邱立平，馬軍
( 哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱　150090)

　　摘　要： 通過小試研究了曝氣生物濾池實現短程硝化反硝化的效能和機理。試驗結果表明，曝氣生物濾池在濾速為1～2m/h、氣水比為3∶1、水溫為21～26.5℃、進水COD負荷為1.18～5.57kg/(m³·d)、NH₃-N負荷為0.26～0.62kg/(m³·d)、TN負荷為0.28～0.63kg/(m³·d)的條件下可以取得良好的去除有機物和脫氮效果。試驗中還發現，反應器中出現了明顯的NO₂-積累現象，并表現出顯著的短程硝化反硝化特征，進行機理分析后認為曝氣生物濾池的結構特征和運行方式是其能夠進行短程硝化反硝化的主要原因。
　　關鍵詞：曝氣生物濾池；NO₂-積累；短程硝化反硝化
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)11-0001-04

Study on the Mechanism of shortcut Nitrification-Denitrification in Aerated Biofilter
QIU Li-ping,MA Jun
(School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin University of Technology,?Harbin 150090,China)

　　Abstract：Study was made on the efficiency and mechanism of shortcut nitrification-denitri fication in aerated biofilter.The test result showed that good effect of organic and nitrogen removal can be achieved at filtration rate of 1～2m/h,air/water ratio of 3∶1,water temperature of 21～26.5℃,influent COD loading of 1.18～5.57kg/(m³·d),NH₃-N loading of 0.26～0.62kg/(m³·d),TN loading of 0.28～0.63kg/(m³·d). Furthermore, the obvious NO₂-accumulation and shortcut nitrification-denitrification were found in the biofilter.After analysis of mechanism,it was believed that the structural feature and operational mode were the principal causes for the shortcut nitrification-denitrification occurring in the biofilter.?
　　Keywords: aerated biofilter;NO₂- accumulation;shortcut nitrification-denitrificati on

　　曝氣生物濾池是一種新型污水生物處理技術，具有占地面積小、處理效率高、能耗較低等特點,可進行模塊化應用，在對有機物、SS和氮的去除等方面具有良好的效果^[1]。?

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置
　　模型曝氣生物濾池由有機玻璃加工而成，尺寸為50mm×80mm×2000mm，底部為100mm高的礫石承托層，填料選用粒徑為3～5mm的陶粒，填充高度為1600mm。承托層以上每隔150mm設一個取樣口，共設9個。進氣口位于距底部400mm處，壓縮空氣經曝氣擴散器進入反應器。試驗裝置見圖1。

1.2 試驗方法?
　　原水由淀粉、蛋白胨、牛肉膏、NH₄Cl、KH₂PO₄、CaCl₂·H₂O、MgSO₄·7H₂O、FeSO₄·7H₂O、食用堿等按一定比例配制而成，其COD為86.61～424.6mg/L、NH₃-N為34.3～44.38mg/L、TN為41.26～46.16mg/L、NO₃^--N為0～0.82mg/L、NO₂^--N為0～0.32mg/L、pH值為5.8～8.18、BOD₅為56.31～236.45mg/L，TP為4～6mg/L。
　　采用下向流進水，氣水逆向流。反應器啟動時投加一定量的消化污泥作為種泥，悶曝3d后改為連續流進水，系統運行15d后對COD和NH₃-N的去除率分別達到75%和60%，至此標志掛膜成功，試驗分別在1、2m/h的濾速下進行，氣水比為3∶1，水溫為21～26.5℃，定時測定反應器進、出水及曝氣處水樣的COD、NH₃-N、TN、NO₃^--N、NO₂^--N、pH值、溶解氧以考察反應器去除有機物和硝化反硝化的效能及反應器內含氮化合物的空間變化特點。分析項目均按標準方法進行。采用氣水聯合反沖洗方式，按運行時的水頭損失和處理效果確定沖洗強度及頻率，周期一般為24～48h。

2　結果及分析

2.1 處理效果
　　①NH₃-N
　　曝氣生物濾池對NH₃-N的去除效果見圖2。

　　由圖2可知，在進水COD負荷為1.18～5.57kg/(m³·d)、NH₃-N負荷為0.26～0.63kg/(m³·d)時，曝氣生物濾池出水的氨氮含量＜3～16mg/L，對NH₃-N的平均去除率為81.4%。濾速為1、2m/h時反應器對NH₃-N的去除率沒有明顯變化，其中在運行的第17天由于改變濾速而引起處理效率下降，但是很快在一個過濾周期內即恢復到原有水平，這說明在一定的負荷條件下濾速對硝化的效率影響較小，但在較高濾速下的出水水質相對更穩定一些。
　　②TN
　　試驗期間系統對TN的去除效果見圖3。

　　圖3系統對TN的去除效果由圖3可知，在進水TN負荷為0.28～0.63kg/(m³·d)、濾速為1～2m/h的條件下，曝氣生物濾池對TN的去除率可達60%左右，出水TN為12.33～19.46mg/L。提高濾速對TN去除率有一定的影響，其原因可能是提高濾速則相應地增加了曝氣量，從而抑制了反硝化細菌的活性。
　　③COD
　　試驗表明，曝氣生物濾池對COD的平均去除率為79.53%，最高可達90%以上。個別水樣的COD去除率有些下降，可能是進水COD較低的原因，而出水COD大多在50mg/L以下(最低為15.87mg/L)，說明反應器對COD的去除效果相當穩定，而濾速在1～2m/h內變化對COD的處理效果沒有影響。
　　④NO₂-和NO₃-含量的變化
　　曝氣處的NO₂-和NO₃-含量的變化見圖4。

　　圖4曝氣處的NO₂-和NO₃-含量的變化
　　由圖4可知，曝氣處的NO₂-含量顯著高于NO₃-含量，說明在反應器內部發生了NO₂-的積累，而同期NH₃-N的減少量卻明顯地高于NO₂-和NO₂-生成量之和，說明這一過程中發生了反硝化作用。試驗中發現，提高濾速會加快水頭損失的增加速度，相應地增加反沖洗次數，而濾速為2m/h時的NO₂-積累現象比濾速為1m/h時更加明顯，說明反應器內的NO₂-積累與反沖洗有關。
　　試驗表明，出水的NO₃-含量幾乎為零，NO₂-含量在10mg/L左右(明顯高于NO₃-含量)，其與圖4的結果相比，NO₂-含量減少了約5～20mg/L，可以推測減少的NO₂-主要經反硝化作用去除。上述試驗結果表明，曝氣生物濾池在氨氧化過程中出現了明顯的NO₂-積累現象，而出水中NO₂-的減少并未帶來NO₃-的增加，說明對TN的去除主要是通過將NH₃-N氧化成NO₂-，進而由反硝化細菌將NO₂-直接反硝化形成N₂逸出的短程硝化反硝化途徑進行的。
2.2 結果分析
　　根據傳統生物脫氮理論，硝化過程的產物主要是NO₃^--N，穩態運行時不會出現NO₂-的積累，但試驗中對反應器內NO₂-和NO₃-含量的測定結果表明，單級曝氣生物濾池不僅在去除有機物的同時具有較好的脫氮能力，而且其機理不同于傳統硝化反硝化理論，此時氨氧化的產物主要是NO₂^--N，出水中NO₂^--N降低而NO₃^--N未見增加，說明大部分NO₂-并沒有進一步被氧化為NO₃-，而是被直接反硝化去除，表現出明顯的短程硝化反硝化特征。

3　短程硝化反硝化

　　①含氮化合物的空間變化
　　試驗期間對曝氣生物濾池內各種不同含氮化合物含量沿水流方向的空間變化進行了研究，采樣時間為反沖洗后6h、水溫為22℃、氣水比為3∶1，試驗結果見圖5。

　　由圖5可知，NH₃-N的減少與NO₂-的增加表現出一定的相關性，但在數量上卻沒有表現出穩定的同步變化，與此同時的NO₃-含量幾乎沒有變化(數量低且變化趨勢平穩)。從進水到0.7m深的濾層處NH₃-N的減少量稍高于NO₂-和NO₃-的生成量，隨后NH₃-N量急劇下降，而NO₂-的增幅卻明顯低于NH₃-N減少量；到1m深的濾層處及往后的變化比較平穩，而NO₂-的含量在1～1.3m深的濾層處也達到了最大值，隨后表現出與NH₃-N降低相一致的變化趨勢。由圖5可以得出兩點結論：a.曝氣生物濾池對NH₃-N的去除主要集中于0.7～1m深的濾層處，另外在0.4～0.7m深的濾層和1.3m深的濾層以上也有一定的去除；b.NH₃-N被氧化的主要產物是NO₂^--N，但NO₂^--N并沒有進一步被氧化為NO₃^--N，而是直接被反硝化去除。在曝氣處(1.3m深的濾層處)附近區域出現明顯的NO₂-積累現象，但在反應器的最下段又急劇下降，說明該區域氨氧化過程比較活躍，而NO₂-氧化和反硝化能力較低主要是受曝氣作用所帶來的溶解氧濃度和紊流強度變化的影響。?
　　②短程硝化反硝化機理?
　　近來的研究表明^[2、3]，在一定條件下生物反應器可以進行短程硝化反硝化脫氮，即控制硝化過程至產生NO₂-階段，然后再由NO₂-直接還原為N₂逸出，或在厭氧或缺氧條件下由NO₂-與NH₃-N作用形成N₂，實現反硝化脫氮。試驗期間發現的反應器中NO₂-積累現象和較高的脫氮效能說明在曝氣生物濾池中產生了短程硝化反硝化作用，而曝氣生物濾池獨特的結構特征和運行特點是其能夠進行短程硝化反硝化脫氮的根本原因。曝氣生物濾池采用陶粒作為過濾和生物氧化的介質和載體，進水沿填料推流而下，但在填料空隙間則為局部紊流，因而在整體上和每一單元填料表面所附著生物膜中都存在著基質和溶解氧的濃度梯度分布，也為各種不同生態類型的微生物在生物膜內不同部位占據優勢生態位提供了條件。

4　結論

　　①同步脫氮除碳曝氣生物濾池在濾速為1～2m/h、氣水比為(1～3)∶1、水溫為21～26.5℃、進水COD負荷為1.18～5.57 kg/(m³·d)、NH₃-N負荷為0.26～0.62kg/(m³·d)、TN負荷為0.28～0.63kg/(m³·d)的條件下可以取得良好的去除有機物和脫氮效果，其COD、NH₃-N和TN的去除能力分別為0.7～4.76、0.15～0.52和0.18～0.42kg/(m³·d)，表現出較強的同步除碳和脫氮能力。?
　　②曝氣生物濾池運行過程中出現了明顯的NO₂-積累現象，而出水連續檢測和在反應器內不同部位取樣分析均未發現NO₃^--N的相應增加，與此同時對TN去除率卻較高，
　　說明NH₃-N被氧化為NO₂^--N后并沒有進一步被氧化為NO₃^--N，而是直接被反硝化去除，表現出顯著的短程硝化反硝化特征。?
　　③曝氣生物濾池能夠進行短程硝化反硝化脫氮的原理在于其獨特的結構特征和運行方式。陶粒填料為異養菌、自養菌和反硝化細菌分別占據不同生態位、形成合理的微環境體系提供了有效的載體，較低的曝氣量和定期反沖洗又使得競爭能力較弱的NO₂^--N氧化細菌不能在反應器內形成優勢群體而被自然淘汰，因而氨氧化產生的NO₂^--N可直接被反硝化去除。?
　　④有關曝氣生物濾池短程硝化反硝化的機理、作用因子及其影響規律的研究尚需進一步深入，同時試驗中反應器出水的NH₃-N和NO₂^--N濃度還比較高，因此有關如何提高脫氮效能、反應器結構和運行條件的優化研究將具有更重要的工程意義和應用價值。?

參考文獻：

　　[1]Pujol R,Hamon M,Kandel X,et al.Biofilters: flexible,reliable biological reactors[J].Wat Sci Tech,1994,29(10-11):33-38.?
　　[2]Hellinga C.The Sharon process: an innovative method for nitrogen removal from ammonium-rich waste water[J].Wat Sci Tech,1998,37(9):135-142.?
　　[3]Verstraete W,Philips S.Nitrification-dinitrification process and technologies in new contexts[J].Environ Pollution,1998,102:717-726.

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　　作者簡介：邱立平(1968-)，男，遼寧本溪人，哈爾濱工業大學在讀博士，副教授，主要研究方向為水處理。
　　電　　話：(0451)2291540(H) 6282820(O)?
　　E-mail:qiuliping@0451.com
　　收稿日期：2002-05-05