曝气生物滤池的短程硝化反硝化机理研究

摘要：通过小试研究了曝气生物滤池实现短程硝化反硝化的效能和机理。试验结果表明，曝气生物滤池在滤速为1～2m/h、气水比为3∶1、水温为21～26.5℃、进水COD负荷为1.18～5.57kg/(m3*d)、NH3-N负荷为0.26～0.62kg/(m3*d)、TN负荷为0.28～0.63kg/(m3*d)的条件下可以取得良好的去除有机物和脱氮效果。试验中还发现，反应器中出现了明显的NO2-积累现象，并表现出显著的短程硝化反硝化特征，进行机理分析后认为曝气生物滤池的结构特征和运行方式是其能够进行短程硝化反硝化的主要原因。

关键词：曝气生物滤池 NO2-积累 短程硝化反硝化

曝气生物滤池是一种新型污水生物处理技术，具有占地面积小、处理效率高、能耗较低等特点,可进行模块化应用，在对有机物、SS和氮的去除等方面具有良好的效果[1]。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

模型曝气生物滤池由有机玻璃加工而成，尺寸为50mm×80mm×2000mm，底部为100mm高的砾石承托层，填料选用粒径为3～5mm的陶粒，填充高度为1600mm。承托层以上每隔150mm设一个取样口，共设9个。进气口位于距底部400mm处，压缩空气经曝气扩散器进入反应器。试验装置见图1。

1.2 试验方法

原水由淀粉、蛋白胨、牛肉膏、NH4Cl、KH2PO4、CaCl2?H2O、MgSO4.7H2O、FeSO4.7H2O、食用碱等按一定比例配制而成，其COD为86.61～424.6mg/L、NH3-N为34.3～44.38mg/L、TN为41.26～46.16mg/L、NO3--N为0～0.82mg/L、NO2--N为0～0.32mg/L、pH值为5.8～8.18、BOD5为56.31～236.45mg/L，TP为4～6mg/L。

采用下向流进水，气水逆向流。反应器启动时投加一定量的消化污泥作为种泥，闷曝3d后改为连续流进水，系统运行15d后对COD和NH3-N的去除率分别达到75%和60%，至此标志挂膜成功，试验分别在1、2m/h的滤速下进行，气水比为3∶1，水温为21～26.5℃，定时测定反应器进、出水及曝气处水样的COD、NH3-N、TN、NO3--N、NO2--N、pH值、溶解氧以考察反应器去除有机物和硝化反硝化的效能及反应器内含氮化合物的空间变化特点。分析项目均按标准方法进行。采用气水联合反冲洗方式，按运行时的水头损失和处理效果确定冲洗强度及频率，周期一般为24～48h。

2　结果及分析

2.1 处理效果

①NH3-N

曝气生物滤池对NH3-N的去除效果见图2。

由图2可知，在进水COD负荷为1.18～5.57kg/(m3*d)、NH3-N负荷为0.26～0.63kg/(m3*d)时，曝气生物滤池出水的氨氮含量＜3～16mg/L，对NH3-N的平均去除率为81.4%。滤速为1、2m/h时反应器对NH3-N的去除率没有明显变化，其中在运行的第17天由于改变滤速而引起处理效率下降，但是很快在一个过滤周期内即恢复到原有水平，这说明在一定的负荷条件下滤速对硝化的效率影响较小，但在较高滤速下的出水水质相对更稳定一些。

②TN

试验期间系统对TN的去除效果见图3。

图3系统对TN的去除效果由图3可知，在进水TN负荷为0.28～0.63kg/(m3*d)、滤速为1～2m/h的条件下，曝气生物滤池对TN的去除率可达60%左右，出水TN为12.33～19.46mg/L。提高滤速对TN去除率有一定的影响，其原因可能是提高滤速则相应地增加了曝气量，从而抑制了反硝化细菌的活性。

③COD

试验表明，曝气生物滤池对COD的平均去除率为79.53%，最高可达90%以上。个别水样的COD去除率有些下降，可能是进水COD较低的原因，而出水COD大多在50mg/L以下(最低为15.87mg/L)，说明反应器对COD的去除效果相当稳定，而滤速在1～2m/h内变化对COD的处理效果没有影响。

④NO2-和NO3-含量的变化

曝气处的NO2-和NO3-含量的变化见图4。

由图4可知，曝气处的NO2-含量显著高于NO3-含量，说明在反应器内部发生了NO2-的积累，而同期NH3-N的减少量却明显地高于NO2-和NO2-生成量之和，说明这一过程中发生了反硝化作用。试验中发现，提高滤速会加快水头损失的增加速度，相应地增加反冲洗次数，而滤速为2m/h时的NO2-积累现象比滤速为1m/h时更加明显，说明反应器内的NO2-积累与反冲洗有关。

试验表明，出水的NO3-含量几乎为零，NO2-含量在10mg/L左右(明显高于NO3-含量)，其与图4的结果相比，NO2-含量减少了约5～20mg/L，可以推测减少的NO2-主要经反硝化作用去除。上述试验结果表明，曝气生物滤池在氨氧化过程中出现了明显的NO2-积累现象，而出水中NO2-的减少并未带来NO3-的增加，说明对TN的去除主要是通过将NH3-N氧化成NO2-，进而由反硝化细菌将NO2-直接反硝化形成N2逸出的短程硝化反硝化途径进行的。

2.2 结果分析

根据传统生物脱氮理论，硝化过程的产物主要是NO3--N，稳态运行时不会出现NO2-的积累，但试验中对反应器内NO2-和NO3-含量的测定结果表明，单级曝气生物滤池不仅在去除有机物的同时具有较好的脱氮能力，而且其机理不同于传统硝化反硝化理论，此时氨氧化的产物主要是NO2--N，出水中NO2--N降低而NO3--N未见增加，说明大部分NO2-并没有进一步被氧化为NO3-，而是被直接反硝化去除，表现出明显的短程硝化反硝化特征。

3　短程硝化反硝化

①含氮化合物的空间变化

试验期间对曝气生物滤池内各种不同含氮化合物含量沿水流方向的空间变化进行了研究，采样时间为反冲洗后6h、水温为22℃、气水比为3∶1，试验结果见图5。

由图5可知，NH3-N的减少与NO2-的增加表现出一定的相关性，但在数量上却没有表现出稳定的同步变化，与此同时的NO3-含量几乎没有变化(数量低且变化趋势平稳)。从进水到0.7m深的滤层处NH3-N的减少量稍高于NO2-和NO3-的生成量，随后NH3-N量急剧下降，而NO2-的增幅却明显低于NH3-N减少量；到1m深的滤层处及往后的变化比较平稳，而NO2-的含量在1～1.3m深的滤层处也达到了最大值，随后表现出与NH3-N降低相一致的变化趋势。由图5可以得出两点结论：a.曝气生物滤池对NH3-N的去除主要集中于0.7～1m深的滤层处，另外在0.4～0.7m深的滤层和1.3m深的滤层以上也有一定的去除；b.NH3-N被氧化的主要产物是NO2--N，但NO2--N并没有进一步被氧化为NO3--N，而是直接被反硝化去除。在曝气处(1.3m深的滤层处)附近区域出现明显的NO2-积累现象，但在反应器的最下段又急剧下降，说明该区域氨氧化过程比较活跃，而NO2-氧化和反硝化能力较低主要是受曝气作用所带来的溶解氧浓度和紊流强度变化的影响。

②短程硝化反硝化机理

近来的研究表明[2、3]，在一定条件下生物反应器可以进行短程硝化反硝化脱氮，即控制硝化过程至产生NO2-阶段，然后再由NO2-直接还原为N2逸出，或在厌氧或缺氧条件下由NO2-与NH3-N作用形成N2，实现反硝化脱氮。试验期间发现的反应器中NO2-积累现象和较高的脱氮效能说明在曝气生物滤池中产生了短程硝化反硝化作用，而曝气生物滤池独特的结构特征和运行特点是其能够进行短程硝化反硝化脱氮的根本原因。曝气生物滤池采用陶粒作为过滤和生物氧化的介质和载体，进水沿填料推流而下，但在填料空隙间则为局部紊流，因而在整体上和每一单元填料表面所附着生物膜中都存在着基质和溶解氧的浓度梯度分布，也为各种不同生态类型的微生物在生物膜内不同部位占据优势生态位提供了条件。

4　结论

①同步脱氮除碳曝气生物滤池在滤速为1～2m/h、气水比为(1～3)∶1、水温为21～26.5℃、进水COD负荷为1.18～5.57 kg/(m3*d)、NH3-N负荷为0.26～0.62kg/(m3*d)、TN负荷为0.28～0.63kg/(m3*d)的条件下可以取得良好的去除有机物和脱氮效果，其COD、NH3-N和TN的去除能力分别为0.7～4.76、0.15～0.52和0.18～0.42kg/(m3*d)，表现出较强的同步除碳和脱氮能力。

②曝气生物滤池运行过程中出现了明显的NO2-积累现象，而出水连续检测和在反应器内不同部位取样分析均未发现NO3--N的相应增加，与此同时对TN去除率却较高，

说明NH3-N被氧化为NO2--N后并没有进一步被氧化为NO3--N，而是直接被反硝化去除，表现出显著的短程硝化反硝化特征。

③曝气生物滤池能够进行短程硝化反硝化脱氮的原理在于其独特的结构特征和运行方式。陶粒填料为异养菌、自养菌和反硝化细菌分别占据不同生态位、形成合理的微环境体系提供了有效的载体，较低的曝气量和定期反冲洗又使得竞争能力较弱的NO2--N氧化细菌不能在反应器内形成优势群体而被自然淘汰，因而氨氧化产生的NO2--N可直接被反硝化去除。

④有关曝气生物滤池短程硝化反硝化的机理、作用因子及其影响规律的研究尚需进一步深入，同时试验中反应器出水的NH3-N和NO2--N浓度还比较高，因此有关如何提高脱氮效能、反应器结构和运行条件的优化研究将具有更重要的工程意义和应用价值。