紫外輻照強(qiáng)化生物膜反應(yīng)器去除尾水中總氮特性研究

陳 華，劉春曉，吳 松，汪銀梅，漆新華，江 成

（1.江蘇方正環(huán)保設(shè)計(jì)研究有限公司江蘇徐州221002；2.徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院江蘇徐州221111；3.江蘇蓮洋港環(huán)?？萍加邢薰窘K徐州221111）

我國(guó)大多數(shù)城市污水處理廠以二級(jí)處理工藝為主， 二級(jí)處理常采用活性污泥法工藝或生物膜法工藝，如：A2/O 工藝、A2/O2工藝、氧化溝和SBR 等〔1〕。二級(jí)處理工藝對(duì)易降解有機(jī)物和等具有較好的去除效果，但是轉(zhuǎn)化為后，由于缺氧環(huán)境難以控制和碳源供給不足等問題， 導(dǎo)致污水處理廠二級(jí)出水（簡(jiǎn)稱尾水）中的和TN濃度較高，成為各個(gè)污水處理廠較為棘手的難題。尾水中的COD 較低且難以降解，給尾水深度脫氮和污水處理廠提標(biāo)改造帶來了較大的難度〔2〕。 尾水深度脫氮方法通常包括高級(jí)氧化技術(shù)、混凝技術(shù)、吸附技術(shù)、過濾技術(shù)、生態(tài)工程技術(shù)等，但基于成本、環(huán)境友好程度和去除效果等角度考慮〔3〕，目前主要采用的方法存在一定的問題，急需升級(jí)改造。由于尾水中各類組分共存，采用單一技術(shù)很難獲得較好的效果，采用復(fù)合技術(shù)將成為以后發(fā)展的趨勢(shì)。

功能性微生物（硝化菌和反硝化菌）通過硝化和反硝化過程去除含氮化合物是最有效、 最經(jīng)濟(jì)的生物處理工藝。城市生活污水廠進(jìn)水普遍存在COD 濃度偏低和TN 濃度偏高的現(xiàn)象， 屬于典型的低碳氮比污水， 反硝化過程需要易降解的碳源作為電子供體，而尾水中的內(nèi)源碳（殘余有機(jī)物）難以生物降解且數(shù)量非常有限， 導(dǎo)致反硝化可用碳源數(shù)量嚴(yán)重缺乏〔4〕。 補(bǔ)充液體碳源增加尾水生物脫氮所需要的碳源，取得了良好的效果，被廣泛采用，但是易出現(xiàn)過量問題，且費(fèi)用較高。

近些年， 固相反硝化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于低碳氮比水體脫氮過程中，固體碳源既能作為碳源，也能作為微生物載體， 克服了傳統(tǒng)脫氮工藝過程中投加液體碳源容易出現(xiàn)過量問題和微生物量不足的諸多缺點(diǎn)〔5〕。利用多羥基烷酸酯（PHA、PLA、PBS 等）和天然纖維素物質(zhì)（麥秸、樹枝、稻草）等可生物降解物質(zhì)作為生物膜載體和碳源，從尾水中去除含氮化合物，取得了較多的研究成果〔6-8〕。 但由于多羥基烷酸酯費(fèi)用較高，不利于推廣應(yīng)用，天然纖維素物質(zhì)取材廣泛、造價(jià)低廉有利于推廣，值得研究。天然纖維素物質(zhì)作為生物膜載體和碳源去除城市污水中的TN，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)TN 去除率能有一定程度的提高， 但試驗(yàn)初期出水濁度和色度均較高， 水解產(chǎn)物中高分子有機(jī)物較多， 進(jìn)一步降低其分子質(zhì)量有望實(shí)現(xiàn)污水凈化處理成本降低或天然纖維素物質(zhì)的資源化〔8〕，利于提高出水水質(zhì)。 此外，尾水中殘留的COD 屬于難生物降解有機(jī)物，提高其可生化性，有望實(shí)現(xiàn)高效去除或被作為反硝化碳源。 因此，提高固相反硝化脫氮技術(shù)在尾水深度處理中的脫氮效果， 必須要從提高尾水中殘留的COD 和天然纖維素物質(zhì)水解產(chǎn)物這2 種碳源的可生化性入手。

紫外輻照（UV）普遍應(yīng)用于污水高級(jí)氧化技術(shù)中， 紫外輻照能將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的中間產(chǎn)物和更簡(jiǎn)單的最終產(chǎn)物， 提高了有機(jī)物的可生化性，有利于降低色度和提高污水的可生化性。紫外輻照和生物反應(yīng)器（UV/B）組合工藝常常被應(yīng)用去除一種或多種復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)（如吡啶、苯酚和2，4，6-三氯苯酚）〔9-10〕，取得了較好的效果。 而本研究開發(fā)了一種在紫外輻照情況下， 以絲竹為生物載體和主要碳源的復(fù)合生物脫氮反應(yīng)器， 用于深度去除尾水中的總氮和COD。 以無紫外輻照的絲竹填料生物反應(yīng)器（B）為對(duì)照組，研究UV/B 去除尾水中總氮和COD 的效果和特性。此外，還研究了的去除效果隨水溫、pH、溶解氧（DO）和進(jìn)水濃度變化的特征， 以期為尾水的深度處理和水質(zhì)提標(biāo)提供一定的參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 絲竹填料

將多年生毛竹制作成20 mm×5 mm×1 mm 規(guī)格的絲竹，絲竹做成后用自來水連續(xù)浸泡7～10 d，每天換水1 次， 使絲竹組織內(nèi)的水溶性物質(zhì)自然釋放出來，浸泡后的絲竹在強(qiáng)烈的陽光下暴曬1～2 d，備用。絲竹的特性參數(shù)如下：孔隙率為80.4%；比表面積為118.1 m2/m3；容重為1.1 kg/L。

1.2 生物反應(yīng)器和生物膜的形成

生物膜反應(yīng)器是一種內(nèi)循環(huán)流態(tài)的反應(yīng)器，以絲竹作為生物膜載體和碳源，反應(yīng)器頂端安裝了1 個(gè)紫外輻照燈（UV 燈），反應(yīng)器流程見圖1。

圖1 UV/B 反應(yīng)器流程

當(dāng)開啟反應(yīng)器頂部UV 燈時(shí)，即視為UV/B 反應(yīng)器；當(dāng)關(guān)閉反應(yīng)器頂部UV 燈時(shí)，即視為B 反應(yīng)器。反應(yīng)器有效容積為40 L，其中頂部泥水分離區(qū)（7 L）、底部泥水混合區(qū)（3 L）、中部生化反應(yīng)區(qū)（30 L），生化反應(yīng)區(qū)通過導(dǎo)流作用分隔成升流區(qū)和降流區(qū)（各15 L），底部由氣泵供氣。 取自某污水處理廠的尾水倒入水箱中進(jìn)行初步沉淀后由蠕動(dòng)泵泵入反應(yīng)器底部，培養(yǎng)馴化期間先進(jìn)行悶曝7 d，每天換水1 次；接種污泥取自某污水處理廠外回流污泥， 接種后反應(yīng)器內(nèi)MLSS 為2 552～3 621 mg/L， 連續(xù)培養(yǎng)馴化后，絲竹表面形成了穩(wěn)定的生物膜結(jié)構(gòu)，大量的污泥吸附到絲竹載體表面，沒有附著到絲竹表面的活性污泥則被外排去除。 空氣被泵入反應(yīng)器底部，反應(yīng)器頂部水中DO 為3.5～4.5 mg/L；試驗(yàn)過程中水溫為13～28 ℃。

UV 燈安裝在水面上方10 cm 處，基本參數(shù)：波長(zhǎng)為253.7 nm，功率為50 W，光強(qiáng)為1.2 mW/cm2。

1.3 尾水水質(zhì)及實(shí)驗(yàn)方法

尾水水質(zhì)見表1。

表1 尾水水質(zhì) mg/L

另外，懸浮固體（SS）為72.5～144.5 mg/L，pH 為6.8～8.3，DO 為2.5～3.4 mg/L。 本實(shí)驗(yàn)分為2 個(gè)對(duì)比階段：（1）生物降解階段（B 階段）。 考察絲竹填料生物膜反應(yīng)器去除尾水中含氮化合物和有機(jī)物的去除效果。 實(shí)驗(yàn)條件：pH 為6.8～8.3，HRT 為5 h，水溫為20～28 ℃；（2）紫外/生物降解階段（UV/B 階段）。研究該階段含氮化合物和有機(jī)物去除效果。 實(shí)驗(yàn)條件：pH 為7.0～8.2，HRT 為5 h，水溫為13～22 ℃。

1.4 分析方法

含氮化合物濃度分析前通過0.45 mm 孔徑的膜過濾器過濾，COD、BOD 濃度取上清液分析（30 min），水樣采集后2 h 內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)， 所有數(shù)據(jù)均取3 次平均值。含氮化合物（包括）采用PIC-10A 型離子色譜儀（青島普仁）測(cè)定；TN 和COD、BOD 參照國(guó)家環(huán)保總局的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定；水溫、pH、DO 等采用Oxi300i 型便攜式多水質(zhì)參數(shù)儀測(cè)定（德國(guó)WTW）測(cè)定。

絲竹表面微觀結(jié)構(gòu)采用6380LV 型電子顯微鏡分析（日本電子株式會(huì)社），在K700 型體視顯微鏡下（德國(guó)麥克奧迪）觀察絲竹宏觀表面結(jié)構(gòu)變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 含氮化合物的去除效果

2 個(gè)階段含氮化合物的去除效果見圖2。

圖2 含氮化合物的去除/轉(zhuǎn)化效果

由圖2 可知，進(jìn)水TN 為22.4～26.8 mg/L。 在UV/B 階段，出水TN 為4.20～6.51 mg/L，TN 去除率為73.3%～83.2%，TN 平均去除率為77.9%；在B 階段，出水TN 為5.87～7.95 mg/L，TN 去除率為66.6%～75.2%，TN 平均去除率為68.8%。

2.2 COD 和BOD 的去除效果

COD 和BOD 的去除效果見圖3。

圖3 COD 和BOD 的去除效果

由圖3 可知，進(jìn)水COD 和BOD 分別為85～145 mg/L 和17～42 mg/L。 B 階段COD 去除率為78.9%～88.9%（COD 平均去除率為84.2%），BOD 去除率為29.7%～55.0%（BOD 平均去除率為43.7%）；UV/B 階段COD 去除率為80.0%～91.3%（COD 平均去除率為87.2%），BOD 去除率為40.9%～81.0%（BOD 平均去除率為61.6%）。 B 階段和UV/B 階段出水COD 和BOD 均滿足《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18919—2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。UV/B 階段與B 階段BOD去除率差異顯著（P＜0.05），COD 去除率差異不顯著（P＞0.05）。

與B 階段相比，UV/B 階段COD 去除率提高了3.0%以上，BOD 去除率提高了17.9%以上， 說明紫外輻照可以強(qiáng)化COD 和BOD 的去除效果。 絲竹表面的生物膜對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解， 絲竹水解產(chǎn)物和尾水中殘留的有機(jī)物在內(nèi)循環(huán)作用下被反復(fù)紫外輻照催化，并與生物膜反復(fù)接觸氧化，最終達(dá)到去除的目的。 根據(jù)相關(guān)理論，每去除1 g需要消耗3.26 g SCOD（溶解態(tài)的COD），絲竹表面生物膜厚度一般較厚，存在生物反硝化缺氧環(huán)境，生物反硝化可以消耗一定量的碳源。

2.3 絲竹填料表面結(jié)構(gòu)變化

實(shí)驗(yàn)過程中竹絲填料表面的結(jié)構(gòu)變化見圖4。

圖4 絲竹使用前后的變化對(duì)比

由圖4 可知，原始絲竹表面結(jié)構(gòu)光滑而致密；絲竹在使用6 個(gè)月后， 其表面被生物分解形成許多不規(guī)則孔洞（孔洞大小不一、形態(tài)不規(guī)則），大部分孔洞洞口大小介于50～550 μm 之間。

原竹與實(shí)驗(yàn)所用竹的SEM 見圖5。

圖5 竹子表面微觀結(jié)構(gòu)的變化

由圖5 可知， 使用后絲竹表面纖維結(jié)構(gòu)與原竹相比發(fā)現(xiàn)，竹纖維可以被微生物分解，絲竹分解產(chǎn)物是一系列結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物（中間產(chǎn)物或最終產(chǎn)物），該復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物可以被紫外輻照后降低其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，被微生物分解和利用。

3 討論

UV 階段， 將固定在絲竹表面的微生物膜和反應(yīng)器頂部的紫外輻照分開， 在保證微生物膜不受侵害的基礎(chǔ)上， 利用內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)使尾水中殘留的有機(jī)物和絲竹分解產(chǎn)物反復(fù)礦化和分解， 改善有機(jī)物的可生化性， 從而改善生物膜增殖和反硝化所需底物的可生化性。

絲竹作為固相反硝化過程中的載體和碳源，具有生物膜質(zhì)量大、生物載體成本低廉、曝氣量小、剩余活性污泥少等特點(diǎn)， 同時(shí)還能節(jié)省脫氮過程中所需要的碳源投加費(fèi)用。 而且絲竹為載體和碳源的紫外輻照和生物膜氧化協(xié)同的反應(yīng)器深度處理尾水是可行的，耗電量也較低。

4 結(jié)論

（2）絲竹表面整齊的纖維結(jié)構(gòu)會(huì)在反應(yīng)過程被生物降解和破壞， 其分解產(chǎn)物可以作為尾水深度脫氮所需碳源的有益補(bǔ)充。

（3）反應(yīng)器采用內(nèi)循環(huán)流態(tài)，耦合了紫外輻照與固相反硝化過程，實(shí)現(xiàn)了固相反硝化過程的優(yōu)化，也提高了尾水深度處理的效果， 為污水處理廠的升級(jí)改造提供參考。