生物轉(zhuǎn)盤處理低C/N城鎮(zhèn)污水的脫氮工藝研究

傅木星

（杭州迪利生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟工程有限公司，杭州 310000）

隨著我國人口的不斷增加和城市化進(jìn)程的迅速加快，用水需求激增，城鎮(zhèn)污水排放量逐年增加。我國城鎮(zhèn)污水有機物含量不高且有逐漸降低的趨勢，氨氮濃度卻越來越高，污水的碳氮比（C/N）持續(xù)降低，加大了污水處理難度。對于低C/N 的城鎮(zhèn)污水，傳統(tǒng)的污水脫氮工藝不能達(dá)到預(yù)期的處理效果，要加大曝氣量，補充大量有機碳源，以提高處理效率。曝氣量的增大和有機碳源的大量使用使污水處理成本急劇增加。因此，降低曝氣量和有機碳源使用量具有重要的意義。

生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)是一種在生物濾池基礎(chǔ)上發(fā)展起來的生物膜法污水處理技術(shù)，于20世紀(jì)70年代被引入我國。微生物附著在生物轉(zhuǎn)盤的盤片上形成生物膜，通過生物轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，生物膜可以交替地與污水和空氣接觸，獲得適當(dāng)?shù)娜芙庋酰―O），從而降低系統(tǒng)的能耗。盤片的生物膜具有一定厚度，DO 難以深入進(jìn)行反硝化等反應(yīng)，有利于脫氮的進(jìn)行。生物轉(zhuǎn)盤不需要曝氣，能耗低，抗沖擊能力強，可以很好地運用到城鎮(zhèn)污水的處理中。李莎等利用聚乙烯制作生物轉(zhuǎn)盤盤片處理市政污水，化學(xué)需氧量（COD）的去除率超過90%，總氮（TN）的去除率可達(dá)87%。孫懷谷等將生物轉(zhuǎn)盤作為核心工藝處理城鎮(zhèn)污水，出水可達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級A 標(biāo)準(zhǔn)。目前，用于生物轉(zhuǎn)盤脫氮處理研究的城鎮(zhèn)污水C/N 大都大于3，而低C/N 城鎮(zhèn)污水脫氮研究鮮見報道。筆者以C/N 低于3 的城鎮(zhèn)污水為研究對象，以生物轉(zhuǎn)盤作為主要反應(yīng)器，研究不同轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對工藝脫氮性能的影響，以期引導(dǎo)人們利用生物轉(zhuǎn)盤處理低C/N 城鎮(zhèn)污水。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置及流程

生物轉(zhuǎn)盤由水槽和水槽蓋組成，水槽材質(zhì)為防腐碳鋼，有效容積約為5 m。反應(yīng)器內(nèi)裝有2 組轉(zhuǎn)盤，每組轉(zhuǎn)盤含有5 個盤片，盤片直徑為2 m，為復(fù)合鏤空絲板結(jié)構(gòu)。減速機功率為1.5 kW，通過轉(zhuǎn)軸帶動盤片轉(zhuǎn)動，盤片的轉(zhuǎn)速介于0 ～25 r/min，可調(diào)節(jié)。試驗流程如圖1 所示。

圖1 試驗流程

1.2 試驗用水

試驗用水取自溫嶺市某污水處理廠，該廠的進(jìn)水主要是生活污水，沒有工業(yè)污水摻入，C/N 保持在1.2 ～2.5，具體水質(zhì)如表1 所示。主要監(jiān)測指標(biāo)有COD、氨氮（NH-N）、TN 和C/N。

表1 試驗用水水質(zhì)

1.3 試驗方法

試驗接種污泥為杭州某垃圾填埋場污水處理站污泥，在試驗的過程中，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度保持在3 500 mg/L。系統(tǒng)采用連續(xù)進(jìn)水的方式啟動，進(jìn)水量為0.2 m/h，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為4 r/min。根據(jù)出水水質(zhì)，適當(dāng)調(diào)整進(jìn)水流量和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。啟動成功后，在連續(xù)穩(wěn)定運行條件下，研究轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對污水處理過程中脫氮效果的影響，尋求生物轉(zhuǎn)盤脫氮的最佳轉(zhuǎn)速。

1.4 分析項目和方法

NH-N 采用《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》（HJ 535—2009）測定；TN 采用《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）測定；DO 濃度采用便攜式溶氧儀測定；COD 采用COD 快速測定儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 轉(zhuǎn)盤啟動

生物轉(zhuǎn)盤啟動階段，進(jìn)水COD、NH-N 和TN平均濃度分別為132 mg/L、34.99 mg/L 和50.72 mg/L。啟動初期，出水水質(zhì)較差，這與盤片上未附著穩(wěn)定生物膜，微生物數(shù)量較少且活性較差有關(guān)。隨著啟動的進(jìn)行，出水水質(zhì)逐漸改善，在第40 天時，出水的COD 去除率達(dá)82.03%，NH-N 和TN 去除率分別為88.42%和64.72%。觀察生物轉(zhuǎn)盤盤片，發(fā)現(xiàn)其表面形成一層構(gòu)造均勻、厚度約2 mm 的生物膜，生物轉(zhuǎn)盤啟動成功。

2.2 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對NH4+-N 去除的影響

生物轉(zhuǎn)盤進(jìn)水速度控制在0.5 m/h，通過無級變速器調(diào)節(jié)生物轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，每個轉(zhuǎn)速運行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后繼續(xù)運行7 d，考察轉(zhuǎn)速對NH-N 去除的影響。NH-N 去除率隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的變化情況如圖2 所示。由圖2 可以看出，隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速從低到高變化，NH-N 去除率先增加，后趨于穩(wěn)定，再下降。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速不大于2 r/min 時，生物轉(zhuǎn)盤內(nèi)DO 濃度很低，不足0.1 mg/L，硝化菌沒有足夠的O作為電子受體，從而使NH-N 的氧化受阻，出水的NH-N濃度較高，去除率不足42%。隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的提高，水力攪拌作用逐漸增強，強化了污水的混合和傳質(zhì)，生物轉(zhuǎn)盤內(nèi)DO 濃度逐漸升高，有利于NH-N發(fā)生硝化反應(yīng)。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為4 r/min 時，生物轉(zhuǎn)盤內(nèi)DO 濃度約為0.4 mg/L，出水NH-N 濃度為2.74 mg/L，去除率達(dá)到90.63%。隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增大，生物轉(zhuǎn)盤內(nèi)DO 濃度還可以進(jìn)一步升高，但是此時DO 已經(jīng)不再是硝化反應(yīng)的限制性因素，NH-N 去除率沒有大幅度的提升。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速大于8 r/min 時，水利剪切作用增強到一定程度，致使盤片上生物膜過早脫落，生物量減少導(dǎo)致NH-N 去除率下降。

圖2 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對NH4+-N 去除的影響

2.3 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對TN 去除的影響

TN 去除率隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的變化情況如圖3 所示。由圖3 可以看出，隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的提高，TN 去除率也先升高后降低。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速較低時，生物轉(zhuǎn)盤內(nèi)DO濃度很低，NH-N 硝化反應(yīng)受阻，后續(xù)的反硝化和厭氧氨氧化等因缺少電子受體而無法順利進(jìn)行，從而導(dǎo)致出水TN 濃度高，去除率低。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為4 r/min 時，出水TN 濃度為9.96 mg/L，去除率最高為81.22%。這與生物轉(zhuǎn)盤內(nèi)的DO 濃度密切相關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為4 r/min 時，生物轉(zhuǎn)盤內(nèi)DO 濃度約為0.4 mg/L，在這樣的微氧環(huán)境下，NH-N 能在氨氧化菌的作用下氧化生成亞硝態(tài)氮，為后續(xù)的反硝化和厭氧氨氧化提供底物，使得脫氮反應(yīng)順利進(jìn)行，從而獲得較高的TN 去除率。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速大于6 r/min 時，隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，DO 濃度繼續(xù)增高，生物轉(zhuǎn)盤上，生物膜表面氧的穿透能力逐漸增強，使生物膜內(nèi)部的缺氧環(huán)境逐漸減少，不利于反硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)進(jìn)行，導(dǎo)致TN去除率降低。轉(zhuǎn)速大于8 r/min 后，由于水力剪切作用，生物膜過早脫落，TN 去除效率進(jìn)一步降低。

圖3 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對TN 去除的影響

3 結(jié)論

進(jìn)水量為0.2 m/h，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為4 r/min 時，生物轉(zhuǎn)盤可以在40 d 內(nèi)完成啟動，啟動結(jié)束后，COD 去除率達(dá)82.03%，NH-N 和TN 去除率分別為88.42%和64.72%。隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速從低到高變化，NH-N 去除率先增加，后趨于穩(wěn)定，再下降，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為4 ～8 r/min 時，NH-N 去除率維持在90%以上，此后繼續(xù)增加轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，NH-N 去除率出現(xiàn)降低。隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速從低到高變化，TN 去除率先增加，后下降，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為4 r/min 時，出水TN 濃度為9.96 mg/L，去除率最高為81.22%。