一種反硝化生物濾池的掛膜實(shí)驗
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作者：張毅
許多污水處理廠僅采用推流曝氣的方式脫除氨氮已不滿足現(xiàn)實(shí)的要求，尋求合理的脫總氮工藝成為研究的主要目標(biāo)。在眾多的工藝中，反硝化濾池因其生物含量高、反應(yīng)速率快、抗沖擊能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，成為升級改造脫氮的首選工藝。
反硝化生物濾池主要是通過附著在填料上的生物膜對污染物質(zhì)的氧化分解作用以及填料和生物膜對懸浮雜質(zhì)的吸附截留作用來進(jìn)行脫氮的，因此生物膜的數(shù)量及活性是影響反應(yīng)效率的關(guān)鍵因素，而填料的掛膜過程直接影響著生物膜的質(zhì)量。
本文中利用污水處理廠二級出水進(jìn)行了反硝化生物濾池掛膜過程的實(shí)驗研究，對掛膜過程中COD、總氮及硝酸鹽氮的變化過程進(jìn)行了分析研究，并由此判定生物膜掛膜是否完成，以期對反硝化生物濾池的掛膜提供理論依據(jù)。
1 實(shí)驗概況
1.1 實(shí)驗裝置
實(shí)驗采用0.8 m x0.4 mx0.4 m長方體的有機(jī)玻璃作為濾池主體，實(shí)驗裝置如圖1所示。裝置底部設(shè)有曝氣管及曝氣頭，裝置底部靠近曝氣頭處的濾料采用粒徑5~ 10 mm的陶粒，上部采用化學(xué)穩(wěn)定性好且親水性強(qiáng)的火山巖，粒徑為3~5 mm，填料位于裝置主體的中部，尺寸約0.6 m x0.2 mx0.2 m。裝置由左端上部進(jìn)水口進(jìn)水，右端下部出水口出水，同時出水口兼作反沖洗時的進(jìn)水口，左端下部設(shè)有反沖洗排水口。根據(jù)資料研究，裝置濾料內(nèi)的水頭損失主要集中在靠近進(jìn)水口的底部濾層，所以在裝置填料的左端下部設(shè)置測壓管，設(shè)計水頭為70 k Pa，當(dāng)水頭損失到達(dá)設(shè)計水頭時進(jìn)行反沖洗。
1.2 實(shí)驗用水及實(shí)驗過程
實(shí)驗用水水質(zhì)如表1所示。
實(shí)驗進(jìn)水水量采用逐漸提高流量的方式，由于二級出水的COD多為生化性較差的難降解有機(jī)物，所以在掛膜階段向裝置內(nèi)投加乙酸鈉作為碳源，碳源的投加量也采用逐漸提高的方式，實(shí)驗共進(jìn)行5周(35 d)，溫度在20~25℃，具體實(shí)驗過程如表2所示。實(shí)驗進(jìn)行2周時間，裝置左端靠近進(jìn)水端的火山巖及陶粒填料可觀察到有灰褐色的生物膜出現(xiàn)，裝置右端的填料顏色開始變深，第4周開始停止曝氣，裝置右端也出現(xiàn)灰褐色的生物膜，濾料上有少量氣泡冒出，第5周內(nèi)氣泡數(shù)量逐漸增多，肉眼觀測生物膜分布較均勻。
2 實(shí)驗結(jié)果與分析
2.1 掛膜期間COD的變化
由圖2可看出，第1周內(nèi)COD的去除率還不到50%，主要是因為裝置內(nèi)的微生物數(shù)量太少，生物膜對污染物質(zhì)的氧化分解作用微弱，碳源的利用率很低，COD的減少主要靠填料的吸附截留作用，此時處于微生物生長的適應(yīng)階段；從第2周開始，COD的去除率開始穩(wěn)步增長，到第4周逐步穩(wěn)定在60%以上，此階段是微生物迅速生長的時期，碳源利用率逐漸提高；第5周內(nèi)，碳源投加量繼續(xù)增大，進(jìn)水流量繼續(xù)提高，COD的去除率仍穩(wěn)定在60%～70%，說明此時微生物的數(shù)量已逐步穩(wěn)定，微生物生長處于穩(wěn)定期�？傮w來看，COD的去除率隨著進(jìn)水COD濃度的增大而逐步提高，最后趨于穩(wěn)定，出水COD質(zhì)量濃度保持在40 mg/L以下，滿足排放要求。
2.2掛膜期間NO3 -N的變化
反硝化過程是反硝化菌同化作用與異化作用共同作用的結(jié)果，其中異化作用占主導(dǎo)地位，即反硝化菌將NO3-N依次還原為NO2 -N和氮?dú)�，這些反應(yīng)都是在酶的作用下完成的。圖3所示為掛膜期間NO3-N的變化，反應(yīng)初期NO3-N的去除率幾乎為0，一方面是由于微生物的量少，另一方面主要是因為開始階段V（氣）/V(進(jìn)水)的比例大，曝氣量大，水中的溶解氧濃度高，溶解氧會抑制硝酸鹽還原酶的合成，同時溶解氧優(yōu)先于硝酸根離子作為電子受體，進(jìn)一步抑制了硝酸鹽氮的還原反應(yīng)；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，V（氣）/V(進(jìn)水)的比例逐漸縮小，NO3-N的去除率逐漸提高，特別是在第3周有很大的飛躍，當(dāng)停止曝氣時，NO3 -N的去除率逐漸趨于穩(wěn)定，保持在65%以上，在一定程度上可以判定生物膜掛膜過程已完成。
2.3掛膜期間NO2 -N的變化
圖4所示為掛膜期間NO2-N的變化，前2周內(nèi)去除率只有50%左右，在第3周出水NO2 -N濃度增大，出現(xiàn)NO2-N鹽的積累，據(jù)資料分析，亞硝酸鹽的還原酶比硝酸鹽的還原酶容易受到外界環(huán)境，如碳源等的影響。所以當(dāng)裝置內(nèi)的碳源增加時，亞硝酸鹽的還原酶受到抑制而硝酸鹽還原酶不受抑制，NO3-N迅速還原為NO2 -N，消耗掉大量的碳源，而碳源的不足又抑制了亞硝酸鹽還原酶的合成，導(dǎo)致亞NO2 -N不能進(jìn)一步還原為氮?dú)�，所以此階段NO2 -N的去除率降低，出現(xiàn)NO2 -N積累現(xiàn)象。胡和平等在進(jìn)行生物滴濾池反硝化脫氮試驗研究過程中也觀察到類似的現(xiàn)象。在第4、5周內(nèi)，硝酸鹽氮的還原趨于穩(wěn)定，亞硝酸鹽氮的還原也趨于穩(wěn)定，NO2-N的去除率穩(wěn)定在80%以上，由此也可以判斷出微生物的掛膜趨于完成。
2.4掛膜期間TN的變化
圖5所示為掛膜期間TN的變化，由于二級出水的氨氮含量很低，所以總氮主要反映硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。由圖5可以看出，隨著碳源的不斷增加，進(jìn)水流量的不斷提高，微生物生長速度逐漸提高，微生物量逐漸增大，總氮的去除率也逐漸增大，在第5周系統(tǒng)水力負(fù)荷最大時，TN去除率較高且保持穩(wěn)定，說明此時生物膜的掛膜已完成且膜的活性較高，出水總氮小于20 mg/L，滿足排放要求。
3結(jié)論
(1)針對二級出水COD較難降解的情況，采用逐增添加碳源且逐漸提高進(jìn)水流量的方式進(jìn)行掛膜，膜的活性較高，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
(2)較高的氣水比，即較高的溶解氧會抑制硝酸鹽還原酶的合成，所以反硝化反應(yīng)應(yīng)該在缺氧的環(huán)境下進(jìn)行；乙酸鈉為碳源時，碳源不足容易造成亞硝酸鹽氮的積累。
(3)反硝化生物濾池采用陶粒和火山巖作為濾料，微生物的掛膜較快，膜的活性好，穩(wěn)定運(yùn)行期，進(jìn)水TN 75~ 85 mg/L，出水TN穩(wěn)定在20 mg/L以下，裝置的效率較高。
4摘要：利用污水處理廠二級出水對反硝化生物濾池進(jìn)行掛膜實(shí)驗研究，采用逐增投加碳源和逐漸提高進(jìn)水流量的方式進(jìn)行自然掛膜，對掛膜過程中COD、總氮及硝酸鹽氮的變化情況進(jìn)行了全過程的考察研究，找到了判定生物膜掛膜成功的標(biāo)志，實(shí)驗穩(wěn)定運(yùn)行期，進(jìn)水TN 75~ 85 mg/L,出水TN穩(wěn)定在20 mg/L以下，滿足排放要求。
