趙玲1，張之源2（1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)系，安徽 合肥 230009；
2.安徽省環(huán)境科學(xué)研究所，安徽 合肥 230061）

　　摘　要：研究了復(fù)合SBR系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物和氮的去除過程及其效果。結(jié)果表明：在有氧條件下，存在著反硝化現(xiàn)象，即同步硝化反硝化作用。在試驗(yàn)條件下，當(dāng)溶解氧為3－5mg／L時(shí)，總氮去除率可達(dá)80％，同時(shí)COD_Cr的去除率達(dá) 95％。
　　關(guān)鍵詞：污水處理；硝化；反硝化；脫氮
　　中圖分類號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1009－2455（2002）02－0004－03

Phenomena of Simultaneous Nitrification and Deitrification and Denitrification Effect
on a Combined Biofilm ＆ Sequencing Batch Reactor System
ZHAO Ling¹, ZHANG Zhi-yuan²

(1.Department of Natural Resources and Environmental Science, Hefei University of Technology,Hefei, 230009 China; 2.Anhui Institute of Environmental Science, Hefei 230061,China)

　　Abstract: An experiment was done to research the mechanism and effect of a combined biofilm ＆ sequencing batch reactor(SBR)system on the organic substance and nitrogen removal. The result shows that simultaneous nitrification and denitrification(SND) took place in an aeration state. Under the condition of dissolved oxygen value (DO)=3-5mg/L, the removal of total nitrogen reached 80% and that of COD_Cr reached 95% in the meantime.
　　Key words: wastewater treatment; nitrification; denitrification; nitrogen removal

引言

　　根據(jù)傳統(tǒng)的脫氮理論，不可能同時(shí)進(jìn)行硝化反硝化。然而，最近幾年國(guó)外有文獻(xiàn)報(bào)道了同步硝化反硝化現(xiàn)象，尤其是有氧條件下的反硝化現(xiàn)象確實(shí)存在于各種不同的生物處理系統(tǒng)中，如生物轉(zhuǎn)盤^[1]，SBR^[2]，氧化溝，CAST工藝等。本文針對(duì)SBR復(fù)合系統(tǒng)中的同步硝化反硝化現(xiàn)象及其脫氮效果進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)所用反應(yīng)器為20cm×30cm×40cm的有機(jī)玻璃槽，有效容積為18L。反應(yīng)器內(nèi)放置YDT彈性立體填料，上下固定，使生物膜附著于填料表面。
　　該復(fù)合系統(tǒng)兼有接觸氧化和 SBR藝的特點(diǎn)。由時(shí)間程序控制器控制進(jìn)水、厭氧、曝氣、沉淀和排水全過程，并根據(jù)需要，選定各段的啟動(dòng)、關(guān)閉時(shí)間。混合液的SⅤ、SⅥ、MLSS和MLVSS等運(yùn)行參數(shù)采取定期取樣測(cè)定，保持 MLS在4－6mg／L，SV在20％左右，并根據(jù)參數(shù)分析判斷反應(yīng)器的運(yùn)行狀況，及時(shí)加以調(diào)整。DO和PH由在線測(cè)定儀測(cè)定。
1.2 試驗(yàn)用水
　　本試驗(yàn)采用模擬配水作為進(jìn)水：COD_Cr400－500mg／L，NH₃－N25－35mg／L，TN在40mg／L左右。添加營(yíng)養(yǎng)成分如下：葡萄糖169mg／L，蛋白胨169mg／L，氯化鈉63mg／L，無水氯化鈣23mg／L，磷酸二氫鉀23mg/L，硫酸鎂94mg/L，碳酸氫鈉65mg／L，氯化銨75mg／L，微量元素（硫酸鐵、硫酸錳、硫酸銅、氯化鉆）0.2mg／L。采用模擬配水，水質(zhì)穩(wěn)定且易于控制，適合反應(yīng)器工藝運(yùn)行特性和污泥形態(tài)結(jié)構(gòu)及微生物學(xué)特性等的研究。在試驗(yàn)運(yùn)行過程中，可根據(jù)不同的試驗(yàn)要求，適時(shí)調(diào)整配水成分，改變部分進(jìn)水組分的濃度和配比，但TN和NH3－N的含量保持基本不變。
1.3 污泥馴化、掛膜及運(yùn)行參數(shù)
　　取琥珀山莊（市政污水）污水處理廠內(nèi)氧化溝的回流污泥，沉降后棄去上清液，以沉降污泥作為菌種進(jìn)行培養(yǎng)。期間所采取的運(yùn)行方式為：進(jìn)水0.5h，曝氣6h，污泥沉降和排水1.5h。此階段主要是為了培養(yǎng)活性污泥。大約兩周后，填料上有稀薄的菌膠團(tuán)和大量的游離細(xì)菌，但結(jié)合較為疏松，之后正常進(jìn)水，并調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。在COD_Cr去除率達(dá)90％，NH3－N去除率達(dá)80％時(shí)馴化結(jié)束，投入正常運(yùn)行。運(yùn)行參數(shù)水力停留時(shí)間為8h，SV在20％左右，MLSS約為4900mg／L，污泥停留時(shí)間為15d，碳氮比為13.2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

　　在正常運(yùn)行條件下達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果見表1。

表1 穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行結(jié)果 分析項(xiàng)目 COD_Cr/(mg.L^-1) BOD₅/(mg.L^-1) NH₃-N/(mg.L^-1) TKN/(mg.L^-1) TN/(mg.L^-1) 進(jìn)水 494 310 32.3 41.6 42.8 出水 25 22 0.92 4.6 8.1 去除率/% 95 93 97.2 89 81

2.1 溶解氧的影響
　　溶解氧濃度是最重要的參數(shù)之一，它直接影響到系統(tǒng)的硝化反硝化程度。首先，溶解氧的濃度應(yīng)滿足合碳有機(jī)物的氧化以及硝化反應(yīng)的需要；其次，溶解氧的濃度又不宜過高，以保證缺氧厭氧微環(huán)境的形成，同時(shí)使系統(tǒng)中有機(jī)物不致于過度消耗而影響反硝化碳源。將溶解氧控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，使硝化速率和反硝化速率越接近，總氮去除效果越好。由于進(jìn)水水質(zhì)和活性污泥狀況的不同，溶解氧的控制范圍也有所不同。此外，對(duì)于不同的處理構(gòu)筑物，其發(fā)生同步硝化反硝化的范圍也有所不同，需要在實(shí)踐中確定。在本試驗(yàn)中，由于生物膜的傳質(zhì)阻力較大，所以溶解氧控制在 3－5mg／L時(shí)，脫氮效果最佳，如圖1所示，其同步硝化反硝化現(xiàn)象亦最明顯，而當(dāng)DO大于5mm／L或小于3mm／L時(shí)，脫氮效果及反硝化速率明顯降低。

2.2 堿度的影響
　　按理論計(jì)算，硝化反應(yīng)時(shí)每氧化互g氨氮要消耗堿度7.14g（以CaCO₃計(jì)）。而反硝化反應(yīng)時(shí)，還原1gNO₃^--N將回收3.57g堿度。同時(shí)發(fā)生硝化反硝化時(shí)，反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度將隨時(shí)部分補(bǔ)充硝化反應(yīng)消耗的堿度。一般污水對(duì)硝化反應(yīng)來說，堿度往往是不充足的，如不補(bǔ)充堿度，就會(huì)使pH急劇降低，影響氨氮的硝化程度。采用同步硝化反硝化脫氮是較為理想的選擇。如圖2所示，實(shí)測(cè)值與模擬堿度之間存在差值，說明了存在有同步硝化反硝化現(xiàn)象。

2.3 碳氮比的影響
　　污水的碳氮比可以影響系統(tǒng)的脫氮效果。本試驗(yàn)選用三種不同的碳氮比。分別為13.2，8.4，4.6，并考察了三種條件下COD_Cr，NH3－N，和TN的去除過程及脫氮效果。從曝氣初始起計(jì)時(shí)，每隔1h取樣一次。
　　COD_Cr的去除不受碳氮比的影響，如圖3。由于生物膜有很強(qiáng)的生物吸附功能，所以反應(yīng)初期能快速吸附大部分的有機(jī)物而轉(zhuǎn)換成內(nèi)碳源。

　　以碳氮比為13.2為例，（由于反應(yīng)過程中測(cè)得的NO₂^--N濃度很低，故忽略不計(jì)。）由圖4可以看出，在該工作周期中，硝化反應(yīng)的進(jìn)行使氨氮比較徹底地轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，氨氮濃度逐漸降低，同時(shí)總氮濃度也逐漸降低。由此可見：該反應(yīng)過程中既發(fā)生了硝化反應(yīng)又發(fā)生了反硝化反應(yīng)，即同步硝化反硝化。

　　由圖5可知，進(jìn)水碳氮比越高，出水總氮越低，其去除率相應(yīng)也越高。因此同步硝化反硝化現(xiàn)象隨進(jìn)水碳氮比的提高而越加明顯。

3 機(jī)理探討

　　對(duì)于同步硝化反硝化現(xiàn)象，可以從微環(huán)境理論和生物學(xué)兩方面加以解釋。微環(huán)境理論認(rèn)為：由于微生物種群結(jié)構(gòu)、物質(zhì)分布和生化反應(yīng)的不均勻性，在活性污泥菌膠團(tuán)內(nèi)部和生物膜內(nèi)部存在多種微環(huán)境類型。由于氧擴(kuò)散的限制，在微生物絮體或生物膜內(nèi)產(chǎn)生溶解氧梯度，其外表面溶解氧較高，以好氧菌、硝化菌為主；深人絮體或生物膜內(nèi)部，氧傳遞受阻及外部氧的大量消耗，產(chǎn)生缺氧區(qū)，甚至厭氧區(qū)，反硝化菌占優(yōu)勢(shì)。控制反應(yīng)器內(nèi)溶解氧的水平，調(diào)整缺氧厭氧微環(huán)境及好氧環(huán)境所占的比例，從而促進(jìn)反硝化作用，達(dá)到脫氮的目的。由于微生物的代謝活動(dòng)以及氧氣泡的攪動(dòng)，使得微環(huán)境是可變的，甚至是多變的[3]。
　　生物學(xué)的解釋有別于傳統(tǒng)的脫氮理論。傳統(tǒng)的脫氮理論認(rèn)為，硝化反應(yīng)是由自養(yǎng)型好氧微生物完成，稱為硝化菌，而反硝化反應(yīng)是在缺氧或厭氧條件下完成的。但最近幾年，已有報(bào)道發(fā)現(xiàn)了許多異養(yǎng)微生物能夠?qū)τ袡C(jī)及無機(jī)含氮化合物進(jìn)行硝化作用[4]。與自養(yǎng)硝化菌相比，異養(yǎng)硝化菌生長(zhǎng)快，產(chǎn)量高，能忍受較低的溶解氧濃度和更酸的環(huán)境。另有研究表明，大多數(shù)異養(yǎng)硝化菌同時(shí)也是好氧反硝化菌[5]，這樣就解釋了同步硝化反硝化現(xiàn)象。

4 結(jié)論

　　①在該工藝中，將溶解氧控制在3-5mg/L，在保證COD_Cr高效去除的前提下，同時(shí)取得了較高的脫氮效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，COD_Cr的去除可達(dá)95％左右，總氮去除可達(dá)80％左右。
　　②對(duì)于僅有一個(gè)反應(yīng)池組成的序批式反應(yīng)器來講，同步硝化反硝化能夠降低實(shí)現(xiàn)硝化反硝化所需的時(shí)間和成本。
　　③在溶解氧濃度較高時(shí)，經(jīng)5h曝氣，總氮的去除率因進(jìn)水的碳氮比不同而異。總氮去除率隨進(jìn)水COD_Cr的提高而提高，表明碳源充足不會(huì)成為反硝化的限制因子，所以對(duì)于碳源不足的污水，不宜采用同步硝化反硝化工藝。

5 存在的問題

　　在該試驗(yàn)中，載體的選擇是試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵，載體選擇得當(dāng)，就可以使反應(yīng)器高效運(yùn)行，否則可能導(dǎo)致整個(gè)過程的失敗或需付出沉重的運(yùn)行、管理代價(jià)。由于時(shí)間條件的限制，沒有對(duì)各種填料載體的性能進(jìn)行對(duì)比，這有待于今后進(jìn)一步的研究。

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　　[5]Lesley A Robertson.Simultaneous nitrification and denitrification in aerobic chemostat cultures of thiosphaera pantotropha[J] Applied and Environmental Microbiology , 1998,54(11)：2812—2818.

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　　作者簡(jiǎn)介：
　　趙玲（1977－），女，山東淄博人，合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)系，電話（0551）2907791；
　　張之源（1952－），男，安徽舒城人，教授，碩士生導(dǎo)師，安徽省環(huán)境科學(xué)研究所。