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曝气条件对部分曝气生物滤池中低浓度氮的去除的影响

安东尼奥·阿尔伯克基，杰西克·马基尼亚，克里希纳

摘要：

使用部分曝气的潜水曝气生物滤池（BAF）研究去除营养丰富的河流和湖泊水中低浓度氨氮（0.3gN/m3至30.5gN/m3）的方法，以及经过处理的废水。用合成废水在氨负荷为4gN/m3d到903gN/m3d之间和C/N比2/20的条件下进行了四组实验。结果表明，去除氨气当C/N=2时，比率达到较高值（172gN/m3d至564gN/m3d），而较低值（13.6gN/m3d至34.6gN/m3d）的C/N=20。在BAF的上部去除了50％至70％的氨，其中溶解氧（DO）浓度超过2.1gO₂/m3，生物膜深度范围从0.4到0.6毫米。在反应器的底部，在DO浓度为0.4gO₂/m3至0.8gO₂/m3的范围内观察到氨和硝酸盐的同时去除。对于低于15gN/m3d的负荷，没有去除氨氮。结果表明，部分曝气BAF中氮的去除不仅可以通过传统的硝化/反硝化机理来解释。

关键词：曝气生物滤池 反硝化 脱氮 硝化 局部曝气 残余去除

1.介绍

向土壤和水中排放氮化合物可能会以多种方式对水资源产生不利影响，包括对富营养化，氧气耗竭，对水生环境的毒性和公共卫生问题。在用于饮用水系统之前，经常需要对氮污染的地表水（包括来自湖泊和河流的地表水）进行预处理。因此，从处理过的水和地表水中除去氮（还原形式如氨和氧化形式如硝酸盐）以再利用已成为保护公共健康和降低生态风险的重要需求。为满足欧盟(城市污水指令91/271/EEC，10-15gN/m3)和美国(部分地区总N=3gN/m3)的污水脱氮要求，需要对常规二次污水处理系统进行改造，或扩大抛光处理方案。本文介绍了利用低维护和有效的曝气生物滤池对地表水和废水中的氮进行去除的研究。

采用浸没式生物过滤作为三级和(或)抛光步骤去除剩余负荷(营养物质、微量元素和病原体)可以是改造的一种有希望的替代办法(Tchobanoglous等人，2003年；Jeong等人，2006年；Schulz和Menningmann，2008年；Farabegoli等人，2009年；Jenssen等人，2010年)。淹没式曝气生物滤池（BAF），也称为淹没式好氧生物滤池（Schulz and Menningmann，2008），与其他曝气生物滤池反应器相比具有一些优点。旋转式生物接触反应器（RBC）或滴流式反应器），包括高浓度的活性生物质，对剩余生物质的良好控制，高污泥停留时间（SRT），能够降解复杂化合物，更好的保护免受有毒峰的伤害，污染物（碳、氮、磷和病原体）去除效果好，单个单元工艺处理能力高，易于维护和操作，无需污泥循环和一个简单的分解器（Mdoza Easposa和Stephen enson，1999；Grady et1999年；Tchobanoglous等人，2003年；Hidaka和Tsuno，2004年；Schulz和Menningmann，2008年）。与新建先进处理系统相比，增加BAF作为三级/抛光处理的基建费用低，且不影响现有反应器的运行。

主要缺点是与通风和洗涤系统相关的堵塞风险和能源成本。如果可以在上游适当去除固体或使用空隙比超过0.4（格雷迪等1999; 法拉贝利等2009)。通过优化洗涤周期并使用低空气流速或间歇通气可以降低能源成本。最后的步骤对于将过滤器中的生化环境从厌氧状态改变为好氧状态也可能是有利的，以便同时或交替地促进硝化/反硝化机理。

BAF中使用的介质必须具有合适的比表面积（500m2/m3至2000m2/m3），以形成良好的生物膜，粒径范围为1-4mm允许足够的空隙率，以实现良好的液压流量（门多萨-埃斯皮诺萨和斯蒂芬森1999; 阿尔伯克基2003; 舒尔茨和门宁曼。门多萨-埃斯皮诺萨和斯蒂芬森(1999)指出有机物和氮的去除效率超过80％完全充气的BAF，液压负载率（HLR）为1m/h至10m/h。天然的多孔火山岩（迷迭香）具有适合用于生物反应器的特性，并且已经在分批生物滤池的测序中进行了测试（布特龙等2004)用于去除偶氮染料。维拉韦德等(2000)还已经在完全充气的BAF中测试了该材料，但用于去除高浓度的氨（100gN/m3）。运行风量BAF中的速率范围从18L/h到200L/h（He等2007; Ha等2010).

在上一篇文章中（阿尔伯克基等2009a)分析了非充气实验室规模的生物滤池（充满2–4毫米的厚朴烷颗粒）对去除有机物（乙酸盐），氨，亚硝酸盐和硝酸盐的性能。在这项研究中，将同一反应器转换为部分充气的BAF，并根据去除低氨氮浓度分析了长期运行数据。因此，本研究的目的是评估曝气对基于迷迭烷的BAF反应器去除低浓度氨的性能的影响。氮（0.3gN/m3至30.5gN/m3）污染控制和流域综合管理的缓解措施。BAF以前的大多数工作都使用了全曝气过滤器来去除较高浓度的氨气（门多萨-埃斯皮诺萨和斯蒂芬森1999;维拉韦德等2000;斯蒂芬森等2003;加尔松·祖尼加等2005;磊等2009;哈等2010),通常从25gN/m3到大约650gN/m3（即，反应器主要用作第二处理步骤）。本文研究的BAFs反应器可用于修复因养殖富营养化而污染的池塘、湖泊和河流，以及通过处理氮含量低的废水来防止污染。

2.方法

2.1.实验装置

本研究建立了一个7.0厘米times;40.5厘米（内径填料高度）的BAF反应器，其向下流动构型（图1）。使用有效直径为4mm，比表面积为1740m2/m3，空隙比为0.52的均质均相材。介质床浸没在水位以下3cm处。沿反应堆高度设有五个采样口（P1-P5，直径为5mm），以收集水样进行分析测量。将位于相同位置的另外五个端口连接到压力计，以评估端口之间静水压力的变化。反应器还配备了外部曝气设备（TetraTec AP150泵，意大利），带有流量控制系统和最大容量为150 L/h，连接到P2采样点附近（距介质顶部约8cm）。空气通过带有细气泡微扩散器的4 mm管注入到反应器中。曝气设备向上引入空气，以使MT-P2部分中的溶解氧（DO）浓度保持在2gO₂/m3以上（即反应器已部分曝气）。这是这项工作的新颖之处之一，因为以前BAF的大部分工作（维拉韦德等2000; 斯蒂芬森等2003; 磊 等2009; 哈等2010) 使用位于反应器底部的曝气装置的完全曝气过滤器。为了消除在BAF操作过程中产生的过多污泥，还包括了反冲洗系统。反冲洗水的流量由转子流量计（GARDENA T120，意大利）控制，而的反洗空气流量由压力泵（VACUUBRAND ME 4R，德国）控制。

2.2.喂料解决方案

实验所用的进料溶液包括矿物介质（缓冲液，硫酸镁，氯化钙和氯化铁溶液）以及有机碳（乙酸钠）和氨（氯化氨）的来源，如前所述。阿尔伯克基等，(2009a). 浓乙酸钠溶液（每升113.4g C₂H₃O₂Na 3H₂O）的化学需氧量（COD）浓度为50kgCOD/m3有机碳（TOC）浓度为20kgC/m3。浓氯化氨溶液（每升76.41g NH₄Cl）的NH₄-N浓度为20kgN/m3。

·

在正常操作条件下（不包括实验分析），向BAF反应器中注入浓度为100gCOD/m3（相当于40gC/m3）的合成废水和氨氮（NH₄–N）为10gN/m3（即C/N比为4），也用于阿尔伯克基， (2009a).用自来水通过以下比例稀释浓溶液来制备合成废水：2mL/L的缓冲溶液，0.2 mL/L的硫酸镁溶液，0.2mL/L的氯化钙溶液，0.2mL/L 1升氯化铁溶液，0.2毫升/升寡元素溶液，2毫升/升乙酸钠溶液和0.5毫升/升氯化氨溶液。对于实验中提出的表格1 改变进料溶液的组成以获得进水C/N比为2、4、10和20。因此，适当的浓度通过稀释醋酸钠和氯化氨的浓溶液，可以得到COD（或TOC）和NH₄–N的浓度，具体取决于阿尔伯克基(2003).进料溶液保存在储罐中（ISCO FTD 220，意大利）在约4◦C的恒定温度下泵送至BAF反应器通过蠕动泵（ISMATEC MCP CA4，瑞士）。

2.3.实验BAF的操作

BAF反应器的运行涉及两个阶段：研究反洗周期和通气达到稳态条件（阶段I，16天），以及针对不同的氨氮装载率（NLR）进行实验分析（阶段II，102天）和C/N比。该反应器先前在152天内无充气运行。在实验之前，反应器中接种了活性污泥系统中处理城市废水的生物质。在封闭的回路中（1L/h）定居大约15天，并进行不连续喂食。每24小时向反应器中分别添加约38.9 mL和9.7 mL乙酸盐和氨溶液以及一定比例的矿物质溶液，以确保100 g COD/m3和10gNH₄–N/m3（C/N=4）如中所述阿尔伯克基等(2009a). 在第二阶段中，按照C/N比为2、4、10和20进行了四个系列的24小时实验（20个测定），如表格1。

图1.实验BAF的示意图。

在阶段I中，通过运行BAF直至达到稳态，在正常操作条件下（即100g COD/m3和10g NH₄–N/m3）定义了反冲洗周期坏了。选择反洗时间是为了不使稳态条件恶化。每天在五个反应器段中确定压头损失。在稳态条件下，DO，pH，温度的测量进水，P2和出水每两天进行一次性质，TOC，COD和NH₄–N。通过同时注入流速为5L/m2s（asymp;68L/h，asymp;0.4m3空气/m3介质分钟）的向上空气和1L流速的水进行反洗/m2.sec（asymp;14L/h，asymp;0.3m3水/m3介质分钟），持续10分钟。这些条件是根据门多萨-埃斯皮诺萨和斯蒂芬森 (1999), 即空气流速和水流速分别在0.4-0.5m3空气/m3介质分钟的范围内和0.33至0.35m3空气/m3介质分钟的范围内，并且在在研究中观察到的流速范围杨等，(2010)和刘等，(2010),5.3L/m2s至15L/m2s（反冲洗空气流量）和0.18L/ m2s至5L/m2s（反冲洗水流量）。

在第二阶段中，反应器在102天内连续运行，以进行四个系列的实验（总共与稳态条件相比，通过修改有机物负载量和C/N比（20种测定）图2。在实验之间，大约需要4天（达到稳态条件所需的时间，如阿尔伯克基2003), 反应器进料与稳态条件下的进料相同（即100g COD/m3和10g NH₄–N/m3）。在第5天，实验室对于每个实验，修改了实验条件，如下所示表格1。 在每个测定中，测量DO，pH，温度，TOC，COD，NH₄–N，亚硝酸盐氮（NO₂–N），硝酸盐氮（NO₃–N），总悬浮固体（TSS），在改变操作条件（进水，五个采样口和废水）后的12h，16h和20h进行挥发性悬浮固体（VSS）和碱度测试。在第28、48、74和108天，在五个采样端口的每一个中收集了四粒培养基，以便评估整个床层的生物膜厚度变化。偶尔测定TOC可以控制C/N比，而COD分析则用于去除乙酸盐。

曝气速率保持在20L/h。连续或间歇的空气流量在3.5L/h到18L/h之间被认为足以同时去除有机碳和氮。舒尔茨和门宁曼(2008), 常等(2008) 和哈等(2010). 对于这两个阶段，反应器均以1L/h的流速（HLR约为0.26m/h）运行。最近的研究表明，在HLR达到3m/h和空气流量从18L/h到200L/h时，氨去除性能良好（舒尔茨 和门宁曼，2008; 磊等2009; 哈等2010; He等2007) 完全充气的BAF中，氨浓度较高（gt;100g NH₄–N/m3）。水力停留时间（HRT）约为50分钟，该范围为（20分钟至2小时）门多萨-埃斯皮诺萨和斯蒂芬森(1999) 和哈等(2010)用于下流BAF反应器。每天从每个压力计记录静水压力。在实验阶段，BAF反应器中的温度保持恒定在大约20◦C。

表格1

第二阶段实验分析的进水特性。