亞硝化型懸浮填料硝化效果的優(yōu)化篩選

穆德穎

(哈爾濱商業(yè)大學食品工程學院，哈爾濱150076)

隨著城市人口的增加和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，污水排放量也日益增加，我國污水處理廠必定經(jīng)歷由規(guī)模小、水平低、品種單一、嚴重不能滿足需求到具有相當規(guī)模和水平、品種質(zhì)量顯著提高和初步滿足國民經(jīng)濟發(fā)展要求的轉(zhuǎn)變，在這一過程中，處理費用的降低和工藝流程的簡化是最優(yōu)的決策方案[1].以其在節(jié)約運行能源，節(jié)省占地面積，降低基建或改造費用等方面的顯著優(yōu)勢，短程硝化反硝化脫氮工藝引發(fā)了污水處理領域的研究熱點，而利用掛膜后的懸浮載體處理廢水更兼具了傳統(tǒng)活性污泥法，生物接觸氧化法和生物流化床三種工藝優(yōu)點;懸浮生長的活性污泥法和附著生長的生物膜法相結合，形式多變，可直接投放，脫氮效果明顯，發(fā)展空間與潛力大[2－3].

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

反應器所用的材料為無色透明有機玻璃，相當于SBR反應器，總容積為5 L，有效容積為4 L，反應器下方為沉淀區(qū)，并設有曝氣充氧裝置(如圖1所示).

圖1 試驗裝置

1.2 試驗用水

以本實驗室配置的模擬生活污水為試驗用水，由葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀及碳酸氫鈉等物質(zhì)組成主要水質(zhì)指標，微量元素由小劑量的MgS04·7H2O，CaC12·2H2O，F(xiàn)eSO4·2H2O，KCl合成.配水水質(zhì)變化如下:葡萄糖(以COD計)340～420 mg/L，NH4Cl 35 ～55 mg/L，KH2PO45 ～ 8 mg/L，NaHCO3(以 CaCO3計)200 ～300 mg/L[4－5].

1.3 水質(zhì)監(jiān)測分析方法和儀器

參照《水和廢水標準分析方法》(第四版)對試驗中所有的水質(zhì)參數(shù)進行分析檢測，具體的分析項目，方法及使用的主要儀器見表1、2.

表1 水質(zhì)檢測分析方法

表2 使用的主要儀器和設備

1.4 試驗用懸浮填料

填料的性能對試驗結果的影響巨大，對于填料綜合考慮了其機械強度、孔隙度及表面粗糙度和對生物膜活性的影響等因素，共選取以下四種懸浮填料(見圖2)[6].

填料(A)為BioM微生物膜載體，是高分子材料經(jīng)生物酶促進配方改性后的產(chǎn)物，圓形管狀的基體，基體內(nèi)設有分隔板，各分隔板呈交叉分布;基體外表包裹有至少一層具有較好親水性的表層，微生物親和力強，為大量微生物附著生長提供支撐[7].

填料(B)為顆粒陶瓷濾料，呈不規(guī)則球形、表面粗糙，內(nèi)部多孔，質(zhì)量較輕，無毒無害，集過濾、生物吸附和生物氧化為一體.

填料(C)為無剩余污泥懸浮型，該填料由兩個半圓形塑料球體組成，表面鏤空，中間放置有海綿塊.具有比表面積大，流動性強，不堵塞等特點，能有效減少剩余污泥的排放，并延長系統(tǒng)的使用壽命.

填料(D)為ZH生物硝化菌填料，該填料為聚氨酯材料，呈網(wǎng)狀，空襲直徑約為1～2 mm，形狀和規(guī)格靈活多變，適用于污水的脫氮除磷和懸浮生物濾池的硝化菌載體等.

圖2 四種懸浮填料

2 結果與討論

2.1 混合載體不同掛膜方式的比較

試驗采用人工強化法和自然培養(yǎng)法兩種方式.向污水中投加大量營養(yǎng)物質(zhì)，以促進微生物生長繁殖，這種依靠人工調(diào)整達到微生物富集生長，最終形成生物膜的方法為人工強化法;而自然培養(yǎng)法不需要額外投加營養(yǎng)物質(zhì)，反應器在正常的條件下運行，水中的微生物逐漸在填料上成長繁殖并形成生物膜.對比試驗研究在兩個反應器中同時進行，具體方法如下:

初始污泥投加量按照泥水比2∶10的比率投加，質(zhì)量濃度約為3 500 mg/L;填料按照相同比例投加，共占體積的20%.反應器(A)采用自然培養(yǎng)法，在適宜亞硝化菌成長的環(huán)境下運行，且只運行短程硝化階段;配水的投加與污泥培養(yǎng)階段相同;在試驗運行階段不排泥，形成生物膜后將底部活性污泥一次性排出.反應器(B)采用人工強化法，采用高COD，低溶解氧的方式，在COD達1 000 mg/L的條件下連續(xù)曝氣12 h后靜置12 h為一個周期，反復進行3個循環(huán)后，逐漸提高氨氮的質(zhì)量濃度，降低COD的投加量，最終達到與反應器(A)的配水相同.系統(tǒng)各運行階段其他條件不變的情況下，逐步調(diào)整配水，同時根據(jù)在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時延長或縮短好氧時間.載體表面呈黃褐色絮絨狀，經(jīng)顯微鏡觀察形成立體絨毛狀生物膜后，逐步排除底部的活性污泥，歷時5 d.

反應器(A)掛膜成熟共用21d.掛膜成功后，一周內(nèi)體系對水中COD的去除和氨氮的轉(zhuǎn)化情況(如圖3)，此時已將系統(tǒng)內(nèi)絮狀活性污泥一次性排除.

圖3 自然掛膜法對水中COD的去除和氨氮的轉(zhuǎn)化

如圖3所示，在系統(tǒng)活性污泥全部排除的第一天，亞硝酸鹽的累積率仍然維持在原來的水平，但是氨氮的去除率有所下降，僅達80.3%，出水氨氮質(zhì)量濃度為4.6 mg/L.從第二天開始，盡管按照同樣的方式和配水運行，氨氮的入水質(zhì)量濃度卻表現(xiàn)異常，系統(tǒng)中氨氮出水質(zhì)量濃度上升到17.7 mg/L，而氨氮的去除率和亞硝累積率均下降了20%.從第4天起，對入水前的反應器進行淘洗，以排除氨氮入水的異常對系統(tǒng)的影響，方法如下:將靜置一夜的自來水升溫至30℃后，投加到反應器中，經(jīng)過沉降，所有填料全部到反應器底部后排出上清液，每天第一個運行周期前淘洗1次.經(jīng)過淘洗，入水氨氮穩(wěn)定，但氨氮去除和亞硝累積進一步的降低，最終氨氮去除率穩(wěn)定在38% ～42%之間，亞硝的累積率也不足50%.

反應器(B)采用人工強化法，經(jīng)過14 d掛膜成熟.將反應器中全部絮狀活性污泥排除后的一周內(nèi)，系統(tǒng)對水中COD的去除和氨氮的轉(zhuǎn)化情況如圖4所示.

圖4 人工強化法對水中COD的去除和氨氮的轉(zhuǎn)化

利用給混合載體掛膜，從時間上比較，人工強化法有很大的優(yōu)勢，傳統(tǒng)認為填料上的生物膜呈黃褐色，膜厚度分布均勻，且對生物膜和活性污泥來說形成了穩(wěn)定的共存環(huán)境即視為掛膜完成，人工強化法比自然掛膜法少用了7 d時間達到通向的效果.分析原因主要是是人工強化法在試驗啟動階段一高質(zhì)量濃度的有機配水為水中的微生物提供了充分的COD，有利于促進生物體的自身生長;靜置12 h為剛剛增殖出來的微小微生物絮體與載體的接觸創(chuàng)造了最佳的附著環(huán)境，是其迅速附著在載體表面.而在自然掛膜系統(tǒng)中，微生物快速利用水中營養(yǎng)物質(zhì)滿足自身生長之后，直接進入沉淀、排水、靜置階段，使部分微小絮體被排出系統(tǒng)之外，另有部分與相對體積較大的絮體一同沉淀到反應器底部，沒有與懸浮填料充分接觸的條件.與自然掛膜方式比較，在完成的三個循環(huán)(即12 h曝氣+12 h靜置為一個循環(huán))后，人工強化系統(tǒng)中載體表面纖細的絨毛用肉眼就可以觀察到，只是這種絨毛狀物質(zhì)并不能穩(wěn)定在載體表面，當反應器瞬間進水時，絨毛狀物質(zhì)會大量地從載體上脫落下來[7].

對水中COD的去除和亞硝的累積，兩個體系的變化趨勢完全不同.由于采用逐步排泥，人工強化體系中的微生物能夠適應將剩余污泥全部排出的情況，所以，能夠在COD去除率和亞硝累積波動后迅速恢復體系去除有機物的功能，達到較好的亞硝化效果.

2.2 不同懸浮載體掛膜效果的比較

掛膜方式的比較試驗表明，人工掛膜方式以較短的時間是生物膜成功附著在載體上，同時對有機物的去除效果平均達到94.8%.掛膜方式確定后，對4種懸浮載體開展進一步的篩選，主要是比較4種懸浮載體掛膜后的短程硝化效果.掛膜后照片如圖5所示，肉眼可見均勻的生物膜已形成.

圖5 四種填料掛膜后照片

對比四種填料在硝化過程中的氨氮轉(zhuǎn)化情況(圖6).填料(A)為BioM微生物膜載體，高分子材料，具有表面的光滑，但經(jīng)過生物酶促進配方的改性，使從理論上來講不利于生物膜的附著載體成為4種載體中最早完成掛膜階段的.填料(A)掛膜穩(wěn)定后對氨氮的轉(zhuǎn)化率能持續(xù)在81.3%以上，隨著生物膜的老化脫落，轉(zhuǎn)化效率僅為58.8%，出水氨氮高達13.4 mg/L.此填料的特點是微生物群落含量高，處理高質(zhì)量濃度污水效率高、效果好，但是當污染物質(zhì)量濃度較低時，將不利于微生物的生長和繁殖，極大的影響了污水處理效果[8]，這應該是造成后期氨氮轉(zhuǎn)化效率低的原因之一.在掛膜穩(wěn)定初期，填料(B)對氨氮的去除率達到88.9%，出水氨氮保持在5 mg/L以下，但經(jīng)過長期的運行，發(fā)現(xiàn)陶瓷濾料表面附著著一種半透明膠體物質(zhì)，阻礙了載體上生物膜的更新.膠狀物的出現(xiàn)使體系中氨氮的去除率迅速下降，試圖通過適度降低進水氨氮質(zhì)量濃度，多次淘洗等方式緩解，但仍未改變整體變壞的趨勢，最終濾料表面被膠體包圍，整個體系崩潰，并釋放出異味.填料(C)在掛膜階段充分體現(xiàn)了其比表面積大，易掛膜等優(yōu)勢，掛膜完成后，氨氮去除率達到87.8%.經(jīng)過多個周期的運行，球體的流動性變差，將半球分開后發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部的網(wǎng)狀結構全部被生物膜填滿，使得老化的生物膜不能脫落并水排水排除，阻礙了新生物膜的附著生長;同時整個球體的比重增大，流動性也變差.本實驗所使用的填料(D)為人工裁剪裁邊長1 cm的方形，在啟動階段，載體上的生物膜少，比重輕，且方形載體的四角之間經(jīng)常有摩擦，大量載體懸浮在反應器上層，且有相互的黏連.隨著生物膜厚度的增加，生物膜均勻分布于載體內(nèi)部，載體表面光滑，流動性和沉降性都大大改善.由于載體上生物膜分布均勻緊湊，并且網(wǎng)狀的結構為新舊生物膜的更新創(chuàng)造了有利條件，所以填料(D)系統(tǒng)對于氨氮的去除能力逐漸上升，去除率在96.3% ～99.1%之間.

與氨氮的變化趨勢大體相同，在4種載體中，載體(A)的亞硝酸鹽積累最多，最大質(zhì)量濃度達到28.6 mg/L，但是由于填料的自身特點，導致膜的部分脫落，使載體上和體系中的生物量減少，硝化反應受到很大的影響，亞硝積累逐漸減少到11.8 mg/L.掛膜排泥后，載體(B)在短時間內(nèi)，出水亞硝質(zhì)量濃度以最快的速度下降到6.8 mg/L;雖對體系進行了調(diào)整，亞硝累積也有上升的趨勢，見圖7.但是反應器的出水渾濁，呈淡乳白色，并且使體系受到了污染.載體(C)在硝化階段，亞硝的峰值能達到23.7 mg/L，但由于載體體積大，結構封閉等原因，是載體內(nèi)部的生物膜與外界的接觸減小，營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的代謝受阻，最終內(nèi)部生物膜老化死亡;球體表面新生的污泥處理能力有限，過量的負荷使微生物逐步死亡，這個體系去除效果下降.在掛膜完成后的24個周期內(nèi)，載體(D)的亞硝累積表現(xiàn)平穩(wěn)，亞硝質(zhì)量濃度一直維持在19.3～21.5 mg/L之間.

2.3 最優(yōu)載體典型周期的在線監(jiān)測

本實驗的一個重要內(nèi)容就是維持長期穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累.通過對短程硝化階段的在線監(jiān)測，可以利用活性污泥運行中DO，ORP和pH值變化的規(guī)律性來反映出生物硝化反應的進程[9－11].圖8繪制出了DO和pH值隨時間的變化曲線，以及N、P和COD變化曲線.

圖6 四種填料硝化過程中氨氮的轉(zhuǎn)化

在短程硝化過程中，硝化初始階段的凸點和快速下降直至硝化結束的凹點是pH值曲線上出現(xiàn)了2個特征點，而DO曲線的變化分為3個階段，分別為初期的加速下降期、穩(wěn)定期和硝化結束平臺期.從DO和pH值兩者反應參數(shù)之間變化的相關性和特征點出現(xiàn)的時間可以推斷，反應進程中COD的降解和氨氮的轉(zhuǎn)化與DO和pH值的變化有密切的關聯(lián).微生物對有機物和氨氮的吸附階段主要是體系內(nèi)異養(yǎng)微生物對有機物和氨氮的吸附和微生物的呼吸作用，表現(xiàn)為pH值不斷升高;同時異養(yǎng)微生物的消耗使得DO值不斷下降.pH值出現(xiàn)一個凸點后，又開始不斷下降，因為硝化過程本身就是一個產(chǎn)酸過程，部分是由于微生物利用有機物產(chǎn)生一些小分子有機酸釋放到體系中引起的;另外，微生物合成反應產(chǎn)生的微量CO2也會引起體系pH值的小幅下降.

DO值在最初的短時間內(nèi)融入體系中為微生物利用，表現(xiàn)為加速下降期;硝化菌進行硝化反應的速率會隨著氨氮量的減少而不斷降低，所以耗氧速率小于供氧速率，DO產(chǎn)生不斷上升的現(xiàn)象，并基本穩(wěn)定在5.78 ～5.97 mg/L之間;硝化結束時，自養(yǎng)菌利用氨氮過程已經(jīng)結束，不再耗氧，而自養(yǎng)菌、異養(yǎng)菌內(nèi)源呼吸的耗氧率又遠遠小于供氧率，出現(xiàn)平臺點此時系統(tǒng)不再消耗溶解氧，測得體系氨氮質(zhì)量濃度達到最低點.

3 結論

1)將四種不同特性的懸浮載體在自然掛膜和人工強化兩種方法下進行掛膜比較試驗，人工強化法以掛膜時間短，生物膜穩(wěn)定性等優(yōu)勢成為載體硝化效果優(yōu)化篩選的運行方式.

2)對四種具有不同特性的懸浮載體的對比試驗，從中選擇出最優(yōu)的ZH新型高效生物硝化菌填料作為今后試驗的最終選擇;同時四種填料中確定ZH新型高效生物硝化菌填料為最優(yōu).

3)通過在線監(jiān)測DO、ORP和pH值，利用其變化的規(guī)律性有效控制SBR反應器短程硝化反應進程，維持懸浮填料系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時獲得較高的亞硝積累.

[1] 王亞宜，李探微，韋 甦，等.序批式生物膜技術(SBBR)的應用及其發(fā)展[J].浙江工業(yè)大學學報，2006，34(2):213－219.

[2] 高艷玲，徐春生，張旭紅，等.一體式懸浮載體生物流化床啤酒廢水處理研究[J].環(huán)境工程學報，2010，4(10):71－75.

[3] 李芙蓉，董 有，宋玨容.懸浮載體 SBR工藝處理生活污水的試驗研究[J].武漢工業(yè)學院學報，2010，29(1):38－41.

[4] SATOSHI T，TAKASHI O，KOICHI S，et al.Simultaneous nitrogen and phosphorus removal using denitrifying phosphate－accumulating organisms in a sequencing batch reactor[J].Biochemical Engineering Journal，2006，27:191 －196.

[5] ZHANG Z J，ZHU J，KING J，et al.A two － step fed SBR for treating swine manure[J].Process Biochemistry，2006，41:892－900.

[6] 霍保全，景長勇，劉旭東.懸浮載體流化床處理生活污水的研究[J].中國給水排水，2009，25(21):75－77.

[7] DOWNING L S，NERENBERG R.Effect of bulk liquid BOD concentration on activity and microbial community structure of a nitrifying membrane－aerated biofilm[J].Environment Biotechnology，2008，81(1):153 －162.

[8] 黃 超.污水處理生物懸浮填料[P].中國專利:CN202007157U，2011－10－12.

[9] 高大文，彭永臻，王淑瑩.不同方式實現(xiàn)短程硝化反硝化生物脫氮工藝的比較[J].中國環(huán)境科學，2004，24:618 －622.

[10] 郭海娟，馬 放，沈耀良.DO和 pH值在短程硝化中的作用[J].環(huán)境污染治理技術與設備，2006，7(1):37 －40.

[11] 任芝軍，馬桂林，宮林林，等.預氧化對生物活性炭工藝中硝化細菌的影響[J].哈爾濱商業(yè)大學學報:自然科學版，2012，28(4):407－410.