生物膜法及脫氮理論介紹

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都，610065)

1 我國(guó)水污染現(xiàn)狀

水是社會(huì)發(fā)展的一種可循環(huán)利用、價(jià)廉易得的重要資源，由于社會(huì)發(fā)展造成的水資源不合理開(kāi)發(fā)利用嚴(yán)重?fù)p害了水環(huán)境質(zhì)量，也會(huì)影響人類(lèi)的健康，因此有必要采取一些措施保護(hù)水資源。

2 生物膜法

生物膜法包括生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤(pán)(RBC)、BAF、生物接觸氧化法等一系列微生物附著生長(zhǎng)系統(tǒng)的污水處理工藝。生物膜法因其具有耐沖擊、負(fù)荷能力強(qiáng)、運(yùn)行管理方便、剩余污泥量少、污染物去除效果好等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

2.1 生物轉(zhuǎn)盤(pán)技術(shù)

生物轉(zhuǎn)盤(pán)技術(shù)(RBC)是以生物濾池為基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其污染物去除原理與生物濾池基本相同。生物轉(zhuǎn)盤(pán)構(gòu)造簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)和操作容易、啟動(dòng)時(shí)間短。但是生物轉(zhuǎn)盤(pán)法也有一些劣勢(shì)，如處理能力有限，難以用于處理水量較大的污水處理工程、進(jìn)水需要進(jìn)行預(yù)處理、流程靈活性有限等[1]。

生物轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖1，主要包括轉(zhuǎn)軸及驅(qū)動(dòng)裝置、半圓接觸反應(yīng)槽、盤(pán)片三大部分，由驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸和盤(pán)片旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中盤(pán)片與空氣和污水交替接觸。生物轉(zhuǎn)盤(pán)技術(shù)的處理效果主要受以下幾個(gè)因素影響：

圖1 生物轉(zhuǎn)盤(pán)示意圖

2.1.1 盤(pán)片材料

作為生物膜生長(zhǎng)的基體，盤(pán)片對(duì)污水的處理效果影響巨大。而盤(pán)片價(jià)格和重量對(duì)生物轉(zhuǎn)盤(pán)處理系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行成本也會(huì)造成重要的影響。

生物轉(zhuǎn)盤(pán)盤(pán)片可以為片狀、網(wǎng)格板狀、馬鞍或者環(huán)狀[2]。目前常用的盤(pán)片材料有聚乙烯塑料、玻璃鋼等。研究表明[3]，活性炭材料的盤(pán)片對(duì)污染物的去除效果明顯優(yōu)于石英砂材料和聚丙烯材料。Apilanezl對(duì)比研究了幾種不同粗糙度的盤(pán)片，結(jié)果表明表面粗糙度高的盤(pán)片對(duì)生物膜生長(zhǎng)有利[4]。開(kāi)發(fā)易掛膜、質(zhì)輕、便宜易得、有效面積大的盤(pán)片是生物轉(zhuǎn)盤(pán)的研究重點(diǎn)。

2.1.2 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速是影響基質(zhì)和氧在生物膜中傳質(zhì)效果及污染物去除效果的重要因素。一般而言，增加轉(zhuǎn)速可以增加溶解氧供生物膜利用，促進(jìn)生物膜對(duì)底物的降解[5]。但是，另一方面，增加轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致電力消耗增大，這對(duì)污水處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不經(jīng)濟(jì)的；增大轉(zhuǎn)速也會(huì)增加生物膜與污水間的剪切力，造成生物膜的不正常脫落，降低生物轉(zhuǎn)盤(pán)的處理效果[6]。因此，尋找合理的轉(zhuǎn)速對(duì)生物轉(zhuǎn)盤(pán)至關(guān)重要。

2.1.3 浸沒(méi)比

轉(zhuǎn)盤(pán)浸沒(méi)比指水下部分的盤(pán)片面積占盤(pán)片面積的比例。浸沒(méi)比越低，轉(zhuǎn)盤(pán)上生物膜與空氣的接觸面積越大，曝氣效果越好；反之則越少。值得注意的是降低浸沒(méi)比也會(huì)降低轉(zhuǎn)盤(pán)單位面積有機(jī)負(fù)荷，削弱處理效果。因此，需要尋找合適的浸沒(méi)比，使得生物轉(zhuǎn)盤(pán)可在較大的浸沒(méi)比、較小的能耗條件下獲得較好的處理效果。普通的好氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)浸沒(méi)百分比一般在50%以下，這是由于需要轉(zhuǎn)盤(pán)曝氣。

2.1.4 水力停留時(shí)間(HRT)

HRT是影響污水處理效果和工程建設(shè)投資的重要因素。HRT反應(yīng)了底物和生物膜之間的接觸時(shí)間，因此HRT的長(zhǎng)短直接影響污水處理效果。一般而言，提高HRT會(huì)增大污水處理效果。但是過(guò)長(zhǎng)的HRT會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)處理能力下降，增加系統(tǒng)工程投資。Lu C S[7]的研究表明HRT在16 h～32 h之間時(shí)，COD去除率可達(dá)到90%，而HRT大于32 h時(shí)COD去除效果則會(huì)明顯下降。

2.1.5 有機(jī)負(fù)荷

有機(jī)負(fù)荷與進(jìn)水流量和濃度有關(guān)。研究顯示，對(duì)于生物轉(zhuǎn)盤(pán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，底物去除率隨有機(jī)負(fù)荷增加而增加，但是去除速率隨有機(jī)負(fù)荷增加而減少[8]。底物去除效率下降可能溶解氧是其限制因素。研究表明[9]，單個(gè)生物轉(zhuǎn)盤(pán)單元在表面有機(jī)負(fù)荷為32 g BOD5/m2時(shí)溶解氧成為降解的限制因素，過(guò)高的有機(jī)負(fù)荷會(huì)造成貝氏硫細(xì)菌大量生長(zhǎng)，對(duì)生物膜造成破壞。

2.2 移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器

1990年挪威的一家公司研發(fā)了一種生物膜反應(yīng)器，而后經(jīng)過(guò)眾多研究人員和學(xué)者不斷改進(jìn)，最終形成了移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)。MBBR反應(yīng)器作為一種新技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)有內(nèi)部填料尺寸小比表面積大，可強(qiáng)化處理能力、污泥停留時(shí)間長(zhǎng)，反應(yīng)器中生物量巨大、反應(yīng)器穩(wěn)定性強(qiáng)、水頭損失小、不需要反沖洗、剩余污泥量小等[10]。在MBBR反應(yīng)器中填充懸浮填料，通過(guò)機(jī)械或者氣流攪拌使填料在反應(yīng)器中呈流化態(tài)，生物膜附著于填料上同填料一起進(jìn)行流態(tài)化運(yùn)動(dòng)，利用污水中基質(zhì)和空氣降解污染物[11]。

懸浮填料是MBBR反應(yīng)器污水處理效果的重要影響因素。目前填料可分為4種：(1)固定式填料；(2)懸掛式填料；(3)分散式填料；(4)新型填料如BioM填料、KP-珠填料等。

MBBR懸浮填料應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

(1)填料應(yīng)質(zhì)輕，密度接近于水的密度，經(jīng)過(guò)曝氣作用和水力作用即可流態(tài)化。

(2)填料利于掛膜啟動(dòng)，表面親水性較好，具備較大的比表面積，較大的孔隙率。

(3)填料應(yīng)有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，且無(wú)毒害作用。

(4)填料應(yīng)有利于形成氣相、液相高湍流程度，確保氣液固三項(xiàng)之間的傳質(zhì)性能良好。

(5)填料價(jià)格應(yīng)便宜易得，便于運(yùn)輸和安裝。

3 生物脫氮原理

3.1 脫氮基本原理

污水處理中的脫氮即是指生物脫氮。通過(guò)微生物的生化作用，實(shí)現(xiàn)污水中有機(jī)氮和氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻?/p>

脫氮第一階段為硝化作用。首先由硝化細(xì)菌將氨氮(NH4+-N)氧化成亞硝酸鹽氮(NO2--N)，然后進(jìn)一步氧化為硝酸鹽氮(NO3--N)。

硝化菌屬于化能自養(yǎng)菌，發(fā)生反應(yīng)的能量通過(guò)氧化氨氮或亞硝酸鹽氮獲得，硝化菌作為好氧菌，以氧作為電子受體，利用的碳源多為溶解的CO2或CO32-，需要消耗堿度，因此硝化反應(yīng)的發(fā)生需要控制低COD及偏堿性的反應(yīng)環(huán)境[12]。

第二階段為反硝化作用。反硝化作用是指反硝化細(xì)菌以硝化階段產(chǎn)生的硝酸鹽氮(NO3--N)或亞硝酸鹽氮(NO2--N)作為電子受體，將其還原為N2或N2O的過(guò)程。

大部分反硝化細(xì)菌屬于化能異養(yǎng)菌，需要在缺氧狀態(tài)下，利用污水中的碳源進(jìn)行反硝化作用。

3.2 新型脫氮理論

3.2.1 同步硝化反硝化理論(SND)

SND是指生物脫氮兩個(gè)階段在同樣環(huán)境條件，同一反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行[13]，SND可減少污水處理設(shè)備的基建投資或者減小污水處理設(shè)備的體積。

SND理論主要有以下幾個(gè)：

3.2.1.1 宏觀環(huán)境理論

宏觀環(huán)境理論認(rèn)為在采用點(diǎn)源曝氣的好氧污水處理系統(tǒng)中，雖然整體上呈好氧狀態(tài)，但是由于其曝氣始終存在不均勻性和曝氣死角，因此會(huì)出現(xiàn)一些局部環(huán)境缺氧的狀態(tài)[14]。在規(guī)模較大的好氧反應(yīng)器中，實(shí)際條件下理想的完全混合狀態(tài)是不存在的，這種局部缺氧的環(huán)境就為SND提供了環(huán)境條件。

3.2.1.2 微環(huán)境理論[15]

微環(huán)境理論認(rèn)為微生物個(gè)體在量級(jí)上屬于微米級(jí)別，其個(gè)體微小因此影響微生物進(jìn)行脫氮作用的因素十分廣泛，且這些因素發(fā)生微小的改變就會(huì)對(duì)微生物造成影響。除微生物所處環(huán)境不同外，微生物自身的代謝也存在不同，基質(zhì)分布和物質(zhì)代謝都可能不一樣，因此，宏觀的活性污泥或生物膜中可能存在著多種微環(huán)境。不同的微環(huán)境條件則為不同代謝種類(lèi)的微生物提供了相應(yīng)的活動(dòng)場(chǎng)所，這就為SND提供了條件。在生物膜污水處理系統(tǒng)中，整體為好氧狀態(tài)時(shí)，由于生物膜在縱向上存在溶解氧濃度梯度，生物膜表面溶氧充足，而內(nèi)部則為缺氧狀態(tài)，生物膜這種好氧缺氧狀態(tài)分層的現(xiàn)象就導(dǎo)致了SND的發(fā)生。

3.2.1.3 異養(yǎng)硝化和好氧反硝化菌的作用理論[16]

從生物學(xué)角度出發(fā)，生物處理系統(tǒng)中存在異養(yǎng)硝化菌和好氧反硝化菌。異養(yǎng)硝化菌與自養(yǎng)硝化菌，好氧反硝化菌與異養(yǎng)厭氧反硝化菌代謝和營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型不同。異養(yǎng)硝化菌可在低DO條件下進(jìn)行硝化反應(yīng)；好氧反硝化菌則可在較高的DO條件下進(jìn)行反硝化作用。近年生物學(xué)方面的研究顯示許多異養(yǎng)硝化細(xì)菌可以在一定的條件下進(jìn)行好氧反硝化作用。Patureau[17]等人發(fā)現(xiàn)在溶解氧4.5 mg/L為好氧反硝化菌株Microvirgula aerodenification的溶解氧閾值，DO低于4.5 mg/L時(shí)該菌株反硝化活性大大提升。

3.2.2 短程硝化反硝化理論[18]

短程硝化反硝化技術(shù)是將硝化過(guò)程控制在亞硝酸鹽階段，反硝化作用利用亞硝酸鹽氮進(jìn)行脫氮的過(guò)程。SHARON工藝為典型的短程硝化反硝化工藝。短程硝化反硝化理論相較于傳統(tǒng)脫氮理論減少了硝化反應(yīng)中亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽和反硝化反應(yīng)中硝酸鹽還原成亞硝酸鹽兩個(gè)過(guò)程，其具有以下優(yōu)點(diǎn)[19]：

(1)可節(jié)省約25%的供氧量。

(2)可節(jié)約40%的碳源。

(3)在碳氮比一定時(shí)可以提高TN的去除率。

(4)反硝化速率較大，約為硝酸鹽反硝化反應(yīng)速率的2倍。

(5)污泥減量化。

(6)縮短反應(yīng)時(shí)間，使反應(yīng)器容積大大減小。

3.2.3 厭氧氨氧化理論

在厭氧條件下，厭氧氨氧化菌以氨氮為電子供體，以亞硝酸鹽氮或硝酸鹽氮為電子受體將氨氮和亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈁20]。與傳統(tǒng)的硝化/反硝化脫氮相比，厭氧氨氧化法不僅不必額外添加碳源，還可以節(jié)約大約50%的耗氧量，同時(shí)幾乎能減少100%的二氧化碳排放量。因此，厭氧氨氧化法是一種非常具有前景的污水處理方法。

其反應(yīng)式為[21]：

△G= -297kJ/mol NH4+

△G=-358kJ/mol NH4+

4 總結(jié)

生物膜法比起傳統(tǒng)的活性污泥法在脫氮方面的確具有優(yōu)勢(shì)，而越來(lái)越多的種類(lèi)豐富的盤(pán)片和填料的研發(fā)也進(jìn)一步提高了處理效果，但跟理想的脫氮效果還有一段距離，如何保證生物膜的厚度，維持厭氧層的存在，使其不在運(yùn)行過(guò)程中被削薄同時(shí)保證處理效果是生物膜法的一個(gè)難點(diǎn)。而結(jié)合新型脫氮理論則是一個(gè)很好的研究方向，減少中間步驟，降低能耗，同時(shí)還能達(dá)到脫氮目的。