活性污泥包埋固定化在氨氮廢水處理中的特性分析

劉大偉 張燕 陳瑤 甘琦 于洋

摘要：水體富營養(yǎng)化是當(dāng)前比較關(guān)注的一個(gè)環(huán)境問題，而引起水體富營養(yǎng)化的原因主要就是氨氮。由于城鎮(zhèn)化進(jìn)程和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，氮、磷等營養(yǎng)元素過度排放到環(huán)境中，不僅引起水體富營養(yǎng)化，而且水體中的氨氮通過電離平衡轉(zhuǎn)化成游離氨，對水生生物和人體造成嚴(yán)重影響，因此，如何去除廢水中的氨氮成了研究的重點(diǎn)。采用聚乙烯醇包埋硝化馴化后的活性污泥制備固定化顆粒，可達(dá)到去除廢水中氨氮的效果。

關(guān)鍵詞：活性污泥;包埋固定化;氨氮;廢水處理

中圖分類號(hào)：X703? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 氨氮廢水概述

氨氮廢水主要來源于化工、冶金等行業(yè)，一般的氨氮廢水中的氮主要包括兩種，一種是有機(jī)氮，一種是無機(jī)氮[1]。其中，無機(jī)氮包括氨態(tài)氮和硝態(tài)氮。有機(jī)氮在廢水中主要以蛋白質(zhì)、尿素的形式呈現(xiàn)，通過氨化作用可以生產(chǎn)氨氮。

含有大量氨氮的廢水對環(huán)境和人體健康都會(huì)造成較大的影響。一方面廢水中的氨氮是造成水體富營養(yǎng)化和環(huán)境污染的重要物質(zhì)，易引起水中藻類及其他微生物大量繁殖，使得自來水處理廠運(yùn)行困難，造成飲用水異味，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使水中溶解氧下降，魚類大量死亡，甚至?xí)?dǎo)致湖泊的干涸[2]。另一方面，氨氮還會(huì)使給水消毒和工業(yè)循環(huán)水殺菌處理過程中增大用氯量;對某些金屬（銅）具有腐蝕性;當(dāng)污水處理后再利用時(shí)，再生水中氨氮可以促進(jìn)輸水管道和用水設(shè)備中微生物的繁殖，形成生物垢，堵塞管道和用水設(shè)備，并影響換熱效率。其次，氨在硝化細(xì)菌的作用下氧化為亞硝酸鹽及硝酸鹽，硝酸鹽由飲用水而誘發(fā)嬰兒的高鐵血紅蛋白癥，而亞硝酸鹽水解后生成的亞硝胺具有強(qiáng)烈的致癌性，直接威脅著人類的健康。

近年來，我國富營養(yǎng)化的湖泊、河流的比例不斷增加，尤其是沿海更是不斷發(fā)生赤潮、藍(lán)藻大規(guī)模爆發(fā)等狀況，因此，有效處理含氨氮有機(jī)廢水對于保護(hù)環(huán)境和人類生態(tài)健康具有重要意義。

2 活性污泥包埋固定化處理氨氮廢水

當(dāng)前，處理氨氮廢水的方法多種多樣，而活性污泥包埋固定化作為一種生物處理方法具有良好的處理效率，該技術(shù)可以將具有硝化功能的微生物固定在載體內(nèi)部，在保持一定濃度的同時(shí)，也可以進(jìn)一步降低對環(huán)境的影響，提高其抗干擾能力。本文主要就活性污泥包埋固定化處理氨氮廢水進(jìn)行詳細(xì)的探討。

2.1 材料制備

包埋固定化顆粒的制備主要包括活性污泥馴化，制備顆粒，系數(shù)測定這幾個(gè)過程。第一步，污泥馴化。污泥馴化主要就是對已經(jīng)培養(yǎng)成熟的污水活性污泥采用一定的處置手段，將其轉(zhuǎn)化為具有處理特定工業(yè)廢水能力的過程[3]。本研究選取污水處理廠生化池的活性污泥作為接種活性污泥，采用含有大量氨氮的廢水作為處理對象，控制進(jìn)入氨氮濃度、COD、pH。同時(shí)采用間歇運(yùn)作的方式進(jìn)行污泥馴化。在將污泥間歇培養(yǎng)十五天之后，污泥的氨氧化速度達(dá)到0.06 mg（g·min）-1，這時(shí)的污泥具有良好的硝化性能。第二步，制備包埋顆粒。選取海藻酸鈉、氧化鋁、聚乙烯醇按比例進(jìn)行混合，并將混合物進(jìn)行超聲處理，然后將經(jīng)過處理后的混合物和馴化后的污泥混合。向混合后的污泥滴入適量的硼酸溶液，形成顆粒，將其放入一定溫度下的冰箱中進(jìn)行交聯(lián)固化。半個(gè)小時(shí)之后，將顆粒取出放入0.5 mol·L-1的硫酸鈉溶液中儲(chǔ)存。兩個(gè)小時(shí)后，將顆粒去除并用生理鹽水進(jìn)行清洗，在一定溫度下的去離子水中進(jìn)行保存。第三步，系數(shù)測定。這一步驟主要是對氨和氧兩種物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行測定。首先，先對氨傳質(zhì)進(jìn)行測定。將制成的顆粒放入清水中進(jìn)行曝氣，從而將顆粒中含有的氨氮去除。在燒杯中配制一定濃度的模擬廢水（模擬廢水的組成成分見表1），廢水和顆粒的體積比為一比四，同時(shí)要對pH進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免顆粒發(fā)生硝化反應(yīng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)在SBR反應(yīng)器中進(jìn)行，將含有氨氮的廢水通入SBR反應(yīng)器中，廢水在反應(yīng)器中依次進(jìn)行曝氣、沉淀、靜置等工序，然后將上清液排出。在初始氨氮濃度的條件下，分別投入裝有顆粒、污泥、污泥和顆?；旌系姆磻?yīng)器，同時(shí)保持三個(gè)反應(yīng)器處于相同的環(huán)境狀態(tài)。

NH4+——N采用納氏試劑光度法，NO3-——N采用紫外分光光度法，DO采用便攜式溶解氧儀進(jìn)行測定，NO2-——N采用N——（1-萘基）-乙二胺光度法。

2.3 分析討論

2.3.1 活性污泥包埋顆粒的馴化

在實(shí)驗(yàn)正式開始前，因?yàn)榛钚晕勰喟耦w粒處于初期的保存狀態(tài)，因此呈現(xiàn)發(fā)黑、氣味發(fā)臭的狀態(tài)。其中，厭氧和兼性氧細(xì)菌占主要的優(yōu)勢。經(jīng)過一段時(shí)間的馴化，包埋顆粒才呈現(xiàn)出較好的硝化活性，顏色呈現(xiàn)紅棕色，這表明馴化完成。馴化初期，氨氮的濃度維持在40 mg/L左右，當(dāng)硝化程度不斷增大時(shí)，也不斷提高馴化基質(zhì)濃度，這時(shí)的微生物因?yàn)椴荒芎芎玫剡m應(yīng)濃度環(huán)境而迅速變少，但是后期慢慢又會(huì)恢復(fù)到最多。低濃度的馴化時(shí)間比高濃度的馴化時(shí)間長，微生物已經(jīng)適應(yīng)底物濃度同時(shí)呈現(xiàn)出較高的活性，之后再提高濃度也會(huì)呈現(xiàn)較強(qiáng)的適應(yīng)性和硝化能力。此外，在馴化過程中pH也會(huì)對顆粒的硝化活性產(chǎn)生影響。在馴化初期，較高的pH產(chǎn)生的游離氨會(huì)抑制微生物的硝化活性。隨著硝化率的增加pH會(huì)降低，提高濃度時(shí)微生物的硝化活性會(huì)突然降低而pH升高，然后又呈現(xiàn)下降的趨勢，這說明硝化過程產(chǎn)生的酸和投入的堿發(fā)生了中和反應(yīng)，使整個(gè)溶液處于適于微生物生長的pH環(huán)境。

2.3.2 污水中氮濃度的變化

當(dāng)初始氨氮濃度不同時(shí)，不同氮形態(tài)含量也呈現(xiàn)不同的變化。當(dāng)初始氨氮濃度為50 mg/L和100 mg/L時(shí)，氨氮分別在4.5 h和6.5 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)全部去除。在末期，氨氮的去除率逐漸降低，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)亞硝酸氮比硝酸氮含量高，這說明AOB對氨氮的氧化速率始終大于NOB對亞硝化氮的氧化速率。在初始條件下，周期內(nèi)總氮去除率主要維持在12%左右，這表明氨氮濃度較高的時(shí)候，總氮去除效率的差別就不太明顯，這可能是因?yàn)楦邼舛劝钡容^容易在弱堿性條件下發(fā)生氨氣逸出。

2.3.3 污泥包埋微生物硝化活性的間歇實(shí)驗(yàn)

在氧氣傳遞和氨氮濃度不受限制的條件下，硝化過程屬于零級反應(yīng)，也就是在整個(gè)反應(yīng)過程中，基質(zhì)濃度的變化只和反應(yīng)時(shí)間相關(guān)[6]。本實(shí)驗(yàn)分別取濃度為100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L、500 mg/L、600 mg/L、700 mg/L的模擬氨氮廢水對顆粒硝化活性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最后結(jié)果表明，氨氮的濃度隨著時(shí)間的增長不斷減少，并且反應(yīng)速率的變化和初始濃度是無關(guān)的，這和零級反應(yīng)的特征是相符合的。在降解過程中，亞硝酸氮的濃度只在1 h處有一個(gè)微峰就下降，這表明經(jīng)過馴化后的包埋顆粒內(nèi)有足夠的硝化細(xì)菌，使反應(yīng)過程中的亞硝酸進(jìn)一步氧化成為硝酸鹽而不至于積累。

綜上所述，一方面，固定化技術(shù)提高了硝化細(xì)菌的生物借截流量，大大提高了生物停留的時(shí)間，另一方面，常溫下，氨氮廢水的消化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于游離菌的硝化速率。和傳統(tǒng)處理氨氮廢水的方法相比，活性污泥包埋法具有較好的處理效率，無須污泥回流，節(jié)省了基礎(chǔ)建設(shè)投資，具有較大優(yōu)勢。

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