邱立平，馬軍
( 哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱　150090)

　　摘　要： 通過(guò)小試研究了曝氣生物濾池實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化的效能和機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，曝氣生物濾池在濾速為1～2m/h、氣水比為3∶1、水溫為21～26.5℃、進(jìn)水COD負(fù)荷為1.18～5.57kg/(m³·d)、NH₃-N負(fù)荷為0.26～0.62kg/(m³·d)、TN負(fù)荷為0.28～0.63kg/(m³·d)的條件下可以取得良好的去除有機(jī)物和脫氮效果。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器中出現(xiàn)了明顯的NO₂-積累現(xiàn)象，并表現(xiàn)出顯著的短程硝化反硝化特征，進(jìn)行機(jī)理分析后認(rèn)為曝氣生物濾池的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行方式是其能夠進(jìn)行短程硝化反硝化的主要原因。
　　關(guān)鍵詞：曝氣生物濾池；NO₂-積累；短程硝化反硝化
　　中圖分類號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)11-0001-04

Study on the Mechanism of shortcut Nitrification-Denitrification in Aerated Biofilter
QIU Li-ping,MA Jun
(School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin University of Technology,?Harbin 150090,China)

　　Abstract：Study was made on the efficiency and mechanism of shortcut nitrification-denitri fication in aerated biofilter.The test result showed that good effect of organic and nitrogen removal can be achieved at filtration rate of 1～2m/h,air/water ratio of 3∶1,water temperature of 21～26.5℃,influent COD loading of 1.18～5.57kg/(m³·d),NH₃-N loading of 0.26～0.62kg/(m³·d),TN loading of 0.28～0.63kg/(m³·d). Furthermore, the obvious NO₂-accumulation and shortcut nitrification-denitrification were found in the biofilter.After analysis of mechanism,it was believed that the structural feature and operational mode were the principal causes for the shortcut nitrification-denitrification occurring in the biofilter.?
　　Keywords: aerated biofilter;NO₂- accumulation;shortcut nitrification-denitrificati on

　　曝氣生物濾池是一種新型污水生物處理技術(shù)，具有占地面積小、處理效率高、能耗較低等特點(diǎn),可進(jìn)行模塊化應(yīng)用，在對(duì)有機(jī)物、SS和氮的去除等方面具有良好的效果^[1]。?

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置
　　模型曝氣生物濾池由有機(jī)玻璃加工而成，尺寸為50mm×80mm×2000mm，底部為100mm高的礫石承托層，填料選用粒徑為3～5mm的陶粒，填充高度為1600mm。承托層以上每隔150mm設(shè)一個(gè)取樣口，共設(shè)9個(gè)。進(jìn)氣口位于距底部400mm處，壓縮空氣經(jīng)曝氣擴(kuò)散器進(jìn)入反應(yīng)器。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

1.2 試驗(yàn)方法?
　　原水由淀粉、蛋白胨、牛肉膏、NH₄Cl、KH₂PO₄、CaCl₂·H₂O、MgSO₄·7H₂O、FeSO₄·7H₂O、食用堿等按一定比例配制而成，其COD為86.61～424.6mg/L、NH₃-N為34.3～44.38mg/L、TN為41.26～46.16mg/L、NO₃^--N為0～0.82mg/L、NO₂^--N為0～0.32mg/L、pH值為5.8～8.18、BOD₅為56.31～236.45mg/L，TP為4～6mg/L。
　　采用下向流進(jìn)水，氣水逆向流。反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)投加一定量的消化污泥作為種泥，悶曝3d后改為連續(xù)流進(jìn)水，系統(tǒng)運(yùn)行15d后對(duì)COD和NH₃-N的去除率分別達(dá)到75%和60%，至此標(biāo)志掛膜成功，試驗(yàn)分別在1、2m/h的濾速下進(jìn)行，氣水比為3∶1，水溫為21～26.5℃，定時(shí)測(cè)定反應(yīng)器進(jìn)、出水及曝氣處水樣的COD、NH₃-N、TN、NO₃^--N、NO₂^--N、pH值、溶解氧以考察反應(yīng)器去除有機(jī)物和硝化反硝化的效能及反應(yīng)器內(nèi)含氮化合物的空間變化特點(diǎn)。分析項(xiàng)目均按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。采用氣水聯(lián)合反沖洗方式，按運(yùn)行時(shí)的水頭損失和處理效果確定沖洗強(qiáng)度及頻率，周期一般為24～48h。

2　結(jié)果及分析

2.1 處理效果
　　①NH₃-N
　　曝氣生物濾池對(duì)NH₃-N的去除效果見(jiàn)圖2。

　　由圖2可知，在進(jìn)水COD負(fù)荷為1.18～5.57kg/(m³·d)、NH₃-N負(fù)荷為0.26～0.63kg/(m³·d)時(shí)，曝氣生物濾池出水的氨氮含量＜3～16mg/L，對(duì)NH₃-N的平均去除率為81.4%。濾速為1、2m/h時(shí)反應(yīng)器對(duì)NH₃-N的去除率沒(méi)有明顯變化，其中在運(yùn)行的第17天由于改變?yōu)V速而引起處理效率下降，但是很快在一個(gè)過(guò)濾周期內(nèi)即恢復(fù)到原有水平，這說(shuō)明在一定的負(fù)荷條件下濾速對(duì)硝化的效率影響較小，但在較高濾速下的出水水質(zhì)相對(duì)更穩(wěn)定一些。
　　②TN
　　試驗(yàn)期間系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果見(jiàn)圖3。

　　圖3系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果由圖3可知，在進(jìn)水TN負(fù)荷為0.28～0.63kg/(m³·d)、濾速為1～2m/h的條件下，曝氣生物濾池對(duì)TN的去除率可達(dá)60%左右，出水TN為12.33～19.46mg/L。提高濾速對(duì)TN去除率有一定的影響，其原因可能是提高濾速則相應(yīng)地增加了曝氣量，從而抑制了反硝化細(xì)菌的活性。
　　③COD
　　試驗(yàn)表明，曝氣生物濾池對(duì)COD的平均去除率為79.53%，最高可達(dá)90%以上。個(gè)別水樣的COD去除率有些下降，可能是進(jìn)水COD較低的原因，而出水COD大多在50mg/L以下(最低為15.87mg/L)，說(shuō)明反應(yīng)器對(duì)COD的去除效果相當(dāng)穩(wěn)定，而濾速在1～2m/h內(nèi)變化對(duì)COD的處理效果沒(méi)有影響。
　　④NO₂-和NO₃-含量的變化
　　曝氣處的NO₂-和NO₃-含量的變化見(jiàn)圖4。

　　圖4曝氣處的NO₂-和NO₃-含量的變化
　　由圖4可知，曝氣處的NO₂-含量顯著高于NO₃-含量，說(shuō)明在反應(yīng)器內(nèi)部發(fā)生了NO₂-的積累，而同期NH₃-N的減少量卻明顯地高于NO₂-和NO₂-生成量之和，說(shuō)明這一過(guò)程中發(fā)生了反硝化作用。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，提高濾速會(huì)加快水頭損失的增加速度，相應(yīng)地增加反沖洗次數(shù)，而濾速為2m/h時(shí)的NO₂-積累現(xiàn)象比濾速為1m/h時(shí)更加明顯，說(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)的NO₂-積累與反沖洗有關(guān)。
　　試驗(yàn)表明，出水的NO₃-含量幾乎為零，NO₂-含量在10mg/L左右(明顯高于NO₃-含量)，其與圖4的結(jié)果相比，NO₂-含量減少了約5～20mg/L，可以推測(cè)減少的NO₂-主要經(jīng)反硝化作用去除。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，曝氣生物濾池在氨氧化過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的NO₂-積累現(xiàn)象，而出水中NO₂-的減少并未帶來(lái)NO₃-的增加，說(shuō)明對(duì)TN的去除主要是通過(guò)將NH₃-N氧化成NO₂-，進(jìn)而由反硝化細(xì)菌將NO₂-直接反硝化形成N₂逸出的短程硝化反硝化途徑進(jìn)行的。
2.2 結(jié)果分析
　　根據(jù)傳統(tǒng)生物脫氮理論，硝化過(guò)程的產(chǎn)物主要是NO₃^--N，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)NO₂-的積累，但試驗(yàn)中對(duì)反應(yīng)器內(nèi)NO₂-和NO₃-含量的測(cè)定結(jié)果表明，單級(jí)曝氣生物濾池不僅在去除有機(jī)物的同時(shí)具有較好的脫氮能力，而且其機(jī)理不同于傳統(tǒng)硝化反硝化理論，此時(shí)氨氧化的產(chǎn)物主要是NO₂^--N，出水中NO₂^--N降低而NO₃^--N未見(jiàn)增加，說(shuō)明大部分NO₂-并沒(méi)有進(jìn)一步被氧化為NO₃-，而是被直接反硝化去除，表現(xiàn)出明顯的短程硝化反硝化特征。

3　短程硝化反硝化

　　①含氮化合物的空間變化
　　試驗(yàn)期間對(duì)曝氣生物濾池內(nèi)各種不同含氮化合物含量沿水流方向的空間變化進(jìn)行了研究，采樣時(shí)間為反沖洗后6h、水溫為22℃、氣水比為3∶1，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

　　由圖5可知，NH₃-N的減少與NO₂-的增加表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，但在數(shù)量上卻沒(méi)有表現(xiàn)出穩(wěn)定的同步變化，與此同時(shí)的NO₃-含量幾乎沒(méi)有變化(數(shù)量低且變化趨勢(shì)平穩(wěn))。從進(jìn)水到0.7m深的濾層處NH₃-N的減少量稍高于NO₂-和NO₃-的生成量，隨后NH₃-N量急劇下降，而NO₂-的增幅卻明顯低于NH₃-N減少量；到1m深的濾層處及往后的變化比較平穩(wěn)，而NO₂-的含量在1～1.3m深的濾層處也達(dá)到了最大值，隨后表現(xiàn)出與NH₃-N降低相一致的變化趨勢(shì)。由圖5可以得出兩點(diǎn)結(jié)論：a.曝氣生物濾池對(duì)NH₃-N的去除主要集中于0.7～1m深的濾層處，另外在0.4～0.7m深的濾層和1.3m深的濾層以上也有一定的去除；b.NH₃-N被氧化的主要產(chǎn)物是NO₂^--N，但NO₂^--N并沒(méi)有進(jìn)一步被氧化為NO₃^--N，而是直接被反硝化去除。在曝氣處(1.3m深的濾層處)附近區(qū)域出現(xiàn)明顯的NO₂-積累現(xiàn)象，但在反應(yīng)器的最下段又急劇下降，說(shuō)明該區(qū)域氨氧化過(guò)程比較活躍，而NO₂-氧化和反硝化能力較低主要是受曝氣作用所帶來(lái)的溶解氧濃度和紊流強(qiáng)度變化的影響。?
　　②短程硝化反硝化機(jī)理?
　　近來(lái)的研究表明^[2、3]，在一定條件下生物反應(yīng)器可以進(jìn)行短程硝化反硝化脫氮，即控制硝化過(guò)程至產(chǎn)生NO₂-階段，然后再由NO₂-直接還原為N₂逸出，或在厭氧或缺氧條件下由NO₂-與NH₃-N作用形成N₂，實(shí)現(xiàn)反硝化脫氮。試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)的反應(yīng)器中NO₂-積累現(xiàn)象和較高的脫氮效能說(shuō)明在曝氣生物濾池中產(chǎn)生了短程硝化反硝化作用，而曝氣生物濾池獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行特點(diǎn)是其能夠進(jìn)行短程硝化反硝化脫氮的根本原因。曝氣生物濾池采用陶粒作為過(guò)濾和生物氧化的介質(zhì)和載體，進(jìn)水沿填料推流而下，但在填料空隙間則為局部紊流，因而在整體上和每一單元填料表面所附著生物膜中都存在著基質(zhì)和溶解氧的濃度梯度分布，也為各種不同生態(tài)類型的微生物在生物膜內(nèi)不同部位占據(jù)優(yōu)勢(shì)生態(tài)位提供了條件。

4　結(jié)論

　　①同步脫氮除碳曝氣生物濾池在濾速為1～2m/h、氣水比為(1～3)∶1、水溫為21～26.5℃、進(jìn)水COD負(fù)荷為1.18～5.57 kg/(m³·d)、NH₃-N負(fù)荷為0.26～0.62kg/(m³·d)、TN負(fù)荷為0.28～0.63kg/(m³·d)的條件下可以取得良好的去除有機(jī)物和脫氮效果，其COD、NH₃-N和TN的去除能力分別為0.7～4.76、0.15～0.52和0.18～0.42kg/(m³·d)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的同步除碳和脫氮能力。?
　　②曝氣生物濾池運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的NO₂-積累現(xiàn)象，而出水連續(xù)檢測(cè)和在反應(yīng)器內(nèi)不同部位取樣分析均未發(fā)現(xiàn)NO₃^--N的相應(yīng)增加，與此同時(shí)對(duì)TN去除率卻較高，
　　說(shuō)明NH₃-N被氧化為NO₂^--N后并沒(méi)有進(jìn)一步被氧化為NO₃^--N，而是直接被反硝化去除，表現(xiàn)出顯著的短程硝化反硝化特征。?
　　③曝氣生物濾池能夠進(jìn)行短程硝化反硝化脫氮的原理在于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行方式。陶粒填料為異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌和反硝化細(xì)菌分別占據(jù)不同生態(tài)位、形成合理的微環(huán)境體系提供了有效的載體，較低的曝氣量和定期反沖洗又使得競(jìng)爭(zhēng)能力較弱的NO₂^--N氧化細(xì)菌不能在反應(yīng)器內(nèi)形成優(yōu)勢(shì)群體而被自然淘汰，因而氨氧化產(chǎn)生的NO₂^--N可直接被反硝化去除。?
　　④有關(guān)曝氣生物濾池短程硝化反硝化的機(jī)理、作用因子及其影響規(guī)律的研究尚需進(jìn)一步深入，同時(shí)試驗(yàn)中反應(yīng)器出水的NH₃-N和NO₂^--N濃度還比較高，因此有關(guān)如何提高脫氮效能、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件的優(yōu)化研究將具有更重要的工程意義和應(yīng)用價(jià)值。?

參考文獻(xiàn)：

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　　作者簡(jiǎn)介：邱立平(1968-)，男，遼寧本溪人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在讀博士，副教授，主要研究方向?yàn)樗幚怼?br> 　　電　　話：(0451)2291540(H) 6282820(O)?
　　E-mail:qiuliping@0451.com
　　收稿日期：2002-05-05