生物轉(zhuǎn)盤同步去除化學(xué)需氧量和氮的實(shí)驗(yàn)研究

李 芳，崔紅梅 ，呂炳南

（1東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院給水排水工程專業(yè)，黑龍江 大慶163318；2黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶163318；3哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院市政工程系，黑龍江 哈爾濱150090）

研究開發(fā)

生物轉(zhuǎn)盤同步去除化學(xué)需氧量和氮的實(shí)驗(yàn)研究

李 芳1，2，崔紅梅1，2，呂炳南3

（1東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院給水排水工程專業(yè)，黑龍江 大慶163318；2黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶163318；3哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院市政工程系，黑龍江 哈爾濱150090）

采用單軸三級(jí)生物轉(zhuǎn)盤（RBC），進(jìn)行了生物轉(zhuǎn)盤同步去除化學(xué)需氧量和氮的試驗(yàn)研究。水溫度15 ℃，進(jìn)水COD濃度為400mg/L左右時(shí)，轉(zhuǎn)盤對(duì)化學(xué)需氧量的去除率達(dá)到85%左右?？刂七m宜的堿度，轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)氨氮的硝化率在75%左右、總氮（TN）的去除率在50%左右。增設(shè)硝化液回流系統(tǒng)后，總氮的去除率顯著提高，特別是回流比為200%時(shí)，TN去除率在低溫下可達(dá)73.87%。實(shí)驗(yàn)表明生物轉(zhuǎn)盤對(duì)化學(xué)需氧量和氮有較好的同步去除效果。

生物轉(zhuǎn)盤；總氮的去除率；化學(xué)需氧量的去除率；回流比

生物轉(zhuǎn)盤法是一種膜生物處理技術(shù)，起步于20世紀(jì)50～60年代[1]。因其具有凈化效率高、耗能低、進(jìn)水負(fù)荷高和易管理等優(yōu)點(diǎn)[2]，在生活污水[3]和有機(jī)廢水[4]、含酚廢水[5]、石化廢水[6-7]等工業(yè)廢水處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它除被用于去除水中的含碳化合物外，也可以用于脫氮。美國和日本等國，近年來對(duì)生物轉(zhuǎn)盤的運(yùn)用已擴(kuò)大到污水的脫氮工藝中。Gupta等[8-9]采用多級(jí)生物轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)對(duì)合成廢水及城市污水中的碳、氮同步去除進(jìn)行了研究，取得了較好的效果。但是國內(nèi)在這方面尚未展開較系統(tǒng)的應(yīng)用研究。本文應(yīng)用三級(jí)生物轉(zhuǎn)盤，對(duì)污水的同步去除碳和氮進(jìn)行系統(tǒng)研究，為生物轉(zhuǎn)盤在污水同步去除碳和氮的工程應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用單軸三級(jí)生物轉(zhuǎn)盤裝置，轉(zhuǎn)盤的盤片為孔隙率96%的特殊網(wǎng)狀載體，有利于微生物的附著生長。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

裝置見圖1。水箱內(nèi)的水經(jīng)蠕動(dòng)泵打入第一級(jí)氧化槽的首端，依次流經(jīng)二、三級(jí)生物轉(zhuǎn)盤，最后進(jìn)入二沉池，進(jìn)行泥水分離。

表1 生物轉(zhuǎn)盤的主要技術(shù)參數(shù)

圖1 生物轉(zhuǎn)盤實(shí)際裝置圖（啟動(dòng)階段）

1.2 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)

1.3 水質(zhì)分析方法及主要試劑

實(shí)驗(yàn)中水質(zhì)分析方法及主要試劑見表3。

1.4 實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)

啟動(dòng)開始，每天向反應(yīng)器內(nèi)投加一定量的污泥（取自大慶市東城區(qū)污水處理廠）。進(jìn)水COD為400 mg/L左右，水力停留時(shí)間24 h，進(jìn)行生物膜的培養(yǎng)。7天后COD的去除率可達(dá)到46%左右，15天達(dá)到66%左右。17天后，水力停留時(shí)間改為10 h，進(jìn)水有機(jī)物濃度不變，26～36天，COD的去除率保持在75%～85%，生物轉(zhuǎn)盤啟動(dòng)成功。

表3 水質(zhì)分析方法及主要試劑及儀器

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 COD的處理效果

水力停留時(shí)間調(diào)整為 8 h，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速 5～15 r/min，水溫15 ℃左右。此時(shí)轉(zhuǎn)盤各級(jí)均好氧運(yùn)行。各級(jí)溶解氧見表4。

表4 生物轉(zhuǎn)盤各級(jí)溶解氧濃度

生物轉(zhuǎn)盤對(duì)COD有較好的去除效果。見圖2。

在進(jìn)水COD濃度為400 mg/L左右時(shí)，COD去除率均值85%，起主要有機(jī)物降解作用的是第一級(jí)轉(zhuǎn)盤。該轉(zhuǎn)盤盤片采用新型網(wǎng)狀材料，盤片與傳統(tǒng)盤片相比具有較大的比表面積和孔隙率，有利于微生物的附著、生長與繁殖，單位面積的網(wǎng)狀盤片上的生物量是普通盤片的2～3倍。雖然水溫較低但生物量大，COD的去除效果較好。

2.2 氨氮的處理效果

由圖3可見，此時(shí)氨氮的硝化率一般在60%左右。硝化細(xì)菌的生長除了對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的需求外，還需要一定的外界環(huán)境條件。主要原因有兩個(gè)：首先運(yùn)行溫度偏低。溫度是影響細(xì)菌生活的重要環(huán)境條件之一。硝化細(xì)菌屬于中溫菌，最適生長溫度為25～30 ℃[10]。而運(yùn)行中的溫度只有15 ℃。這大大影響了細(xì)菌的生長繁殖速率，進(jìn)而影響了氨氮的硝化率。其次堿度過低。采集水樣測(cè)定堿度，1、2、3級(jí)轉(zhuǎn)盤內(nèi)的堿度分別為 92 mg/L、20.1 mg/L、3.1 mg/L（以CaCO3計(jì)）。

配水時(shí)加入NaHCO3為25 g/300L調(diào)節(jié)堿度。氨氮的去除效果見圖4。

加入碳酸氫鈉調(diào)節(jié)堿度后，1、2、3級(jí)的堿度分別為104.6 mg/L、50.5 mg/L、22 mg/L。如圖4所示調(diào)節(jié)堿度后，氨氮的去除率有所上升，即硝化率提高了，由原來的60%左右升高到75%左右。

2.3 硝酸鹽氮的變化

由圖5可見未外加堿度時(shí)生物轉(zhuǎn)盤1、2、3級(jí)硝酸鹽氮的濃度分別在4 mg/L、5 mg/L、9 mg/L左右，硝化率較低。由圖6可見調(diào)節(jié)堿度后第三級(jí)出水硝酸鹽氮含量大幅度提高，出水值在20 mg/L左右。硝化反應(yīng)過程生成一定量的酸，會(huì)使系統(tǒng)的堿度不斷下降，抑制了硝化反應(yīng)的進(jìn)行，加入堿后，中和一部分生成的酸，提高了系統(tǒng)的硝化率。所以氨氮的去除率上升，硝酸鹽氮的含量增加。

2.4 亞硝酸鹽氮的變化

在生物轉(zhuǎn)盤的整個(gè)運(yùn)行過程中亞硝酸鹽氮的含量一直很低，圖7所示。通常各級(jí)亞硝酸鹽氮的濃度均在0.5 mg/L以下。原因是溫度過低，高溫更有利于亞硝化細(xì)菌的生長繁殖[10]。調(diào)解堿度后亞硝酸鹽氮的濃度亦無較大變化?？赡苁怯捎谏镛D(zhuǎn)盤具有同步硝化反硝化的功能，一部分生成的亞硝酸鹽被還原成氮?dú)?，所以堿度調(diào)節(jié)前后亞硝酸鹽氮的變化不大。

2.5 總氮的處理效果

由圖8可見：溫度15 ℃左右時(shí)，系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率在50%左右。去除的氮量超過了生物自身生長繁殖所需要的氮量，證明了生物轉(zhuǎn)盤有一定的除氮功能。起主要脫氮作用的是第一級(jí)轉(zhuǎn)盤，原因是第一級(jí)轉(zhuǎn)盤內(nèi)由于進(jìn)水有機(jī)物含量較高，微生物生長繁殖較快，轉(zhuǎn)盤的生物膜厚度大，膜內(nèi)的厭氧、缺氧環(huán)境范圍大，為反硝化菌的生長繁殖提供了一定的空間，反硝化脫氮的效果較好。另外由圖6可知第一級(jí)轉(zhuǎn)盤出水硝酸鹽氮的含量低于原水硝酸鹽氮的含量，減少的部分被反硝化菌還原為氮?dú)猓?、三?jí)轉(zhuǎn)盤的硝酸鹽氮含量是逐漸增加的，也說明了第一級(jí)轉(zhuǎn)盤起主要脫氮作用。但是出水總氮濃度仍然較高，在20～25 mg/L左右。

2.6 增設(shè)回流系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

由于轉(zhuǎn)盤出水硝酸鹽氮含量較高，說明反硝化效果不好。增加了硝化液回流系統(tǒng)，出水由二沉池上部回流至進(jìn)水口，同時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至5 r/m in，以減小氧化槽內(nèi)的溶解氧濃度，更有利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。不同的回流比時(shí)，生物轉(zhuǎn)盤約運(yùn)行21天。

表5 不同回流比時(shí)總氮的去除效果

由表5可知，增加回流后，總氮的去除率提高。在回流比為100%、200%、300%時(shí)，總氮的去除率分別為58.53%、73.87%、66.30%。

RBC的轉(zhuǎn)速降低，各級(jí)溶解氧的濃度隨之下降，生物膜內(nèi)部缺氧環(huán)境范圍擴(kuò)大。硝化液回流至反應(yīng)器前端，為系統(tǒng)的反硝化反應(yīng)又提供了足夠的反應(yīng)底物，有利于各級(jí)內(nèi)反硝化菌的生長、繁殖。所以增加了硝化液循環(huán)系統(tǒng)后，總氮的去除率顯著提高。

隨著回流比的增加，TN和COD的去除率均有增加。在回流比為200%，TN去除效果好于100%和300%。這是因?yàn)榛亓鞅刃r(shí)DO濃度過低，生物絮凝體內(nèi)微環(huán)境傾向于向缺氧或厭氧狀態(tài)發(fā)展，提高了系統(tǒng)的反硝化能力，但會(huì)對(duì)一部分硝化菌產(chǎn)生抑制作用，影響了硝化反應(yīng)。硝化率下降，反硝化反應(yīng)沒有足夠的底物，導(dǎo)致整體的脫氮率不高。所以回流比為100%，總氮的去除率僅為58.53%?；亓鞅壤^續(xù)增加，使氧化槽內(nèi)的溶解氧值隨之增大?；亓鞅葹?00%，總氮的去除率為73.87%。回流比繼續(xù)增加到300%，DO濃度也繼續(xù)增加，氧的穿透能力增強(qiáng)，使得生物膜內(nèi)部缺氧和厭氧區(qū)域范圍縮小，有利于提高NH+4-N的去除率，但卻大大降低了系統(tǒng)的反硝化能力，進(jìn)而降低了對(duì) TN的去除率[11]。所以回流比為 300%時(shí)，去除率降低到66.30%。

3 結(jié) 論

（1）轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)由于生物量較大除碳效果較好，水力停留時(shí)間8 h，溫度15 ℃，在進(jìn)水COD濃度為400 mg/L左右時(shí)，COD去除率均值85%。

（2）氨氮的硝化率一般在60%～70%之間，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意添加堿防止硝化率的下降。

（3）總氮的去除率在 50%左右。增設(shè)硝化液回流系統(tǒng)后，總氮的去除率顯著提高，特別是回流比為200%時(shí)，TN去除率可達(dá)73.87%.

（4）裝置在15 ℃對(duì)C和N仍有較好的同步去除效果，所以生物轉(zhuǎn)盤在氣溫較低地區(qū)有一定的應(yīng)用前景。

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COD and nitrogen removal w ith rotating biological contactor

LI Fang1,2，CUI Hongmei1,2，Lü Bingnan3
（1Department of Water Draining and Supply，School of Civil Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，Heilongjiang，China；2Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention，M itigation and Protection Engineering，Daqing 163318，Heilongjiang，China；3School of Municipal & Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，Heilongjiang，China）

A 3-stage rotating biological contactor was used to study simultaneous removal of COD and nitrogen. When temperature was 15 ℃ and influent COD concentration was about 400mg/L，removal rate of COD was about 85% . Through controlling proper alkalinity nitrification rate of ammonia was about 75% and removal rate of TN was about 50%. After addition of a nitrification liquid circulation system，removal rate of TN，at reflux ratio of 200% increased to 73.87 %. Experimental results showed good effect of rotating biological contactor on removing COD and nitrogen.

rotating biological contactor；removal rate of total nitrogen；removal rate of COD；reflux ratio

X 703

A

1000–6613（2012）–07–1615–05

2012-02-10；修改稿日期：2012-02-24。

及聯(lián)系人：李芳（1979－），女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)槲鬯昂臀勰嗵幚?。E –mail lif1216@163.com。