溶解氧對生物接觸氧化+生物流化床聯(lián)合脫氮效果的影響*

許德超 朱婷婷 陽立平 張 巧 尹 雪 謝幫蜜 彭盛華

(深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，國家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地管理技術(shù)重點實驗室(深圳)，深圳市水環(huán)境中新型污染物檢測與控制重點實驗室，廣東 深圳 518001)

生物接觸氧化法兼具活性污泥法與生物膜法的特點，是目前研究的熱點[1-2]。生物流化床具有微生物相多樣化、微生物濃度高、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點[3]4140，也得到了廣泛研究和應(yīng)用[4-6]。研究者曾將不同工藝聯(lián)合以提升處理性能，如生物接觸氧化與人工濕地聯(lián)合[7-8]，生物流化床與生物濾池聯(lián)合[9]，生物流化床與膜生物反應(yīng)器聯(lián)合[3]4140，均取得了較好的處理效果。目前生物接觸氧化法與生物流化床法聯(lián)合處理生活污水的研究很少。

生物膜反應(yīng)器可在生物膜內(nèi)形成氧濃度梯度，為亞硝化菌、厭氧氨氧化菌和反硝化菌生長提供適宜的生長環(huán)境[10]7331,[11]1998,[12]754，實現(xiàn)氨氮和TN的同步去除。當(dāng)溶解氧(DO)濃度較高時亞硝化菌活性增強(qiáng)，同時厭氧氨氧化菌活性受到抑制，而當(dāng)DO濃度較低時亞硝化菌活性受到抑制，氨轉(zhuǎn)化速率下降[13-14]。適宜工況下亞硝化菌、厭氧氨氧化菌和反硝化菌可在一個反應(yīng)器中實現(xiàn)TN和有機(jī)物的去除[15]。此外，生物曝氣約占污水處理廠總能耗的50%～70%[16]，優(yōu)化曝氣可降低能耗?？梢?，DO濃度是重要的運(yùn)行參數(shù)，但是DO濃度對生物接觸氧化+生物流化床聯(lián)合脫氮效果的影響不得而知。

本研究采用生物接觸氧化法+生物流化床聯(lián)合處理污水，設(shè)置不同DO濃度考察兩種生物膜法的氨氮氧化、反硝化、厭氧氨氧化等過程，研究不同DO濃度對脫氮效果的影響，為后續(xù)研究和應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 污水來源

本研究采用的污水來自化糞池，為實際生活污水，水質(zhì)特點見表1。

表1 污水水質(zhì)

1.2 中試設(shè)備與運(yùn)行設(shè)計

本研究采用中試設(shè)備(運(yùn)行工藝見圖1)處理實際污水，規(guī)模為2 t/d，連續(xù)進(jìn)出水，運(yùn)行參數(shù)見表2。污水首先進(jìn)入有組合填料的生物接觸氧化池，處理后進(jìn)入生物流化床。生物流化床填料為內(nèi)含海綿塊的多孔塑料球殼，直徑80 mm，曝氣時呈流化態(tài)。污水經(jīng)處理后進(jìn)入沉淀池固液分離，污泥沉淀后通過排泥泵輸送至貯泥池?？刂粕锝佑|氧化池和生物流化床的曝氣量可實現(xiàn)DO濃度調(diào)控。實驗分3個運(yùn)行階段，每階段運(yùn)行30 d。第Ⅰ階段生物接觸氧化池和生物流化床的DO分別控制為(1.5±0.4)、(1.6±0.4) mg/L。第Ⅱ階段僅將生物接觸氧化池DO提高至(2.8±0.6) mg/L，后者曝氣量不變。第Ⅲ階段進(jìn)一步將生物接觸氧化池DO提高至(4.6±0.8) mg/L，后者曝氣量不變。檢測生物接觸氧化池和生物流化床內(nèi)各形態(tài)氮、COD的濃度，分析脫氮效果。

圖1 運(yùn)行工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of operation process

表2 運(yùn)行參數(shù)

1.3 分析方法

從進(jìn)水和中試設(shè)備反應(yīng)池采集水樣檢測各指標(biāo)，水樣以0.45 μm膜過濾后檢測。COD采用重鉻酸鉀法檢測，TN采用過硫酸鉀氧化法檢測，氨氮采用水楊酸-次氯酸分光光度法檢測，硝酸鹽氮采用紫外分光光度法檢測，亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 第Ⅰ階段脫氮效果

第Ⅰ階段生物接觸氧化池和生物流化床的DO分別控制為(1.5±0.4)、(1.6±0.4) mg/L。生物接觸氧化池氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮變化見圖2。由圖2可知，經(jīng)生物接觸氧化池處理后氨氮由(20.4±4.1) mg/L降至(8.3±1.9) mg/L，去除率為59.8%±4.4%。硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度分別由進(jìn)水的(2.80±1.61)、(0.20±0.17) mg/L升至(3.83±1.43)、(1.05±0.56) mg/L。氨氮濃度降低而硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮濃度升高，可見氨氮被氧化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。TN和COD變化見圖3。經(jīng)生物接觸氧化池處理后TN由進(jìn)水的(24.4±3.6) mg/L降至(13.7±2.2) mg/L，去除率為43.5%±4.6%?？梢婋m沒有專門設(shè)置缺氧段，生物接觸氧化池仍有一定的脫氮效果。COD由進(jìn)水的(99.2±12.1) mg/L降為(44.4±3.9) mg/L，去除率為54.6%±6.7%。COD去除效果不理想，可能是DO濃度較低，影響好氧微生物活性，不利于有機(jī)物氧化分解。

污水由生物接觸氧化池進(jìn)入生物流化床進(jìn)一步處理，DO為(1.6±0.4) mg/L。各形態(tài)氮和COD的去除效果見圖4。氨氮由(8.3±1.9) mg/L降至(3.6±1.1) mg/L，去除率為57.2%±7.1%，同時硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮濃度也降低。這說明生物流化床存在脫氮反應(yīng)(反硝化或厭氧氨氧化)。因此，TN質(zhì)量濃度也降低，由(13.7±2.2) mg/L降至(6.2±1.2) mg/L，去除率為53.1%±13.0%。COD質(zhì)量濃度降低，由(44.4±3.9) mg/L降至(22.9±3.7) mg/L，去除率為48.2%±8.9%。經(jīng)過生物接觸氧化池和生物流化床聯(lián)合處理，TN去除率為73.7%±6.9%，本研究未設(shè)缺氧段但取得了較好的脫氮效果。

圖2 第Ⅰ階段生物接觸氧化池的各形態(tài)氮去除效果Fig.2 Removal of various forms of nitrogen by biological contact oxidation tank in stage Ⅰ

圖3 第Ⅰ階段生物接觸氧化池的TN和COD去除效果Fig.3 Removal of TN and COD by biological contact oxidation tank in stage Ⅰ

圖4 第Ⅰ階段生物流化床的各形態(tài)氮和COD去除效果Fig.4 Removal of various forms of nitrogen and COD by biological fluidized bed in stage Ⅰ

2.2 第Ⅱ階段脫氮效果

第Ⅱ階段將生物接觸氧化池的DO調(diào)高為(2.8±0.6) mg/L。生物接觸氧化池氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮變化見圖5。經(jīng)生物接觸氧化池處理后氨氮由進(jìn)水的(19.6±3.9) mg/L降至(2.1±0.3) mg/L，去除率為88.9%±2.4%，較第Ⅰ階段明顯改善，而硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮分別由(2.69±1.59)、(0.29±0.20) mg/L升至(4.66±1.03)、(2.44±0.67) mg/L，均比第Ⅰ階段高。TN和COD變化見圖6。TN由進(jìn)水的(23.2±3.6) mg/L降至(10.2±1.5) mg/L，去除率為55.4%±5.5%，高于第Ⅰ階段相應(yīng)的去除率。COD由進(jìn)水的(98.1±13.5) mg/L降至(34.1±3.8) mg/L，去除率為64.7%±5.7%，高于第Ⅰ階段相應(yīng)的去除率。

污水隨后進(jìn)入生物流化床處理，該池曝氣強(qiáng)度不變，DO為(1.5±0.5) mg/L，與第Ⅰ階段相當(dāng)。各形態(tài)氮和COD的變化情況見圖7。氨氮由(2.1±0.3) mg/L降低至(0.8±0.2) mg/L，去除率為59.9%±10.3%。硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮分別由(4.66±1.03)、(2.44±0.67) mg/L降至(2.97±0.83)、(1.81±0.26) mg/L，發(fā)生了反硝化脫氮反應(yīng)。TN由(10.2±1.5) mg/L降至(6.5±0.9) mg/L，去除率為36.3%±8.4%。COD由(34.1±3.8) mg/L降至(14.2±3.4) mg/L，去除率為57.9%±10.9%。經(jīng)生物接觸氧化池和生物流化床聯(lián)合處理，最終TN去除率為72.0%±2.1%。

圖5 第Ⅱ階段生物接觸氧化池的各形態(tài)氮去除效果Fig.5 Removal of various forms of nitrogen by biological contact oxidation tank in stage Ⅱ

圖6 第Ⅱ階段生物接觸氧化池的TN和COD去除效果Fig.6 Removal of TN and COD by biological contact oxidation tank in stage Ⅱ

圖7 第Ⅱ階段生物流化床的各形態(tài)氮和COD去除效果Fig.7 Removal of various forms of nitrogen and COD by biological fluidized bed in stage Ⅱ

2.3 第Ⅲ階段脫氮效果

第Ⅲ階段將生物接觸氧化池DO進(jìn)一步提高至(4.6±0.8) mg/L，生物流化床曝氣量與第Ⅰ、Ⅱ階段相同。連續(xù)運(yùn)行30 d，運(yùn)行結(jié)果統(tǒng)計見表3。第Ⅲ階段生物接觸氧化池氨氮降至(1.2±0.3) mg/L，去除率為94.0%±1.9%，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮大幅增加，且COD去除率為66.1%±5.8%，均高于第Ⅰ、Ⅱ階段，而TN去除率為39.5%±7.2%，均低于第Ⅰ、Ⅱ階段。第Ⅲ階段中由于大部分氨氮已在生物接觸氧化池中被氧化，進(jìn)入生物流化床的氨氮濃度很低，氨氮去除率為43.8%±19.0%，均低于第Ⅰ、Ⅱ階段，同時TN去除率僅為19.4%±6.8%，明顯低于第Ⅰ、Ⅱ階段。

2.4 DO對脫氮效果的影響

第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段進(jìn)水水質(zhì)相當(dāng)，但生物接觸氧化池的DO濃度依次升高，而生物流化床的DO濃度相當(dāng)。硝化菌和亞硝化菌為好氧菌，更高的DO濃度更有利于氨氮氧化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。第Ⅱ階段生物接觸氧化池TN去除率為55.4%±5.5%，而第Ⅰ階段TN去除率為43.5%±4.6%，可見DO提高至(2.8±0.6) mg/L并沒有損害脫氮效果。CEMA等[17]1009取得了相似的研究結(jié)果，DO為2.5 mg/L時生物膜反應(yīng)器的TN去除性能良好。生物膜內(nèi)可形成氧濃度梯度，為亞硝化菌和反硝化菌提供適宜的生長環(huán)境[10]7331,[11]1998,[12]754，在曝氣條件下實現(xiàn)氨氮和TN的同步去除。與第Ⅰ階段相比，第Ⅱ階段生成硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮更多，為反硝化提供更多的氧化態(tài)氮，有利于脫氮，因而TN去除率更高。此外，也可能發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)。亞硝化菌傾向于生長在生物膜外表面，厭氧氨氧化菌傾向于生長在生物膜內(nèi)部[18]。生物膜表面的亞硝化菌和異養(yǎng)菌對DO的消耗有助于維持生物膜內(nèi)部較低DO，且生物膜對DO傳質(zhì)的阻礙可為生物膜內(nèi)部厭氧氨氧化菌創(chuàng)造有利的厭氧環(huán)境[19]。研究表明，生物膜工藝可以有效緩解DO對厭氧氨氧化菌的抑制作用[17]1009,[20]。另外，厭氧氨氧化菌和反硝化菌對亞硝酸鹽氮的半飽和常數(shù)比硝化菌更低，因而對亞硝酸鹽氮的親和能力比硝化菌更強(qiáng)，有助于抑制硝化菌活性[21]。第Ⅲ階段中生物接觸氧化池DO進(jìn)一步提高至(4.6±0.8) mg/L時，TN去除率均比第Ⅰ、Ⅱ階段低，可能是DO較高不利于生物膜內(nèi)部的厭氧反應(yīng)，抑制了同步硝化/反硝化或厭氧氨氧化反應(yīng)。因此，在生物接觸氧化池DO較低時有利于TN的去除，其原因可能是促進(jìn)了同步硝化/反硝化或厭氧氨氧化反應(yīng)。

第Ⅰ、Ⅱ階段生物流化床COD質(zhì)量濃度減少量相當(dāng)，然而第Ⅱ階段生物流化床TN質(zhì)量濃度減少量明顯低于第Ⅰ階段?？梢?，在相當(dāng)?shù)腃OD消耗量情況下，第Ⅰ階段生物流化床TN去除量更大。這可能是由于第Ⅰ階段生物流化床中部分TN的去除不依賴反硝化反應(yīng)，即可能發(fā)生了厭氧氨氧化反應(yīng)，提高了TN去除率。第Ⅱ階段生物流化床難以發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)的原因為：第Ⅱ階段生物接觸氧化池因DO更高而使大部分氨氮已被去除，隨后生物流化床中氨氮濃度低，難以通過厭氧氨氧化反應(yīng)脫氮。反之，第Ⅰ階段生物接觸氧化池DO較低，更多氨氮進(jìn)入生物流化床，根據(jù)上文分析，在低DO條件下有利于厭氧氨氧化反應(yīng)的發(fā)生，因而TN去除效果更好，最終脫氮效果好于第Ⅱ階段。這在第Ⅲ階段得到進(jìn)一步驗證。雖然第Ⅲ階段生物流化床DO與第Ⅰ、Ⅱ階段相當(dāng)，但由于第Ⅲ階段生物接觸氧化池DO較高，大部分氨氮被氧化，進(jìn)入生物流化床的氨氮濃度很低，很難通過厭氧氨氧化反應(yīng)去除TN，且大部分COD也在生物接觸氧化池被消耗，難以在隨后的生物流化床中驅(qū)動反硝化脫氮反應(yīng)的進(jìn)行。因此，第Ⅲ階段生物流化床TN去除效果相對較差。CandidatusKuenenia[22]和CandidatusBrocadia[23]為厭氧氨氧化污泥的特征微生物，被認(rèn)為是最常見的厭氧氨氧化菌[24]，可能為本系統(tǒng)厭氧氨氧化的功能微生物，當(dāng)DO濃度高造成生物流化床中的氨氮濃度低時，必然不利于厭氧氨氧化脫氮反應(yīng)的進(jìn)行。

表3 第Ⅲ階段污染物去除效果

最終，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的TN去除率分別為73.7%±6.9%、72.0%±2.1%和51.4%±5.6%?？梢?，生物接觸氧化池DO偏高反而會弱化TN去除效果。同時使生物接觸氧化池和生物流化床DO處于較低水平時，可提升系統(tǒng)的同步硝化/反硝化和厭氧氨氧化脫氮性能，最終優(yōu)化整體脫氮效果?？傮w上既節(jié)省曝氣，又提高了TN去除率。

3 結(jié) 語

(1) 不設(shè)缺氧池時，生物接觸氧化+生物流化床聯(lián)合處理實際生活污水有一定的脫氮效果，但生物接觸氧化池的DO濃度會對脫氮效果產(chǎn)生影響。

(2) 生物接觸氧化池的DO濃度升高會影響整體脫氮效果，DO濃度逐漸升高時，整體TN去除率逐漸降低。

(3) 以DO濃度為調(diào)控參數(shù)，可優(yōu)化生物接觸氧化+生物流化床聯(lián)合脫氮效果，同時降低曝氣能耗，具有實踐意義。