一种反硝化生物滤池的挂膜实验

作者：张毅         

  许多污水处理厂仅采用推流曝气的方式脱除氨氮已不满足现实的要求，寻求合理的脱总氮工艺成为研究的主要目标。在众多的工艺中，反硝化滤池因其生物含量高、反应速率快、抗冲击能力强、结构简单等优势，成为升级改造脱氮的首选工艺。

  反硝化生物滤池主要是通过附着在填料上的生物膜对污染物质的氧化分解作用以及填料和生物膜对悬浮杂质的吸附截留作用来进行脱氮的，因此生物膜的数量及活性是影响反应效率的关键因素，而填料的挂膜过程直接影响着生物膜的质量。

  本文中利用污水处理厂二级出水进行了反硝化生物滤池挂膜过程的实验研究，对挂膜过程中COD、总氮及硝酸盐氮的变化过程进行了分析研究，并由此判定生物膜挂膜是否完成，以期对反硝化生物滤池的挂膜提供理论依据。

  1  实验概况

  1.1  实验装置

  实验采用0.8 m x0.4 mx0.4 m长方体的有机玻璃作为滤池主体，实验装置如图1所示。装置底部设有曝气管及曝气头，装置底部靠近曝气头处的滤料采用粒径5~ 10 mm的陶粒，上部采用化学稳定性好且亲水性强的火山岩，粒径为3~5 mm，填料位于装置主体的中部，尺寸约0.6 m x0.2 mx0.2 m。装置由左端上部进水口进水，右端下部出水口出水，同时出水口兼作反冲洗时的进水口，左端下部设有反冲洗排水口。根据资料研究，装置滤料内的水头损失主要集中在靠近进水口的底部滤层，所以在装置填料的左端下部设置测压管，设计水头为70 k Pa，当水头损失到达设计水头时进行反冲洗。

  1.2  实验用水及实验过程

实验用水水质如表1所示。 

实验进水水量采用逐渐提高流量的方式，由于二级出水的COD多为生化性较差的难降解有机物，所以在挂膜阶段向装置内投加乙酸钠作为碳源，碳源的投加量也采用逐渐提高的方式，实验共进行5周(35 d)，温度在20~25℃，具体实验过程如表2所示。实验进行2周时间，装置左端靠近进水端的火山岩及陶粒填料可观察到有灰褐色的生物膜出现，装置右端的填料颜色开始变深，第4周开始停止曝气，装置右端也出现灰褐色的生物膜，滤料上有少量气泡冒出，第5周内气泡数量逐渐增多，肉眼观测生物膜分布较均匀。

2  实验结果与分析

2.1  挂膜期间COD的变化

  由图2可看出，第1周内COD的去除率还不到50%，主要是因为装置内的微生物数量太少，生物膜对污染物质的氧化分解作用微弱，碳源的利用率很低，COD的减少主要靠填料的吸附截留作用，此时处于微生物生长的适应阶段；从第2周开始，COD的去除率开始稳步增长，到第4周逐步稳定在60%以上，此阶段是微生物迅速生长的时期，碳源利用率逐渐提高；第5周内，碳源投加量继续增大，进水流量继续提高，COD的去除率仍稳定在60%～70%，说明此时微生物的数量已逐步稳定，微生物生长处于稳定期。总体来看，COD的去除率随着进水COD浓度的增大而逐步提高，最后趋于稳定，出水COD质量浓度保持在40 mg/L以下，满足排放要求。

2.2挂膜期间NO3 -N的变化

  反硝化过程是反硝化菌同化作用与异化作用共同作用的结果，其中异化作用占主导地位，即反硝化菌将NO3-N依次还原为NO2 -N和氮气，这些反应都是在酶的作用下完成的。图3所示为挂膜期间NO3-N的变化，反应初期NO3-N的去除率几乎为0，一方面是由于微生物的量少，另一方面主要是因为开始阶段V（气）/V(进水)的比例大，曝气量大，水中的溶解氧浓度高，溶解氧会抑制硝酸盐还原酶的合成，同时溶解氧优先于硝酸根离子作为电子受体，进一步抑制了硝酸盐氮的还原反应；随着反应的进行，V（气）/V(进水)的比例逐渐缩小，NO3-N的去除率逐渐提高，特别是在第3周有很大的飞跃，当停止曝气时，NO3 -N的去除率逐渐趋于稳定，保持在65%以上，在一定程度上可以判定生物膜挂膜过程已完成。

2.3挂膜期间NO2 -N的变化

  图4所示为挂膜期间NO2-N的变化，前2周内去除率只有50%左右，在第3周出水NO2 -N浓度增大，出现NO2-N盐的积累，据资料分析，亚硝酸盐的还原酶比硝酸盐的还原酶容易受到外界环境，如碳源等的影响。所以当装置内的碳源增加时，亚硝酸盐的还原酶受到抑制而硝酸盐还原酶不受抑制，NO3-N迅速还原为NO2 -N，消耗掉大量的碳源，而碳源的不足又抑制了亚硝酸盐还原酶的合成，导致亚NO2 -N不能进一步还原为氮气，所以此阶段NO2 -N的去除率降低，出现NO2 -N积累现象。胡和平等在进行生物滴滤池反硝化脱氮试验研究过程中也观察到类似的现象。在第4、5周内，硝酸盐氮的还原趋于稳定，亚硝酸盐氮的还原也趋于稳定，NO2-N的去除率稳定在80%以上，由此也可以判断出微生物的挂膜趋于完成。

2.4挂膜期间TN的变化

  图5所示为挂膜期间TN的变化，由于二级出水的氨氮含量很低，所以总氮主要反映硝酸盐氮和亚硝酸盐氮。由图5可以看出，随着碳源的不断增加，进水流量的不断提高，微生物生长速度逐渐提高，微生物量逐渐增大，总氮的去除率也逐渐增大，在第5周系统水力负荷最大时，TN去除率较高且保持稳定，说明此时生物膜的挂膜已完成且膜的活性较高，出水总氮小于20 mg/L，满足排放要求。

3结论

  (1)针对二级出水COD较难降解的情况，采用逐增添加碳源且逐渐提高进水流量的方式进行挂膜，膜的活性较高，出水水质稳定达标。

  (2)较高的气水比，即较高的溶解氧会抑制硝酸盐还原酶的合成，所以反硝化反应应该在缺氧的环境下进行；乙酸钠为碳源时，碳源不足容易造成亚硝酸盐氮的积累。

(3)反硝化生物滤池采用陶粒和火山岩作为滤料，微生物的挂膜较快，膜的活性好，稳定运行期，进水TN 75~ 85 mg/L，出水TN稳定在20 mg/L以下，装置的效率较高。

4摘要：利用污水处理厂二级出水对反硝化生物滤池进行挂膜实验研究，采用逐增投加碳源和逐渐提高进水流量的方式进行自然挂膜，对挂膜过程中COD、总氮及硝酸盐氮的变化情况进行了全过程的考察研究，找到了判定生物膜挂膜成功的标志，实验稳定运行期，进水TN 75~ 85 mg/L,出水TN稳定在20 mg/L以下，满足排放要求。