謝曙光，張曉健，王占生
(清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京100084)

　　摘　要：對(duì)地表水處理中的好氧反硝化進(jìn)行了探索性研究，在水力負(fù)荷較高的情況下取得了良好的效果(對(duì)氮的去除率為20%～30%)，還根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)好氧反硝化的機(jī)理作了補(bǔ)充和修正。
　　關(guān)鍵詞：地表水；好氧反硝化；除氮?
　　中圖分類號(hào)：X505
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)03-0007-03

Aerobic Denitrification in Surface Water Treatment
XIE Shu?guang，ZHANG Xiao?jian，　WANG Zhansheng?
(Dept of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 10008 4,China)

　　Abstract：Experimental study was carried out on the aerobic denitrificaion in surface water treatment,and good effect was achieved under high hydraulic loading with nitro gen removal of 20%～30%.Furthermore,supplement and modification were made for th e mechanism of aerobic denitrification based on the experiment results.
　　Keywords:surface water;　aerobic denitrification;　nitrogen removal

　　氮能引起水環(huán)境的富營(yíng)養(yǎng)化，因此在含氮廢水排入水體以前必須進(jìn)行脫氮。常規(guī)的脫氮方法是進(jìn)行生物硝化反硝化，但在有機(jī)碳源較低時(shí)必須投加甲醇或乙醇等外加碳源才能進(jìn)行有效的異養(yǎng)反硝化。最近一些國(guó)外學(xué)者在處理高氨氮廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，在低溶解氧(DO為1 mg/L左右)條件下某些微生物能不消耗有機(jī)物而進(jìn)行脫氮，例如用生物轉(zhuǎn)盤法處理經(jīng)化學(xué)混凝(絮凝)的填埋場(chǎng)滲濾液(DOC為20mg/L,NH₄⁺-N為100～400 mg/L)時(shí)有60%的氮流失，而這不可能是異養(yǎng)反硝化的結(jié)果，故把此現(xiàn)象叫做好氧反硝化(Aerobic denitrification)或氧受限制的反硝化(Oxygen limited denitrification)，也有人稱其為好氧脫氨(Aerobic　deammonification),屬于自養(yǎng)反硝化類型的一種^［1～3］。對(duì)于氨氮較低的地表水處理，國(guó)內(nèi)外尚未有好氧反硝化現(xiàn)象的報(bào)道。?

1　中試概況

　　采用三級(jí)淹沒(méi)式生物濾池對(duì)永定河水進(jìn)行處理流程見圖1。

　　圖1可見，濾池(柱)高均為3 m，柱直徑為20 cm。濾池Ⅰ、Ⅱ的濾料層凈高為1.2 m，濾池Ⅲ的濾料層凈高為1.5 m(開始運(yùn)行時(shí)為1.5 m)。濾池中的填料均為陶粒(粒徑為2～5mm)，濾池Ⅰ、Ⅱ內(nèi)不曝氣，而濾池Ⅲ內(nèi)進(jìn)行曝氣。濾池Ⅱ頂部密封，但在柱頂部 側(cè)面設(shè)有數(shù)個(gè)開口(通過(guò)閥門可以調(diào)節(jié)開、閉程度)以調(diào)節(jié)濾池Ⅱ內(nèi)DO濃度(維持在1 mg/L左右)。
　　試驗(yàn)從夏天開始，通水掛膜約4周后對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率為28%，對(duì)NH₄⁺-N的去除率為60%,可以認(rèn)為生物膜已基本成熟，經(jīng)數(shù)日運(yùn)行后認(rèn)為系統(tǒng)已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。不同水力負(fù)荷和不同氣水比的試驗(yàn)結(jié)果見表1～3。
　　從3組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在濾池Ⅱ內(nèi)(DO為0.6～1 m g/L)有較多氮的流失，而有機(jī)碳(COD)卻沒(méi)有明顯變化，估計(jì)所發(fā)生氮的流失是自養(yǎng)菌引起的。在濾池Ⅲ內(nèi)也有少量氮的流失，這是因?yàn)槠涞撞窟M(jìn)水端仍存在一定的缺氧區(qū)，也發(fā)生了自養(yǎng)反硝化，同時(shí)可以看到氣水比越大，濾池Ⅲ內(nèi)氮的流失越少，這可能是通氣量大時(shí)減少了濾池Ⅲ內(nèi)的缺氧區(qū)，因而好氧反硝化受到較多抑制的緣故。

表1　水力負(fù)荷為5m³/（m²·h)時(shí)的運(yùn)行結(jié)果 項(xiàng)目 原水 濾池Ⅰ出水 濾池Ⅱ出水 濾池Ⅲ出水 高錳酸鹽指數(shù)(mg/L) 6.6 5.3 5.3 4.6 UV₂₅₄(1/cm) 0.203 0.184 0.169 0.155 DO(mg/L) 3.4 1.0(1.3) 0.7 2.6 NH₄⁺-N(mg/L) 3.9 3.0 2.0 0.5 NO₂-N(mg/L) 0.2 0.2 0.2 0.1 NO₃-N(mg/L) 0.7 1.3 1.3 2.8 無(wú)機(jī)氮總和(mg/L) 4.8 4.5 3.5 3.4 注：(()內(nèi)數(shù)據(jù)為濾池Ⅱ進(jìn)水的實(shí)際DO值；濾池Ⅲ的氣水比為1∶1。

表2　水力負(fù)荷為6m³/m²·h時(shí)的運(yùn)行結(jié)果 項(xiàng)目 原水 濾池Ⅰ出水 濾池Ⅱ出水 濾池Ⅲ出水 濾池Ⅲ出水

濾池Ⅲ出水

高錳酸鹽指數(shù)(mg/L) 6.9 6.1 6.1 5.3 5.2 5.2 UV₂₅₄(1/cm) 0.136 0.120 0.118 0.101 0.097 0.097 DO(mg/L) 3.4 1.0(1.3) 0.7 2.5 3.1 3.6 NH₄⁺-N(mg/L) 2.81 1.12 0.52 0.2 0.2 0.1 NO₂-N(mg/L) 0.53 1.24 1.21 0.15 0.1 0.05 NO₃-N(mg/L) 1.04 2.02 1.98 3 3.06 3.26 無(wú)機(jī)氮總和(mg/L) 4.38 4.38 3.71 3.35 3.36 3.41 注：()內(nèi)數(shù)據(jù)為濾池Ⅱ進(jìn)水的實(shí)際DO值；濾池Ⅲ的氣水比從左到右依次為0.5∶1、1∶1和1.5∶1。

表3　水力負(fù)荷為8m³/(m²·h)時(shí)的運(yùn)行結(jié)果 項(xiàng)　目 原水 濾池Ⅰ水 濾池Ⅱ出水 濾池Ⅲ出水 濾池Ⅲ出水

濾池Ⅲ出水

高錳酸鹽指數(shù)(mg/L) 6.0 5.3 5.3 5.2 5.2 5.1 UV₂₅₄(1/cm) 0.116 0.101 0.101 0.099 0.097 0.096 DO(mg/L) 3.3 1.0(1.3) 0.6 3.6 4.0 4.4 NH₄⁺-N(mg/L) 2.32 1.38 1.14 0.2 0.1 0 NO₂-N(mg/L) 1.03 0.76 0.67 0.31 0.18 0.05 NO₃-N(mg/L) 1.49 2.17 2.04 3.04 3.3 3.7 無(wú)機(jī)氮總和(mg/L) 4.84 4.28 3.85 3.55 3.58 3.75 注：(()內(nèi)數(shù)據(jù)為濾池Ⅱ進(jìn)水的實(shí)際DO值；濾池Ⅲ的氣水比從左到右依次為0.5∶1、1∶1和1.5∶1。

　　目前在好氧或氧供應(yīng)受限制條件下發(fā)生自養(yǎng)反硝化有兩種假設(shè)：?
　　①由于在絮體或生物膜的氧擴(kuò)散受限而導(dǎo)致厭氧微環(huán)境的生成。絮體直徑為0.15mm時(shí)足以發(fā)生反硝化，而在生物膜厚度達(dá)到0.1 mm時(shí)也能發(fā)生反硝化。亞硝酸鹽在好氧生物膜內(nèi)由Nitrisomonas(亞硝化菌)產(chǎn)生，然后擴(kuò)散進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，發(fā)生相似于ANAMMOX工藝(厭氧氨氧化)的亞硝酸鹽還原和氨氮氧化的偶聯(lián)反應(yīng)^［4、5］：NH₄⁺+O₂→NO₂-NH₄⁺+NO₂^-→N₂。 ?
　　②亞硝酸鹽不是由氨氮氧化直接生成，而是由NH₂OH產(chǎn)生^［6］，其模型示意如下 ：?

　　　　　　　

　　根據(jù)此模型，由Nitrisomonas?氧化生成的亞硝酸鹽中的67%理論上能還原成N₂，這可 能是生物轉(zhuǎn)盤中連續(xù)變化的氧化還原電位造成的。
　　從中試生物濾池的運(yùn)行條件和結(jié)果來(lái)看，好氧反硝化的機(jī)理接近于第一種，因發(fā)現(xiàn)濾池Ⅱ內(nèi)有NO₃-N濃度降低的現(xiàn)象，推測(cè)可能還存在如下反應(yīng)：NO₃^-+NH₄⁺→NO₂^-。

2　間歇試驗(yàn)

　　進(jìn)一步通過(guò)一組間歇試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證生物濾池內(nèi)發(fā)生的好氧反硝化現(xiàn)象。先讓裝置停運(yùn)20 h(濾料仍淹沒(méi)在水中，可以認(rèn)為各反應(yīng)柱中的可生物降解有機(jī)物都已耗盡)，然后從濾池Ⅱ中部取一定量的陶粒置于BOD瓶中，放入一定體積的濾池Ⅱ的殘液，向瓶中添加NH₄Cl,使NH₄⁺-N濃度約 為50 mg/L(實(shí)際測(cè)得NH₄⁺-N為46.6 mg/L，NO₂-N和NO₃-N都為0，高錳酸鹽指數(shù)為5 mg/L)。反應(yīng)1 h后測(cè)得NH₄⁺-N為42.8 mg/L，NO₂-N和NO₃-N都為0，高錳酸 鹽指數(shù)為5 mg/L(反應(yīng)期間的DO為0.6～1.2 mg/L)時(shí)可以看出同樣也發(fā)生了好氧反硝化。Christine進(jìn)行的間歇試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)(取硝化生物轉(zhuǎn)盤上的一些生物膜放在某容器內(nèi)，然后添加NH₄⁺-N使其在容器內(nèi)的濃度為60 mg/L，而不添加任何有機(jī)碳源，整個(gè)反應(yīng)過(guò) 程中維持DO在1 mg/L,此時(shí)能觀察到氨氮的轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于亞硝酸鹽和硝酸鹽累積率之和，而脫氮率可達(dá)到40%～50%^［5］)。

3　結(jié)論和建議

　　對(duì)地表水處理中的好氧反硝化進(jìn)行了研究，并在水力負(fù)荷較高的情況下取得了良好的效果(有20%～30%的氮被去除，事實(shí)上在水力負(fù)荷較低［3m^3/(m²·h)］時(shí)曾有44%的脫氮率)。由于處理過(guò)程中不需添加有機(jī)碳，因此具有處理成本低、出水水質(zhì)安全的特點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)一步 從理論上研究好氧反硝化的成因并提高其效率。

參考文獻(xiàn)：

　　［1］Helmer C,et al?.Nitrogen loss in a nitrifying biofilm system［J］.Wat Sci Tec hnol，1999，39(7):13-21.
　　［2］Hippen A，et al?.Aerobic deammonification:a new experience in the treatment of wastewaters［J］.Wat Sci Technol，1996，35(10):111-120.
　　［3］ Siegrist H，et al?.Nitrogen loss in a nitrifying rotating contactor treating ammonium rich leachate without organic carbon［J］.Wat Sci Technol，1998，37(4- 5):589-591.
　　［4］ Bock E，et al?.Nitrogen loss caused by dentrifying nitrosomonas cells using a mmonium or hydrogen as electron donors and nitrite as acceptor［J］.Arch Microbi ol，1995，16(3):16-20.
　　［5］ Christine H，Sabine Kunst. Simultaneous nitrification/denitrification in an aerobic biofilm system［J］.Wat Sci Technol，1998，37(4-5):183-187.
　　［6］Straous M，et al.Ammnonium removal from concentrated　waste streams?with?the?anaerobic?ammonium?oxidation process in di fferent con figurations［J］.Wat Res，1997，31(10):1955-1962.
　　［7］王建龍.生物脫氮新工藝及其技術(shù)原理［J］.中國(guó)給水排水，2000，16(2):2 5-28.

---

　　作者簡(jiǎn)介：謝曙光(1975-),男,江蘇常州人,清華大學(xué)博士研究生,主要從事水污染控制技術(shù)研究。
　　電　　話：(010)62782196(O)　62774056(H)?
　　E-mail:sgxie@263.net
　　收稿日期：2001-09-29