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第28卷2002年第2期6月北京工业大学学报JOURNALOFBEIJIN(;POLYTE〔!」INICtJNIVERSITYVo128Jun.N6.22002过量储存一SND作用脱氮特性及机理研究李军1,王淑莹,,赫俊国”北京工业大学建筑工程学院,北京100022;2.哈尔滨工业大学市政环境学院,哈尔滨150006摘要:对序批式生物膜法工艺中所表现出来的脱氮特性进行了探讨,并提出了过量储存一SNI〕脱氮作用机理.厌氧段脱氮主要靠生物膜对含碳氮有机物的过量储存作用;好氧段脱氮主要靠生物膜的SND作用,反硝化的有机碳源主要为生物膜中在厌氧段过量储存的有机碳源.关键词:序批式反应器;生物脱氮;SND;过量储存中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:0254一0037(2002)02一0184一05生物膜法具有单位体积生物量大、抗冲击能力强、污泥易于沉淀、运行管理方便以及省能的优点.同时微生物呈固着态,有利于将微生物保持在反应器内和优势菌属的培养.在研究序批式生物膜法工艺时,笔者发现该工艺具有很好的同步脱氮作用川.因此有必要就序批式生物膜法工艺中所表现出来的脱氮特性和机理作进一步的探讨.4嗓1试验方法Ll试验装置试验装置如图1所示.试验所用反应器用有机玻璃制成,内径巧cm,反应器内有效容积18L,其中沉淀池ZL.试验进水的仰质量浓度平均为10.0mg/L、TN质量浓度平均为37.7mg/L、CoD质量浓度为370.0mg/L,温度为25℃,好氧状态的Ix)质量浓度平均为5.5mg/L.装填密度应是纤维载体上生物膜成熟后,膜与载体所占容积与整个反应器容积之比.本实验分别做了最大装填密度37.5%、实用装填密度30%以及较低装填密度22.5%的对比实验后,确定较适宜的装填密度为30%.此时,反应器中的纤维载体的比表面积为2.66mZ/L.生物膜培养采用月O交替运行方式历时3个月,81.空压机5.曝气器2.贮气罐6.高位水箱3.转子流量计7.出水管4.电磁阀8.排泥管9.反应器10.纤维载体11.沉淀池12.取样口13.循环泵14.自控装置15.减压阀16.布气管图1试验装置图菌种取自一般活性污泥工艺.试验稳态运行工况为淹没序批式生物膜法工艺的运行工况[’〕.每一sBk周期为gh;其中厌氧段3h,好氧段6h.1.2原生污水和主要分析方法原生污水用自来水加蛋白脉配制,配制时还投加少量氯化钱、硫酸镁、磷酸二氢钾、氯化钙、氯化钠等,配制后水质如表1所示·COD,重铬酸钾法;NT,过硫酸钾一紫外分光光度法;NH扩一N,纳氏试剂光度法;收稿日期:2001一08一3t.基金项目:北京市科技新星基金资助项目(9558100800);北京市留学基金资助项目.作者简介:李军(1964一),男,博士,副教授.第2期李军等:过量储存一SND作用脱氮特性及机理研究NO犷一N、No夕一N,离子色谱法;PT,过硫酸钾氯化亚锡还原光度法.表1原生污水水质表水质指标P/mg·L一lCOD250~400NH李N10~20NO于N30~60习O于N0.1TPSPPH碱度BODS8~107一97.3380~440180~300试验研究厌、好氧时段内各形态氮浓度的变化为考察厌、好氧时段内各形态氮质量浓度的变化,笔者测定了进水后厌氧3h、再好氧17h的各形态氮质量浓度的变化曲线(见图2).试验中,以试验条件改变后运行2周后的水样为试样,各质量浓度值为连续2周试验数据的平均值.由图2可见,在厌氧段NT下降、排叮书上升,NT去除率为34.3%;NH二一N在好氧开始后6h内已低于1mg/L,硝化基本完成,同时也可看到此时好氧时段内脱氮率为进水TN的22.3%,总脱氮率达56.6%.过长的好氧时间只是把余下的氮转化为No犷一,而总脱氮率几乎没有提高..22进水COD负荷的影响试验中,采用4种COD进水负荷考察COD和各形态氮的变化规律,见图3一7.00nU八UCUOà00000气ùJ伟,、,ù,.闷·叻日、ǎ口OUàd.1闷·助日、dt/h图2厌氧3h后好氧17h时各形态氮变化曲线t/h图3不同进水COD负荷时C()1)变化曲线11ù智ó(之一日zàd11ù留、ǎ之!晰0之àdt/h图4不同进水COD负荷时NO卜N变化曲线t/h图5不同进水COD负荷时NO升N变化曲线0270.731.001.32nUù勺O仁JnU乙Uù、ù气ù44岁\哥屏盔11闷·助日、ǎ之!场国之àd图6不同进水COD负荷时Nll才esN变化曲线进水c0D负荷/掩·--m,·d一’图74种进水COD负荷时脱氮率由图3可知,软性填料序批式生物膜可承受较高的COD负荷的增长,且在厌氧段有较高的COD吸收速率,oCD负荷越高,其oCD吸收速率也就越高.厌氧段CoD吸收值在OCD进水负荷1.32kg/(m,·d)(相应进水户(coD)一496.5mg/L)时为212.5mg/L,而在eoD进水负荷1.00kg/(m,·d)(相应北京工业大学学报2002年进水p(coD)=375.0mg/L)时为203.1mg/L,这说明在eoo进水负荷为1.00kg/(m,·d)时,厌氧段COD吸收值已趋于极大值,对COD吸收达到极大值表明不是所有的有机物都可以作为细胞中的合成物质和储藏物质.所以笔者确定该工艺适宜c0D进水负荷为.027一1.32kg/(耐·d).图4为4种COD进水负荷时NO犷一N变化曲线,随着CoD进水负荷的提高,发生硝化的时间往后推移·图5为4种coD进水负荷时NO歹一N变化曲线,NO夕一产生后要达到一个峰值,时刻后移·在COD进水负荷1.00kg/(耐·d)时,出水阳才一N为0.40mg/L,在eon进水负荷增加到1.32kgz(m,·d)时,出水N代一N达1.47mg/L.图7为4种COD进水负荷时NT去除率.可见,进水COD负荷为.027一1.犯kg/(m,·d)时都有较好的硝化、脱氮效果.厌氧段过量储存脱氮机理探讨生物膜的吸附作用生物膜的表面是高度活性的、具有巨大的截留和吸附能力,可吸附混合液中的颗粒、胶体物质和溶解性物质,因而生物膜中除异氧菌、自养硝化菌和原生动物外还有使细胞得以凝聚在一起的胞外多聚糖类物质,附着在生物膜絮体表面的溶解态、悬浮态、胶体态的有机物,微生物的代谢残留物及进水中不可降解的组份等.许多低分子溶解性有机物可被微生物细胞通过主动运输、辅助运输、单纯扩散机制直接吸收,溶解性大分子有机物、悬浮物和胶体物质虽然难以直接穿过细胞壁进人细胞内,但可以吸附在细胞表面然后经胞外酶的水解作用转化为可传递到胞内的溶解性有机物,因而生物膜的吸附作用对有机物的去除是非常重要的..32过t储存脱氮机理由上可见,并非所有被吸附到生物膜上的有机物都可转化为细胞的原生质,而其中的一部分是以“储存物质”的形式存在.储存物质就是储存于生物膜中的溶解或非溶解性有机物并可经生物代谢作用成为微生物生长所利用的物质.含碳有机物可作为糖原〔’l、PHB川或其他储存化合物储存于细胞内部,作为细胞生长的碳源和能源.这些易降解的胞内储存物对于本研究尤为重要,因为在缺氧条件下它们将被首先用于反硝化;而更多的有机物则存在于细胞外即生物膜中,在胞外反应足够慢的情况下,只有在胞内储存的易降解有机物消耗到一定程度后胞外有机物才成为反硝化的碳源.淹没式SBR生物膜在厌氧段可较好地吸附进水中的高浓度有机物(见图3).在该阶段微生物细胞具有很好的储存诱导作用,细胞内可积累含碳氮有机物,这些碳氮已超出了细胞生长的需要.JalllesEAueman[2]的实验中发现,在SBR好氧段,在外界有机物已耗尽的情况下,仍有胞内糖原的增长,从而证明了胞内储存有机物为糖原前体,因而更加强了这一观点.综上,淹没式SBR生物膜反应器在厌氧段具有约34%的脱氮功能,这是由于微生物细胞具有很好的吸附和储存含碳氮有机物的功能,这些碳氮已超出生长需要;更多的储存物质存在于细胞外即生物膜中,并通过微生物代谢作用为细胞所利用.4好氧段SND脱氮机理探讨根据传统生物脱氮理论,硝化与反硝化反应不能同时发生,硝化反应在好氧条件下进行,反硝化反应在厌氧条件下进行.然而,近几年有不少试验[’]证明存在同步硝化与反硝化现象(ismulatneousulitrifca-itonanddeinitrifciaton,简称SND),尤其是有氧条件下的反硝化现象存在于各种不同的生物处理系统,如生物转盘〔4]、SBR[’]、CAST[“]工艺等.如前所述,SBR生物膜反应器的厌氧段,含碳氮有机物被过量储存.图8为CoD进水负荷1.00kg/m(,·d)时进人好氧段后的TN、c0D变化曲线.由图8可见,在外界有机物已近耗尽的情况下仍有持续的脱氮作用(SND反应),证明生物膜中的储存物质成了反硝化的有机碳源.因而,笔者认为,生物膜中存第2期李军等:过量储存一SND作用脱氮特性及机理研究11甲旨、ǎ。0。àd8050201l000x八,声`U、、ùn11闷·旨、ǎ之óàd在好氧生物膜层与兼性生物膜层.在深层的兼性生物膜中存在反硝化细菌,这些反硝化细菌利用生物膜中储存有机物作为有机碳源,将好氧生物膜层中产生的硝态氮转化为氮气.本试验中好氧段的脱氮作用主要是由于生物膜的SND脱氮作用.由图7可知,在进水CoD负荷从0.27kg/(m,·d)上升到0.73kg/(耐·d)时,总氮去除率从48.3%上升到566%,说明由SND产生的脱氮率随着生物膜内储存物的增加而增加;当进水c0D负荷从.073kg/(m,,d)上升到1.32kg/(耐·d)时,总氮去除率从56.6%下降到48.7%,是由于过高的COD负荷使生物膜变厚,影响了硝化和反硝化,从而使总t/h图8好氧段TN和COD变化曲线脱氮率下降.图2则说明了生物膜中储存有机碳随好氧时间延长而下降,所以脱氮率也逐步下降,在好氧6h后生物膜中储存有机物已耗尽,所以过长的好氧时间并不能提高脱氮率.因此笔者认为,生物膜内存在SND反应.SND反应主要发生在好氧生物膜层和兼性生物膜层分界区内,反硝化的有机碳源主要为在厌氧段过量储存的有机碳源.由SND产生的脱氮率随碳/氮比的增加而增加,而过高的进水COD负荷将使生物膜变厚,从而影响SND的效果.一个SBR运行周期好氧末端生物膜中储存物质的耗尽为下一周期厌氧开始进行的过量储存做好了准备.5微生物特性表2为菌相分析结果.由表2可见优势菌属为假单胞菌属,其次依顺序为气单胞菌属、芽抱杆菌属、微球菌属、硝化杆菌属.菌属表2检样1菌相构成分析表菌群98菌相构成比/%46.6733.3316.192.860.95100检样2菌群菌相构成比/%6450.393628.351814.1753.9443.15127100nU4,内了、é成U,乙假单胞菌属气单胞菌属芽抱杆菌属微球菌属硝化杆菌属合计注:检样1为生物膜反应器试验的前期(反应器运行第4个月)样品,检样2为中期(反应器运行第6个月)样品.由表2知,在运行中期假单胞菌的构成比例超过初期.同时,气单胞菌属、芽抱杆菌属的构成比却低于初期.这说明,假单胞菌属为本系统的优势菌属,且随着运行时间的延长而更加稳定.另外,硝化杆菌的比例在运行中期也高于初期,说明,随着运行时间的延长,本系统的硝化功能趋于提高.6结论l)序批式生物膜法工艺具有较好的同步脱氮作用.在水力停留时间为9h(其中厌氧3h,好氧6h)的工艺参数下,进水coD负荷从.027比/(耐·d)到1.32kg/(耐·d)均可使脱氮率达48.3%以上.2)厌氧段脱氮机理为过量储存脱氮机理.微生物细胞具有很好的吸附和储存含碳氮有机物的功能这些碳氮已超出生长需要;更多的储存物质存在于细胞外即生物膜中,并通过生物代谢作用为细胞所利用.3)好氧段脱氮机理为生物膜的SND机理.SND反应主要发生在好氧生物膜层和兼性生物膜层分界188北京工业大学学报2002年区内,反硝化的有机碳源主要为在厌氧段过量储存的有机碳源.由SND产生的脱氮率随碳/氮比的增加而增加,而过高的负荷将使生物膜变厚,从而影响SND的效果.4)优势菌属为假单胞菌属,其次依顺