硝化-反硝化生物滤池在污水处理中的应用

摘要：采用硝化-反硝化生物滤池作为垂直潜流人工湿地处理生活污水的预处理单元。结果表明：试验期间在缺氧与好氧区的体积比为1：3的情况下，BAF预处理生活污水的较佳工况为：水力负荷为q=10.91m³/㎡·d、气水比3：1、回流比R=150%、对CODcr的平均去除率79.91%、氨氮的平均去除率为80.35%、总氮的平均去除率为66.83%及污染物去除率的沿程分布。

关键词：硝化-反硝化生物滤池；生活污水；预处理

引言：硝化-反硝化生物滤池是将传统的A/O工艺与曝气生物滤池工艺相结合，在有效降解污水中有机污染物的同时，也能够满足对污水生物脱氮的要求，具有负荷高，出水水质好，占地省等优点，可用于生活污水生态处理的预处理环节。

一、硝化-反硝化生物滤池原理

1.装置

采用硝化-反硝化生物滤池工艺预处理生活污水。试验采用一根高1.8 m直径90mm的有机玻璃柱，内置1000mm高轻质多孔陶粒填料，承托层以上每隔250mm设一个取样口，共设4个，设定的缺氧与好氧区（A/O）的体积比为1：3，曝气头位于承托层以上250mm处。

2.材料

用水为由葡萄糖、CH₃COONa、（NH₄）₂SO₄、KH₂PO₄及微量元素配制的模拟生活污水，各项水质指标CODcr为181.4~256.3mg·L-1，NH4+-N质量浓度为28.78~37.60 mg·L-1，TN质量浓度35.42~42.36 mg·L-1。

陶粒填料性质参数：粒径为3~5mm，密度1.4~1.6 g/cm3，堆积密度为0.84~0.95g/cm3，比表面积为3.0~4.0㎡/g，孔隙率为20~30%。

3.测试指标和分析方法

主要测试指标有CODcr、NH₄⁺-N和TN，分析方法按照《水和废水水质监测方法》进行。

二、生物滤池预处理生活污水效果及影响因素

生物滤池反应器启动采用投加活性污泥闷曝，连续流培养的模式进行，即在反应器启动时投加一定量的活性污泥作为种泥，先闷曝培养3d，然后连续进水运行30 d后，测柱内CODcr、氨氮的去除率均都达到70%以上就标志着挂膜成功[7]，启动完成。

1.水力负荷对BAF处理效果的影响

水力负荷的变化影响着CODCr、氨氮、总氮的去除率，在进水CODCr为192.8～258.2 mg·L-1，氨氮、总氮质量浓度分别为 28.2～36.4、35.2～43.7mg·L-1时，其对应的CODCr平均去除率为79.25 %、78.27%、75.66%，氨氮平均去除率为77.54%、77.84%、73.43%，总氮平均去除率为61.18%、58.10%、54.63%。可见，稳定运行期间，CODcr的去除效果随着水力负荷的增加，系统对CODcr的平均去除率呈现微弱下降的趋势。分析认为，随水力负荷不断增加，污水在滤池中的水力停留时间缩短，有机负荷也相应增加，部分有机物来不及降解，同时增加了滤层间的过滤速度和水力剪切力，很容易使生物膜被冲脱，影响处理效果[9]。总体来说，水力负荷对CODcr的去除效果影响不大，适当提高水力负荷仍旧可取得较佳的去除效果。

2.气水比对BAF处理效果的影响

气水比的变化影响着 CODCr、氨氮、TN的去除率，在CODcr进水浓度为188.8～238.6mg·L-1，氨氮、TN的质量浓度分别为29.62～35.6 、36.62～44.6 mg·L-1时，其对应的CODcr平均去除率为75.66 %、81.32%、80.36%，氨氮平均去除率为71.60%、74.24%、82.16%，总氮平均去除率为54.63%、59.98%、47.33%。可见，随着气水比的增加，系统对CODcr的平均去除率呈现先上升后下降的趋势。分析认为，当气水比由1：1升高到3：1时，水中溶解氧量也随之增加，促进了好氧微生物的生长，使反应器对CODcr去除能力提高。当气水比由3：1升高到5：1时，由于水中溶解氧量达到平衡，再加大曝气不仅不会增加溶解氧量，反而增强了水体的湍流，造成水中溶解氧的解析及填料上生物膜的脱落，降低了固定化微生物的浓度，导致反应器去除污染物的能力下降。

3.回流比对BAF处理效果的影响

在不同回流比条件下，BAF工艺对CODcr的平均去除率呈现先增加再减小的趋势。当回流比从50%提高至100%时，系统对CODcr的平均去除率由78.70 %升高到81.32%，这表明适当增加回流比对CODcr的去除是有利的，这是因为回流比的增加，系统的水力负荷增加，水力剪切力也随之增加，可以促进生物膜的更新作用，同时避免悬浮颗粒包裹于生物膜表面，保证了传质效果，从而保持微生物在系统中有较高的活性。此外，硝化-反硝化生物滤池主要用于脱氮，当回流比增加，回流到硝化-反硝化生物滤池中的NO2--N、NO3--N的量相应增加，此时更多的有机物被反硝化细菌作为碳源进行反硝化去除。当回流比提高至150%时，系统对CODcr的平均去除率下降到78.87%，这是因为提高回流比导致系统水力停留时间缩短，削弱了异养菌生物降解的作用，部分有机物来不及被微生物分解利用便随水流排出，使CODcr的去除率有所下降。总体来说，提高回流比对有机物的去除影响不大，在不同回流比条件下，有机物的去除率都大于75%以上。

三、硝化-反硝化生物滤池在污水处理中的应用分析

污水经过缺氧区后，其氨氮的平均去除率为49.56%。分析氨氮在缺氧区达到较高的去除效率主要原因可知：一是回流水的稀释作用；二是生物吸附和滤料截留作用；三是回流混合液中的溶解氧使进水中的氨氮发生了好氧硝化；四是发生氨氧化作用。当滤层高度500mm时氨氮的平均去除率提高了26.69%，这是因为硝化过程对溶解氧的需求较高，只有当溶解氧浓度较高时硝化菌才会保持较高的活性，在该段区域内，水中的溶解氧比较高，有机物经缺氧段作为碳源消耗利用后浓度降低，有利于硝化菌的生长，硝化菌成为优势菌种，表现为滤层对氨氮具有很高的去除率。因此，本工艺对于氨氮的去除，从根本上取决于好氧区的硝化作用，同时好氧区的硝化是前置反硝化的前提，硝化作用的好坏决定着本工艺反硝化性能的优劣。在滤层500~ 1000mm内，氨氮去除率仅增长了4.1%，这是因为在滤层250~500mm内己形成稳定的硝化状态，所以在后500mm段，氨氮去除率增加有限。

在缺氧区（0~250mm）总氮的平均去除率为 57.99%，占总去除率的86.78%。在缺氧区内总氮浓度急剧下降主要有三个方面原因：一是缺氧区内硝态氮利用污水中的可生物降解有机物进行反硝化反应，实现脱氮；二是原污水对回流液中的硝态氮稀释作用使得总氮浓度急剧下降；三是由于氨氧化作用。在好氧区（500~1000mm）内，总氮仍有8.84%的去除率，说明在好氧区发生了同步硝化反硝化现象，分析可能的原因：在运行过程中由于曝气不均匀，气泡沿器壁上升，使滤料层出现局部变黑的情况，在滤料颗粒间的孔隙中形成适合反硝化的缺氧或厌氧环境。根据好氧生物膜的构造可知，在生物膜内产生了溶解氧梯度，生物膜表面的溶解氧较高，以好氧的硝化菌为主，而生物膜内部则存在缺氧区，反硝化菌占优势。

四、结论

有机物经硝化-反硝化生物滤池预处理，进入垂直潜流人工湿地处理后，出水可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）的一级A标准。该工艺系统投资和运行成本低，处理效果好。在缺氧段0~250mm滤料层内发生了明显的反硝化作用，使总氮得到了有效的去除，而好氧段对总氮也有一定的去除效，说明在好氧状态下存在同步硝化反硝化作用。