MBBR中HRT與pH對(duì)短程硝化反硝化的影響

李　娜，胡筱敏，李國德，姜彬慧（.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽0004；.沈陽師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，遼寧沈陽0034）

試驗(yàn)研究

MBBR中HRT與pH對(duì)短程硝化反硝化的影響

李娜1，2，胡筱敏1，李國德2，姜彬慧1
（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110004；2.沈陽師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，遼寧沈陽110034）

為了開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的生物脫氮工藝，在MBBR中進(jìn)行了短程硝化反硝化的研究，考察了HRT與pH對(duì)短程硝化反硝化的影響。結(jié)果表明，在短程硝化反硝化過程中，在室溫、不控制溶解氧的條件下，NH4+-N與COD去除率隨著HRT的延長而增大，出水NO2--N隨著HRT的延長先增大后減少，當(dāng)HRT為8 h時(shí)出水NO2--N最高；當(dāng)pH由5增加到10時(shí)，COD去除率的變化較小，NH4+-N去除率和出水NO2--N則隨著pH的增大先增大后減小，pH在8～9時(shí)對(duì)NH4+-N的處理效果最好，出水NO2--N最高。

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器；水力停留時(shí)間；pH；短程硝化反硝化

隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，水資源受到了嚴(yán)重污染，水體富營養(yǎng)化問題尤為突出，廢水脫氮日益受到人們的重視〔1-5〕。而傳統(tǒng)的生物脫氮工藝能耗高，反應(yīng)時(shí)間長，污泥產(chǎn)量高，針對(duì)目前的水污染狀況，開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的生物脫氮工藝迫在眉睫〔6-8〕。與傳統(tǒng)的全程硝化反硝化工藝相比，短程硝化反硝化具有諸多優(yōu)點(diǎn)，它能耗低，可節(jié)省25%的耗氧量，污泥產(chǎn)量少，可節(jié)省碳源和占地面積〔9-11〕。短程硝化反硝化是一種新型的可持續(xù)發(fā)展的脫氮工藝，是目前國內(nèi)外生物脫氮工藝研究的熱點(diǎn)〔12-13〕。

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（moving bed biofilm reactor，MBBR）工藝具有占地少、動(dòng)力消耗低、運(yùn)行操作管理簡單等優(yōu)點(diǎn)〔14-15〕，本研究將MBBR工藝與短程硝化反硝化相結(jié)合，在自制的MBBR中研究了HRT與pH對(duì)短程硝化反硝化的影響。

1　試驗(yàn)工藝與方法

1.1工藝流程

試驗(yàn)工藝流程如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)工藝流程

廢水通過蠕動(dòng)泵從進(jìn)水槽連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)器的底部，處理后的水則通過反應(yīng)器頂部的小孔溢流而出。反應(yīng)裝置底部有微孔砂芯曝氣頭，以保證充足的溶解氧，并使附著生物膜的填料能夠呈流化狀態(tài)，曝氣量通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。反應(yīng)器內(nèi)在距底部曝氣頭和頂部出水口5 cm處都設(shè)有隔板，防止填料堵塞排污口及出水口。反應(yīng)器頂部蓋板上裝有可調(diào)速攪拌機(jī)，裝置運(yùn)行過程中攪拌與曝氣交替運(yùn)行，通過有氧曝氣與缺氧攪拌交替運(yùn)行能夠在MBBR中更好地實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化。該裝置有溫度與pH傳感系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)控溫度，并自動(dòng)加藥調(diào)控pH。

1.2測(cè)試項(xiàng)目與方法

COD——重鉻酸鉀法；NH4+-N——納氏試劑比色法；NO2--N——N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；NO3--N——紫外分光光度法；MLSS、MLVSS——重量法；pH——儀器法。

1.3試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水采用模擬生活污水，以NH4Cl和葡萄糖作為氮源和碳源。配水中NH4+-N為45～60mg/L，COD為300～550mg/L。模擬污水中還含有NaHCO3（400 mg/L）、CaCl2（4 mg/L）、MgSO4·7H2O（40 mg/L）、KH2PO4（40 mg/L）以及微量元素（0.6mL/L）。微量元素組成：FeCl3（375 mg/L）、H3BO3（37.5 mg/L）、CuSO4·5H2O（7.5 mg/L）、KI（45 mg/L）、MnSO4·H2O（25.69mg/L）、ZnSO4·7H2O（30mg/L）、EDTA（2 500 mg/L）、CoCl2·6H2O（50 mg/L）、Na2MoO4·2H2O（20 mg/L）。該模擬生活污水pH在7.2左右。

2　結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)器的掛膜與啟動(dòng)

本試驗(yàn)所用填料為大連宇都改性生物懸浮填料，填充率為50%。采取快速排泥法進(jìn)行填料的掛膜，接種污泥取自沈陽南部污水處理廠，馴化后裝入反應(yīng)器開始運(yùn)行。經(jīng)過20 d的穩(wěn)定運(yùn)行，填料上長出一層褐色的生物膜，此時(shí)反應(yīng)器對(duì)COD的平均去除率達(dá)到85%，對(duì)NH4+-N的平均去除率達(dá)到65%，表明填料掛膜成功。試驗(yàn)保持進(jìn)水水質(zhì)不變，通過調(diào)控溶解氧實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化，待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后對(duì)溶解氧不進(jìn)行控制。

2.2HRT對(duì)短程硝化反硝化的影響

2.2.1不同HRT時(shí)三氮的變化

在進(jìn)水pH為7.2左右的條件下，考察了不同HRT下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的變化，結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同HRT下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的變化

由圖2可以看出，出水NH4+-N隨著HRT的延長而減少，當(dāng)HRT為8 h時(shí)，平均NH4+-N去除率由HRT為6 h時(shí)的82.16%增加到96.69%；HRT為10 h時(shí)，平均NH4+-N去除率為98.23%，可以看出HRT為8 h和10 h時(shí)的平均NH4+-N去除率變化不大。出水NO2--N隨著HRT的延長先增大后減小，當(dāng)HRT為8h時(shí)，出水NO2--N最高，平均為19.68mg/L，亞硝態(tài)氮積累率均值為75.15%；當(dāng)HRT增加到10 h時(shí)，出水NO2--N反而減少，平均為16.33mg/L，亞硝態(tài)氮積累率均值為69.53%。出水NO3--N隨著HRT的延長而增加，當(dāng)HRT由4 h增加到10 h時(shí)，平均出水NO3--N由2.62mg/L增加到6.26mg/L。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，HRT對(duì)短程硝化反硝化有著一定的影響。HRT越長，亞硝化菌氧化的NH4+-N總量就越多，產(chǎn)生的NO2--N也越多，所以亞硝氮的積累率隨著HRT的延長而增加。但當(dāng)NH4+-N去除率達(dá)到一定值后，再繼續(xù)增加HRT，出水NO2--N呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榇藭r(shí)進(jìn)水中的NH4+-N已在系統(tǒng)能力范圍內(nèi)由亞硝化菌氧化掉，此時(shí)再增加HRT只能將更多的NO2--N氧化為NO3--N。

2.2.2不同HRT時(shí)有機(jī)物的去除情況

在進(jìn)水pH為7.2左右的條件下，考察了不同HRT下COD的變化，結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同HRT下COD的變化

由圖3可以看出，COD去除率隨著HRT的延長而提高，HRT為4 h時(shí)，平均COD去除率為63.89%，出水COD平均為150.12mg/L；HRT為6 h時(shí)，平均COD去除率上升到75.59%，出水COD平均為104.42mg/L；HRT為8 h時(shí)，平均COD去除率繼續(xù)上升到88.3%，出水COD平均為55.31mg/L；HRT為10 h時(shí)，平均COD去除率達(dá)到92.03%，出水COD平均為36.79mg/L。HRT為8 h和10 h時(shí)的出水COD分別達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)和一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，說明反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物去除情況良好。在MBBR中，較長的HRT有利于有機(jī)底物向生物膜表面?zhèn)鬟f，進(jìn)而使COD去除率隨著HRT的延長而增加。

2.3pH對(duì)短程硝化反硝化的影響

2.3.1不同pH時(shí)三氮的變化

在HRT為8 h的條件下，考察了不同pH下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同pH下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的變化

由圖4可以看出，當(dāng)pH由5增加到9時(shí)，出水NH4+-N隨著pH的增大而減小，當(dāng)pH在8～9時(shí)出水NH4+-N最小，僅為0.1mg/L，平均NH4+-N去除率達(dá)到了97.68%；當(dāng)pH在9～10時(shí)，出水NH4+-N有所提高，平均為11.82mg/L，平均NH4+-N去除率降到76.22%。出水NO2--N隨著pH的增加先增大后減小，當(dāng)pH為8～9時(shí)出水NO2--N最大，平均為19.6 mg/L，當(dāng)pH為9～10時(shí)，平均出水NO2--N降到3.62 mg/L。

亞硝化菌的底物為游離氨，硝化菌以亞硝氮為基質(zhì)，隨著pH的提高，游離氨濃度逐漸提高，因此要提高亞硝氮積累率，需要控制適宜的pH，使游離氨濃度控制在亞硝化菌和硝化菌的抑制濃度之間。pH在8～9時(shí)，NH4+-N的去除效果最好，說明亞硝化菌在該pH范圍內(nèi)活性最高，比增長速率也最大。pH在5～6時(shí)，亞硝化菌活性受到嚴(yán)重抑制，pH在9～10時(shí)，堿性環(huán)境則抑制了微生物的生長。

2.3.2不同pH時(shí)有機(jī)物的去除情況

在HRT為8 h的條件下，考察了不同pH下COD的變化，結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同pH下COD的變化

由圖5可以看出，隨著pH的變化，COD的去除穩(wěn)定，波動(dòng)較小，說明該MBBR短程硝化脫氮體系在去除有機(jī)物方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，其抗pH沖擊能力較強(qiáng)，不同pH范圍平均COD去除率達(dá)到了83%，平均出水COD均在100mg/L以下，低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4反應(yīng)器內(nèi)的生物相

在電子顯微鏡下對(duì)MBBR中的生物相進(jìn)行了觀察，結(jié)果表明，填料上的生物膜絮體密實(shí)，含有大量微生物菌膠團(tuán)。

2.5生物膜電鏡掃描

在短程硝化反硝化啟動(dòng)初期，以及最佳HRT及最佳pH下的穩(wěn)定運(yùn)行階段，對(duì)MBBR中的生物膜進(jìn)行了SEM表征，結(jié)果如圖6所示。

圖6　生物膜中微生物的SEM圖像

由圖6可以看出，與啟動(dòng)初期相比，當(dāng)HRT為8 h和pH為8～9時(shí)，生物膜中菌落數(shù)量明顯升高，生物膜中微生物排列緊密。

3　結(jié)論

（1）HRT對(duì)短程硝化反硝化的影響試驗(yàn)表明，出水NH4+-N隨著HRT的延長而減少，但NH4+-N去除率在HRT為8 h和10 h時(shí)相差不大，平均分別為96.69%和98.23%。出水NO2--N隨著HRT的延長先增大后減少，HRT為8 h時(shí)出水NO2--N最高，平均為19.68 mg/L；當(dāng)HRT增加到10 h時(shí)出水NO2--N反而減少，平均為16.33mg/L。COD去除率隨著HRT的延長而提高，HRT為8 h和10 h時(shí)的出水COD分別達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)和一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

（2）pH對(duì)短程硝化反硝化的影響試驗(yàn)表明，當(dāng)pH由5增加到9時(shí)，出水NH4+-N隨著pH的增大而減小，當(dāng)pH在8～9時(shí)NH4+-N處理效果最好，平均NH4+-N去除率達(dá)到了97.68%；當(dāng)pH在9~10時(shí)，平均NH4+-N去除率降到76.22%。出水NO2--N隨著pH的增加先增大后減小，pH為8～9時(shí)出水NO2--N最大，平均為19.6mg/L；當(dāng)pH為9～10時(shí)，平均出水NO2--N降到3.62mg/L。隨著pH的變化，COD的去除穩(wěn)定，波動(dòng)較小，不同pH范圍平均COD去除率達(dá)到了83%，平均出水COD均在100 mg/L以下，低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）觀察發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后填料上的生物膜絮體密實(shí)，含有大量微生物菌膠團(tuán)；SEM表征結(jié)果表明，與運(yùn)行初期相比，HRT為8 h和pH為8～9時(shí)生物膜中的菌落數(shù)量明顯升高，生物膜中微生物排列緊密。

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Influences ofhydraulic retention time（HRT）and pH on shortcutnitrification and denitrification in them oving bed biofilm reactor（MBBR）

LiNa1，2，Hu Xiaomin1，LiGuode2，Jiang Binhui1
（1.School of Resourcesand Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110004，China；2.Experimental CenterofShenyang NormalUniversity，Shenyang110034，China）

In order todevelop an economicaland efficientbiologicalnitrogen removing process，the research on shortcut nitrification and denitrification has been conducted in MBBR，and the influences of HRT and pH on shortcut nitrification and denitrification have been investigated.The results show that in the process of shortcut nitrification and denitrification，under the following conditions：at room temperatureand without dissolved oxygen control，the removing ratesofNH4+-N and COD increasewith the lengtheningofHRT，and effluentNO2--N increases firstand then decreaseswith the lengthening of HRT.The effluent NO2--N is the highest，when HRT is 8 h.The COD removing rate does not changemuch，when pH increases from 5 to 10.The removing rate of NH4+-N and effluentNO2--N increase firstand then decreasewith the increaseofpH.The treatmenteffecton NH4+-N is thebestand effluentNO2--N is thehighest，when pH is8-9.

moving bed biofilm reactor（MBBR）；hydraulic retention time（HRT）；pH；shortcut nitrification and denitrification

X703

A

1005-829X（2016）10-0020-04

國家科技重大專項(xiàng)——水體污染控制與治理（2013ZX07202-010）；遼寧省教育廳一般項(xiàng)目（L2014437）；沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目（F15-199-1-21）；遼寧省大型儀器設(shè)備共享服務(wù)平臺(tái)能力建設(shè)基金項(xiàng)目（2015年）

李娜（1981—），博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。E-mail：lina218@ 126.com。

2016-08-11（修改稿）