摘要：本項目的研究是用序批式生物膜法處理廣州地區的城市污水，主要研究在碳源不足的情況下，研究應用序批式生物膜反應器的脫氮特性，并分析影響其穩定運行的各種因素。

關鍵詞：序批式生物膜　污水　脫氮

序批式生物膜法是在SBR法的基礎上，把反應器中的活性污泥變成載體上的生物膜。它既具有生物膜法通常的優點，又具有SBR工藝的特點，具有潛在的優勢。本研究利用廣州地區城市污水中碳源不足的情況下，研究應用序批式生物膜反應器的脫氮特性，并分析影響其穩定運行的各種因素。

一、試驗裝置與設備

如圖1所示，反應器由有機玻璃制成，柱體直徑約11.5cm，有效水深約98cm。有效容積約10升，循環泵其流量可通過控制閥門6調節。氣體流量計3采用轉子流量計。填料10采用利用中間的半軟性部件支撐外圍軟性纖維素的組合填料，結合了半軟性填料和軟性填料各自的優點，其示意圖（單片）如圖2所示，填料單片直徑為16cm，面積200.96cm2，填料比表面積1300m2/m3。試驗中共用11片，每片相距9.6cm。試驗中填料的填充度為22.5%。高位水箱容積40升。每次試驗將原水用提升泵提到高位水箱7內，曝氣采用微孔曝氣。

原水從高位水箱7進入反應器8后，開動循環泵開始厭氧循環，此時嚴格控制反應器8中DO濃度小于0.2mg/L水平。厭氧&Ntilde&#59;&not&#59;環一段時間， 隨后停止厭氧&Ntilde&#59;&not&#59;環，開始曝氣5，調整流量計3，使反應器內DO濃度維持在3.5mg/L以上，由于生物膜固有的特點，在反應器由厭氧段進入好氧段的時間段內，部分膜將存在一個缺氧區，此時將有利于反硝化。好氧狀態下除磷菌分解體內的PHB用于過量吸收環境中的溶解磷，同時硝化菌可將NH3-N氧化為NO3-N。總的結果將使有機物、氮磷達到較高去除率。好氧曝氣4小時后，停止曝氣，開始沉淀1小時，出水排水后閑置，等待下周期的運行。

二、試驗水質

本試驗考慮到獲取原水的實際問題，試驗前期采用人工配水；后期取廣州城市污水。見表1。

三、試驗運行方式
本次試驗的運行方式如表2所示。

四、試驗啟動與運行

試驗的啟動包括污泥的培養和馴化以及正常工序的試運行。試驗用的接種污泥來自獵德污水處理廠AB法的B段回流污泥。

（1)污泥的培養和馴化 污泥的培養采用接種培養法。先將組合填料懸掛在序批式生物膜反應器內，再將取來的新鮮污泥經沉淀排除上清液后加入主反應區。同時加入按廣州地區城市污水水質新配的廢水并連續曝氣。每次連續曝氣6小時，每天2次，每次開始曝氣前，都換新鮮的污水，并且把剩余的污泥經沉淀后再加入到反應器。如此反復約20多天，并且進行微生物鏡檢，觀察掛膜已基本完成，便開始試運行。

（2)系統的試運行。系統的試運行也是穩定運行前的關鍵。試運行期間每天運行2次，時間是:第一周期從早上8:00到下午17:00，排水后，待機閑置；第二周期從晚上8:00到第二天早上5點。當然，試驗中我們也根據需要調整運行周期和時間段。

五、試驗結果與討論

1、氨氮的去除

污水生物脫氮系統中，氮的去除有兩條途徑：同化脫氮和異化脫氮。通常認為，異化脫氮是廢水中氮的主要去除途徑。異化脫氮一般包括三個方面：氨化作用、硝化作用、反硝化作用。在未經處理的廢水中，含氮化合物主要以有機氮如蛋白質、尿素、胺類化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在，此外還含有部分氨態氮如NH3和NH4+-N。在細菌的作用下，有機氮化合物分解，轉化為氨態氮。

序批式生物膜法處理工藝集曝氣、沉淀于一個池子，運轉按進水、反應、沉淀、排水等幾個階段進行，污水間歇而有序地進入反應池。由氨化作用生成的氨態氮在有分子態氧的條件下，經過硝化作用生成了亞硝態氮和硝態氮。圖3給出了氨氮的去除效果圖。

從圖3可以看出氨氮進水濃度在11.12mg/L～24.8mg/L時，出水濃度在0.1mg/L～3.1mg/L之間，去除率為86.9％～99％，這說明用序批式生物膜法處理的效率很高。原因之一是上周期處理后的部分處理水的稀釋作用，之二主要是好氧曝氣時的硝化作用。處理出水濃度基本都小于4mg/L，而且大部分在1mg/L以下。

2、氮的轉化規律

為了考查周期內氮的轉化情況，試驗中對各種形態氮進行了監測。表3給出了7個穩定運行周期內氮的轉化情況。

從表3和圖4可以看出厭氧循環段原污水中的硝態氮進行了反硝化，濃度逐漸減少，而氨氮變化較小；氨氮的去除主要在好氧曝氣階段通過硝化菌的作用大部分都轉化為硝態氮。從圖4還可以看出，混和以后，氨氮、總氮的濃度都降低了，而硝態氮的濃度卻增加了；在厭氧&Ntilde&#59;&not&#59;環段，氨氮的濃度幾乎不變，而硝態氮得到了很大的去除，總氮濃度也降低了；進入好氧曝氣階段，氨氮的去除速率加快，主要是亞硝化菌和硝化菌作用的結果，將其轉化為硝態氮了。從而硝態氮濃度增加，此時總氮濃度變化不大，但也降低了一部分，這主要是由于生物膜從厭氧環境過渡到好氧環境時，剛開始的時候存在一個缺氧環境，這時也有利于反硝化。從而出現了在好氧條件下總氮濃度的降低。

① 反硝化(硝態氮的去除) 由于原污水當中的硝態氮濃度很低，經監測發現一般小于1mg/L，試驗中采取將處理后的污水不全排掉，留有1/4～1/3的剩余水與原污水進行混合，這樣混合后的污水中硝態氮濃度一般在2mg/L～5mg/L左右，然后我們進行反硝化試驗，同時考察在不影響高效除磷的前提下，研究此種反應器最大允許硝態氮濃度。

從圖5可以看出，原污水中的硝態氮濃度較低，經過混合以后，濃度超過了2mg/L。在厭氧段的前30分鐘，反硝化發生了快速反應，該階段是利用厭氧發酵產物作為碳源（快速生物降解可溶性有機物），硝酸鹽濃度在經過60分鐘左右的厭氧反硝化后，基本達了0.08 mg/L以下，水中原有的硝酸鹽在缺氧的情況下，被還原成氣態N2從水中逸出。從這里可以看出生物膜法對反硝化的效果很明顯。

② 硝化(氨氮的去除) 從圖3和圖4可以看出，氨氮在厭氧循環階段基本不變化，此時由于無分子態氧，硝化菌的生長和活動受到抑制。一旦進入好氧階段，硝化菌便活躍起來，將氨氮氧化成亞硝態氮或硝態氮。最終氨氮得到了很好的去除，基本上轉化成為硝態氮了。本試驗的結果，氨氮的出水小于4mg/L，但大部分都在1mg/L左右，可見生物膜法處理的高效性。考慮原因可以解釋如下：微生物附著在載體上，不受泥齡限制，因而種類豐富。且能在載體上穩定“著床”。本系統可以看作是碳氧化/硝化合并處理，在曝氣剛開始階段，由于有機物在經過一段時間的厭氧循環，此時有機物濃度已相對較低，異氧菌群的生長就已經受到抑制，而這對硝化菌的增殖是有利的。隨著曝氣的繼續進行，有機物濃度越來越低，微生物環境對硝化菌更有利。總體表現出硝化效率高。

③ 總氮的去除從圖4可以看出，在厭氧階段，總氮中的一部分硝態氮被脫掉，這個階段總氮濃度降低主要是混合后濃度的降低和硝態氮的去除，而這個階段氨氮濃度有些變化，但不是很明顯。考慮可能是厭氧狀態下的厭氧氨氧化[1]。在隨后的好氧曝氣階段，總氮并沒有去除多少，主要是因為系統中硝化菌占有絕對優勢，而反硝化菌則處于劣勢。當氨氮被氧化為硝態氮之后，由于生成的硝態氮很難被反硝化去除，所以好氧階段總氮濃度變化不大。從圖4可見，總氮在好氧階段也有輕微降低，原因可能是存在好氧條件下的同步硝化反硝化現象[2]，結合試驗數據，根據總氮的變化規律分析，確實存在同步硝化/反硝化。只是效果不是很明顯，有待于以后試驗中深入研究。

3、硝化過程中環境的影響因素

① 溫度　生物硝化反應可以在4℃～45℃的溫度范圍內進行，亞硝酸菌最佳生長溫度為35℃，硝酸菌的最佳生長溫度為35℃～42℃，溫度不但影響硝化菌的比增長速率，而且影響硝化菌的活性。特別是當碳氧化和硝化在一個裝置中進行時，溫度的影響更為敏感。而在本次試驗中，溫度變化不是很大，一般都在30℃左右，所以溫度對此次試驗的影響不大。

② DO 生物膜法生物硝化的一個特點是環境因素對硝化影響不象活性污泥法生物硝化那樣敏感；另一方面，由于異氧菌與硝化菌競爭生物膜的表面空間和DO，為使硝化菌在生物膜中有足夠的數量保證完成硝化，必須使液體主體區DO大于3mg/L，使DO能穿透生物膜，本試驗中使DO大于或等于3.5mg/L。經過4小時的好氧曝氣，出水NH3-N濃度一般都能達到1mg/L以下。

③ 酸堿度 一般亞硝化菌生長的最適合PH為7～8.5，硝化菌為6～7.5，反硝化菌為6.5～8.5。生物硝化過程中要消耗廢水中的堿度而使PH值下降。本試驗過程中未補充堿度。監測發現，試驗過程中的PH值在6.2～7.0之間波動。分析原因可能是存在好氧段的同步硝化/反硝化（SND）和好氧段吸磷產生的堿度補充了硝化階段消耗的堿度[3]

④ 有機物及C/N比 本試驗中，由于廣州地區城市污水中的有機物并不是很高，那些快速生物降解的有機物又在厭氧&Ntilde&#59;&not&#59;環階段去除了一部分。當到好氧硝化階段時有機物濃度已不是很高，再者在本反應器中由于生物膜附著在載體上，就使得泥齡大大提高，這些都有利于硝化的順利進行。

4、反硝化過程中環境的影響因素

① 酸堿度 反硝化過程的最適宜PH值為6.5～7.5，不適宜的PH值影響反硝化菌的增殖和酶的活性。當PH值低于6.0或高于8.0時，反硝化反應受到強烈抑制。另外，文中已提到，反硝化過程中會產生堿度，這有助于補充硝化所需的堿度。本試驗中由于NO3-N 濃度不是很高，所以產生的堿度不高，PH值波動不是很大，故不影響反硝化的順利進行。

② DO 反硝化反應是由一群異氧型微生物完成的，它的主要作用是將硝酸鹽或亞硝酸鹽還&Ocirc&#59;&not&#59;成氣態N2或N2O，反應需要在無分子態氧的條件下進行。反硝化細菌在自然界很普遍，多數屬于兼性菌，在分子態氧（DO）極低的環境中可利用NO3-N中的氧作為電子受體。有機物作為碳源及電子供體進行反硝化反應。當有分子態氧且濃度較高時，它會與硝酸鹽中的氧競爭電子供體，另外分子態氧也會抑制硝酸鹽還原酶的合成及其活性，從而使反硝化受到抑制。本反應器中，由于生物膜對氧傳遞的阻力較大，所以當厭氧&Ntilde&#59;&not&#59;環段DO小于0.2mg/L，從上圖3-5 可以看出，反硝化并未受明顯影響，反硝化率均在97%以上。

③ C/N比　理論上講1g NO3-N還原為N2需要碳源有機物（以BOD5表示）2.86g。一般認為，當反硝化反應器污水的BOD5/TKN值大于4～6時，可認為碳源充足。表4給出了不同C/N比的脫氮效果[4]。

而廣州地區的BOD5/TKN在3.5-4.0之間，從處理效果來看，反硝化率在97%以上，分析&Ocirc&#59;&not&#59;因可能有以下幾點：

1）生物膜法泥齡較長，這時微生物的內源代謝作用要高于活性污泥法系統。微生物通過消耗自身的&Ocirc&#59;&not&#59;生質進行所謂的內源反硝化，反應式可用下式表示：
 C5H7O2N + 4NO3 → 5CO2 + NH3 +2N2 ↑+ 4OH-

2）有研究表明見[5]，要還原等量的NO3-N，分別用懸浮生長系統和附著生長系統所投加的碳源（以甲醇計算），后者所需投加的量比前者要低些；

3）反硝化一般以有機物為碳源和電子供體。當環境中缺乏有機物時，無機物如氫、Na2S等也可作為反硝化反應的電子供體。

六、結論

① 在碳源不足的情況下，序批式生物膜法對城市污水的NH3-N、TN都有很高的去除效果。NH3-N的去除率達90%以上；系統對TN的去除率在30%以上；

② 當控制混合水中硝態氮濃度在4mg/L以下時，基本不影響厭氧釋磷，經過3.5小時的厭氧循環，出水硝態氮濃度在0.08mg/L以下，反硝化效率達到90%以上；

③ C/N比（以BOD5表示）在3.5-4.0之間，對廣州地區城市污水來講，基本可以滿足反硝化；

④ 序批式生物膜法具有工藝流程簡單、去除效率高、占地面積小、經濟節能的優點，具有廣闊的發展前景。
 
 

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