应来描述（Harremoes，1976）：

(5)

式中，C是不同生物膜深度的硝酸盐浓度，(mg/L)；

C_i是初始硝酸盐浓度，(mg/L)；

K_1/2v是半阶系数，((mg/L)^1/2/min)；

H是从入口到生物滤池的深度，dm；

a是生物滤池的面积，dm²；

Q为流量，(L/min)。

2. 结果与讨论

2.1 长期性能

生物滤池长期运行70天期间硝酸盐的动态如图2所示。生物滤池在运行11天后进入稳定阶段。当进水中硝酸盐浓度为12.4 mg/L时，出水中硝酸盐浓度为1.3 mg/L。在启动期间，水温为19℃。de Barbadillo等人发现当NO₃-N浓度为10mg/L、水温为15℃时，以醋酸盐为有机碳源，生物滤池运行3天后即可达到稳定状态。Shi等人以乙醇为有机碳源，运行进水中NO₃-N浓度为10-15mg/L的生物滤池系统，其驯化时间为5天。相比于以前的研究，此次研究中的启动期稍微长一些，这可能是由于启动初期较低的硝酸盐浓度(5.86 mg/L)和相对较低的底物负荷率限制了生物膜的生长。

图2. 不同滤速下NO3-N的动态变化

当滤速为6、10和14m/h时，进水NO₃-N浓度分别为13.1 plusmn; 3.4、11.5 plusmn; 3.2和11.2 plusmn; 2.5 mg/L，出水NO₃-N浓度分别为2.7 plusmn; 1. 4、2.6 plusmn; 1.1和 5.1 plusmn; 1.5 mg/L，NO₃-N的去除率分别为82%、78%和55%。Taljemark等人利用以乙醇为有机碳源的MBBR系统来加强反硝化反应，也得到了相似的结果，当悬浮载体的填充率为36%、空床停留时间为40-100min时，NO₃-N去除率为51%。进水COD浓度分别为93、97和79mg/L，出水COD浓度分别为44、41和49mg/L，COD去除率分别为64%、57%和37%。经计算，反硝化过程中COD消耗量与NO₃-N去除量之比分别为为4.34、4.52和3.99 mg COD/mg NO₃-N，这和以前的研究所得结论基本一致。例如， AElig;sOslash;y等人在1998年以乙醇为有机碳源运行一个生物滤池，得到了COD消耗量与NO₃-N去除量之比为4–5 mg COD/mg NO_X-N的结果， de Barbadillo等人在2008年发现以乙醇作为碳源的需求量为5.2 mg COD/mg NO_X-N。

进水硝酸盐负荷率和硝酸盐去除负荷率的关系如图3所示。当滤速为6、10和14m/h时，平均进水硝酸盐负荷率分别为2.07、3.09和4.06 gN/(m²·d)，硝酸盐平均去除负荷率分别为1.64、2.41和1.47 g N/(m²·d)。基于空床停留时间为30min的小规模系统，Bill等人发现以乙醇为有机碳源，当进水硝酸盐负荷率为1.9 g NO_X-N/(m²·d)时，硝酸盐去除负荷率为0.9 g NO_X-N/(m²·d)。通过运行MBBR处理低负荷的污水，Wilson等人发现以甲醇为有机碳源且进水硝酸盐负荷率为0.1–0.75 g N/(m²·d)时，最大的硝酸盐去除负荷率为0.58 g N/(m²·d)。硝酸盐去除负荷率高的主要原因是进水硝酸盐负荷高。反硝化过程中，硝酸盐去除负荷率和进水硝酸盐负荷率相关联，并且一般随进水硝酸盐负荷率的增大而增大。当滤速为6和10m/h时，硝酸盐去除负荷率随进水硝酸盐负荷率的增大而增大，而当滤速为14m/h时，这两者之间并无明显的关联。Holloway等人和Wilson等人同样得到相似的趋势，即在一定的进水硝酸盐负荷率范围内，去除负荷率随进水负荷率的增大而增大，然而当进水硝酸盐负荷率超过一定值时，去除能力达到最大，去除负荷率不再增加。出现这个趋势的主要原因可能是存在不同的限制因素。从底物和生物膜量的角度考虑负荷率，当滤速为6和10m/h时，系统可能受到底物的限制；而当滤速达到14m/h时，反硝化过程可能受到生物膜量的限制，这可能就是硝酸盐去除负荷

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