低温下曝气生物滤池预处理污染河水的试验研究谭南中

生态环境学报2011,20(4):[e-mail]基金项目：国家重大水专项（2009ZX07102-003）作者简介：谭南中（1985年生），男，硕士研究生，主要研究方向为水污染控制技术方向。E-mail:[e-mail]*通讯联系人：吴为中，副教授。E-mail:[e-mail]收稿日期：2010-01-14低温下曝气生物滤池预处理污染河水的试验研究谭南中1,2，吴为中2*，李德生3，沈志强4，杨荔1，陈佳利51.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730070；2.北京大学环境科学与工程学院，北京100871；3.北京交通大学土木建筑学院，北京100044；4.清华大学核能与新能源技术研究院，北京100084；5.湖南大学环境科学与工程学院，湖南长沙410082摘要：采用两段曝气生物滤床串联工艺预处理入滇新运粮河河水，研究了其在冬天低温条件下对有机物和氨氮的去除效果，并考察了pH值的变化。结果表明，在进水流量为2.4m3·d-1、水温为13~16℃、原水ρ(CODCr)为66.46~107.82mg·L-1、ρ(氨氮)为22.15~30.68mg·L-1的水质特征条件下，系统对CODCr和氨氮的去除率分别为36.08%~50.37%和76.98%~93.56%。其中，碳氧化段以去除有机物为主，硝化段以去除氨氮为主；系统中硝酸氮质量浓度明显升高，无亚硝氮的积累；装置对总氮的平均去除率为19.56%，可以认为总氮的去除是同步硝化反硝化的结果。系统中pH值有所变化但维持在7~8之间，其中碳氧化段pH值升高，硝化段pH值下降。系统对有机物和氨氮良好的去除效果为后续进一步的生物处理提供了条件。关键词：曝气生物滤池；预处理；城市污染河水；有机污染物；氨氮中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1674-5906（2011）04-0711-05曝气生物滤池是在普通生物滤池的基础上开发的一种新型污水生物处理技术，近年来在生活污水[1-5]、工业废水[6-7]、给水预处理[8-9]等方面已经有了一定程度的研究和应用。作为生物预处理工艺，曝气生物滤池能够有效的去除污水中的有机物、氨氮等污染物。本实验以入滇河流新运粮河河水为研究对象，采用两段曝气生物滤池预处理+人工投加碳源反硝化工艺来研究河水脱氮，从而改善湖泊滇池的水质。曝气生物滤池均采用生物陶粒作为填料。本实验选取两段曝气生物滤池预处理段，研究其对氨氮、有机物等的去除效果，并考察了pH值的变化。1试验装置与方法1.1试验装置试验装置如图1所示。反应器采用砖混结构，总高度为1000mm，碳氧化段长600mm，宽600mm，反应区高度为650mm，底部100mm高度为曝气区和排空区；硝化段长700mm，宽600mm，有效反应区高度600mm，两段中填料均为生物陶粒，粒径为5~8mm，原水经恒水位高位水箱经可调流量计进入反应器。高位水箱填料填料气泵流量计反冲洗进水排空口出水口反洗出水口水流方向图1试验装置Fig.1schematicdiagramofexperimentalsetupDOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2011.04.032712生态环境学报第20卷第4期（2011年4月）本试验采用昆明市入滇河流新运粮河的河水，试验期间用水水质如表1所示，从表中可看出，该河水水质属劣Ⅴ类。1.2分析方法温度由温度计现场测量；pH采用便携式pH计（PHB-4便携式pH计）现场测定；溶解氧采用便携式溶解氧测定仪（Oxi315i手提式溶解氧测试仪）现场测定；CODcr采用重铬酸钾法测定；氨氮采用纳氏试剂法[10]。2反应器的挂膜启动反应器的启动采用先接种活性污泥间歇培养3d然后连续培养[11-13]的方式启动，启动负荷采用设计负荷2.4m3·d-1，启动期间每隔3d取样检测出水氨氮值，经过20d的连续培养，硝化段出水氨氮值低于6mg·L-1认为挂膜成功。挂膜成功后每3d取样一次，考察CODCr、氨氮及pH值等指标。3结果与讨论3.1对氨氮的去除效果由图2可知，两段串联曝气生物滤池稳定运行近一个月期间，原水氨氮质量浓度最大值为30.68mg·L-1，最小值为22.15mg·L-1，平均值为26.23mg·L-1；系统出水氨氮最大值为7.02mg·L-1，最小值为1.44mg·L-1，平均值为4.30mg·L-1。系统对氨氮的去除率最高为93.56%，最低为76.98%，平均去除率为83.97%。因此，系统对氨氮有很好的去除效果。整个系统对氨氮的去除效果曲线和硝化段对氨氮的去除效果曲线趋于平行，这说明系统对氨氮的去除主要集中在硝化段。碳氧化段对氨氮的去除率较低，最大去除率为22.14%，最小仅为7.45%；而硝化段对氨氮的去除率较高，最大去除率为92.78%，最小也有74.87%。这是因为在碳氧化段有机物质量浓度较高，异养型细菌大量繁殖，而自养型硝化菌得不到生长优势[14]，从而氨氮去除率较低；在硝化段中，有机物质量浓度已经幅度降低，硝化菌成为优势菌，故氨氮去除率较高。在生物脱氮中，氨氮的氧化去除过程，传统认为有以下两个连续过程[14]308~309：第一步是“氨化反应”。这一过程是有机氮化合物在氨化菌的作用下，以氧为电子受体被氧化为氨态氮的过程；第二步是硝化反应。硝化反应又分为两个阶段：第一阶段是氨态氮在亚硝化细菌作用下以氧为电子受体被氧化为亚硝酸氮，第二阶段是亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，继续以氧为电子受体被氧化为硝酸氮。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，是化能自养菌，也有人认为氨氮的去除也有异养硝化的存在，一般认为异养硝化速度要比自养硝化速度低103~104倍[15]，但Robertson等[16]认为在某些生长条件下一些异养硝化菌的生长速率比自养硝化菌要高的多。对于生物氮循环，异养硝化仅为部分微生物在特定环境下的一个次要代谢途径，在常规生物脱氮系统中，自养硝化仍然占主要地位[17]。3.2对有机物CODCr的去除如图3所示，试验期间原水CODCr值在66.46mg·L-1至107.82mg·L-1之间变化，系统对CODCr的去除效果曲线和碳氧化段的去除效果曲线趋于平行。碳氧化段对CODCr的平均去除率为43.04%，而硝化段对CODCr的平均去除率仅为16.72%，这说明对CODCr的去除主要集中在碳氧化段，而硝化段对CODCr去除较低。这是由于在碳氧化段活动的微生物以异养型细菌为主，在有氧条件下，有机物被异表1试验期间原水水质Table1Thewaterqualityparameterofrawwaterρ(氨氮)/(mg·L-1)ρ(亚硝酸盐氮)/(mg·L-1)ρ(硝酸盐氮)/(mg·L-1)ρ(总氮)/(mg·L-1)ρ(CODCr)/(mg·L-1)温度/℃pH值22.15~30.680~0.021.1~1.4824.44~36.7566.46~107.8213~167.6~7.80.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0020101108201011132010111820101123201011282010120320101208日期ρ（氨氮）/（mg·L-1）0.00%20.00%40.00%60.00%80.00%100.00%去除率/%原水氨氮值碳氧化段出水氨氮值硝化段出水氨氮值碳氧化段氨氮去除率硝化段氨氮去除率氨氮总去除率图2系统对氨氮的去除效果Fig.2Changesofammonianitrogenremovalwithtime0.0050.00100.00150.00200.00250.00300.0020101108201011132010111820101123201011282010120320101208日期ρ（CODCr）/（mg·L-1）0.00%20.00%40.00%60.00%80.00%100.00%去除率/%原水碳氧化段出水硝化段出水碳氧化段去除率硝化段去除率总去除率图3系统对CODCr的去处效果Fig.3ChangesofCODCrremovalwithtime谭南中等：低温下曝气生物滤池预处理污染河水的试验研究713养型细菌氧化为二氧化碳和水，同时异养型细菌合成新细胞完成增殖过程，从而有机物得到去除。3.3亚硝酸氮的变化如图4所示，由图可以看出原水亚硝氮质量浓度在0~0.02mg·L-1之间变化，质量浓度极低，碳氧化段亚硝氮质量浓度有所上升，但也都在1mg·L-1以下；硝化段出水亚硝氮质量浓度又有一定的涨幅，但变化不大，最大质量浓度值也在1.5mg·L-1以下。因此，装置中并无亚硝氮的积累，从侧面反映出装置中溶解氧浓度是满足装置需要的。3.4硝酸盐氮的变化如图5所示，原水和碳氧化段出水硝酸氮质量浓度基本相等，没有变化，稳定在1.2mg·L-1左右，结合碳氧化段出水氨氮和亚硝氮质量浓度值可以说明在碳氧化段中基本无硝化反应的进行；硝化段出水硝酸氮质量浓度值变化比较明显，有较大幅度的上升，在17mg·L-1左右变化，结合氨氮和亚硝氮的变化，可以得出硝化段主要发生的是硝化反应，硝化菌将氨氮氧化为硝酸氮，这为下一步的固相反硝化进一步脱氮准备了条件。3.5总氮的去除效果由图6所示，为系统各段中总氮的变化及去除情况。从图中可以看出，原水总氮质量浓度值较高，平均值为29.98mg·L-1，碳氧化段出水总氮质量浓度值为25.55mg·L-1，硝化段出水总氮质量浓度平均值为24mg·L-1，这说明装置对总氮有一定的去除效果，但去除率较低，平均去除率仅为19.56%，碳氧化段对总氮的平均去除率为14.54%，硝化段对总氮的平均去除率为5.89%。对总氮的去除笔者认为是同步硝化反硝化的结果。在微生物絮体或生物膜内会存在溶解氧梯度，在絮体或生物膜外表面溶解氧含量高，以好氧氨化菌和硝化菌为主；絮体内部或生物膜内表面则由于外部氧的大量消耗及氧传递阻力的影响而形成缺氧区，以反硝化菌为主，从而形成了利于实现同步硝化反硝化的微环境[18]，此为同步硝化反硝化的微环境理论。在学术界还存在宏观环境理论和微生物学理论[19]，但无论哪种理论都认可同步硝化反硝化的存在。在碳氧化段总氮去除率相对较高，而硝化段相对较低，原因可能是因为在碳氧化段有机物浓度较硝化段高且存在一定质量浓度的硝酸氮，更有利于反硝化的进行。3.6pH值的变化如图7为反应器运行期间pH值的变化。由图中可看出原水pH值在7.74左右，碳氧化段出水pH值为7.95左右，而硝化段出水pH值为7.49左右。pH值出现了较为明显的变化，但还稳定在7~8之间，究其原因为：在碳氧化段pH值升高，这是由于在有氧条件下，含碳有机物可被异氧菌氧化成为H2O和CO2，图6系统对总氮的去除效果Fig.6ChangesofTotalnotrogenremovalwithtime图4系统中亚硝氮的变化Fig.4Changesofnitritenitrogenwithtime图5系统中硝酸氮的变化Fig.5Changesofnitratenitrogenwithtime7.37.47.57.67.77.87.988.18.220101108201011132010111820101123201011282010120320101208日期pH值原水碳氧化段出水硝化段出水图7系统pH值的变化Fig.7ChangesofpHvaluewithtimeρ(总氮)/(mg·L-1)去除率/%ρ(亚硝酸氮)/(mg·L-1)ρ(硝酸氮)/(mg·L-1)714生态环境学报第20卷第4期（2011年4月）含氮有机物被异氧菌氧化（或者氨化）成为NH3；以氨基酸为例，其反应式为[15]：在水中，氨氮多以氨离子（NH+4）和游离氨(NH3)的状态存在，两者保持动态平衡关系：+234NHONHOHH−+↔+在碳氧化段，随着有机物的降