MBBR中HRT與pH對短程硝化反硝化的影響

李　娜，胡筱敏，李國德，姜彬慧（.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽0004；.沈陽師范大學實驗中心，遼寧沈陽0034）

試驗研究

MBBR中HRT與pH對短程硝化反硝化的影響

李娜1，2，胡筱敏1，李國德2，姜彬慧1
（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110004；2.沈陽師范大學實驗中心，遼寧沈陽110034）

為了開發經濟高效的生物脫氮工藝，在MBBR中進行了短程硝化反硝化的研究，考察了HRT與pH對短程硝化反硝化的影響。結果表明，在短程硝化反硝化過程中，在室溫、不控制溶解氧的條件下，NH4+-N與COD去除率隨著HRT的延長而增大，出水NO2--N隨著HRT的延長先增大后減少，當HRT為8 h時出水NO2--N最高；當pH由5增加到10時，COD去除率的變化較小，NH4+-N去除率和出水NO2--N則隨著pH的增大先增大后減小，pH在8～9時對NH4+-N的處理效果最好，出水NO2--N最高。

移動床生物膜反應器；水力停留時間；pH；短程硝化反硝化

隨著中國經濟的迅猛發展，水資源受到了嚴重污染，水體富營養化問題尤為突出，廢水脫氮日益受到人們的重視〔1-5〕。而傳統的生物脫氮工藝能耗高，反應時間長，污泥產量高，針對目前的水污染狀況，開發經濟高效的生物脫氮工藝迫在眉睫〔6-8〕。與傳統的全程硝化反硝化工藝相比，短程硝化反硝化具有諸多優點，它能耗低，可節省25%的耗氧量，污泥產量少，可節省碳源和占地面積〔9-11〕。短程硝化反硝化是一種新型的可持續發展的脫氮工藝，是目前國內外生物脫氮工藝研究的熱點〔12-13〕。

移動床生物膜反應器（moving bed biofilm reactor，MBBR）工藝具有占地少、動力消耗低、運行操作管理簡單等優點〔14-15〕，本研究將MBBR工藝與短程硝化反硝化相結合，在自制的MBBR中研究了HRT與pH對短程硝化反硝化的影響。

1　試驗工藝與方法

1.1工藝流程

試驗工藝流程如圖1所示。

圖1　試驗工藝流程

廢水通過蠕動泵從進水槽連續進入反應器的底部，處理后的水則通過反應器頂部的小孔溢流而出。反應裝置底部有微孔砂芯曝氣頭，以保證充足的溶解氧，并使附著生物膜的填料能夠呈流化狀態，曝氣量通過轉子流量計控制。反應器內在距底部曝氣頭和頂部出水口5 cm處都設有隔板，防止填料堵塞排污口及出水口。反應器頂部蓋板上裝有可調速攪拌機，裝置運行過程中攪拌與曝氣交替運行，通過有氧曝氣與缺氧攪拌交替運行能夠在MBBR中更好地實現短程硝化反硝化。該裝置有溫度與pH傳感系統，可自動調控溫度，并自動加藥調控pH。

1.2測試項目與方法

COD——重鉻酸鉀法；NH4+-N——納氏試劑比色法；NO2--N——N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；NO3--N——紫外分光光度法；MLSS、MLVSS——重量法；pH——儀器法。

1.3試驗用水

試驗用水采用模擬生活污水，以NH4Cl和葡萄糖作為氮源和碳源。配水中NH4+-N為45～60mg/L，COD為300～550mg/L。模擬污水中還含有NaHCO3（400 mg/L）、CaCl2（4 mg/L）、MgSO4·7H2O（40 mg/L）、KH2PO4（40 mg/L）以及微量元素（0.6mL/L）。微量元素組成：FeCl3（375 mg/L）、H3BO3（37.5 mg/L）、CuSO4·5H2O（7.5 mg/L）、KI（45 mg/L）、MnSO4·H2O（25.69mg/L）、ZnSO4·7H2O（30mg/L）、EDTA（2 500 mg/L）、CoCl2·6H2O（50 mg/L）、Na2MoO4·2H2O（20 mg/L）。該模擬生活污水pH在7.2左右。

2　結果與討論

2.1反應器的掛膜與啟動

本試驗所用填料為大連宇都改性生物懸浮填料，填充率為50%。采取快速排泥法進行填料的掛膜，接種污泥取自沈陽南部污水處理廠，馴化后裝入反應器開始運行。經過20 d的穩定運行，填料上長出一層褐色的生物膜，此時反應器對COD的平均去除率達到85%，對NH4+-N的平均去除率達到65%，表明填料掛膜成功。試驗保持進水水質不變，通過調控溶解氧實現短程硝化反硝化，待系統穩定運行后對溶解氧不進行控制。

2.2HRT對短程硝化反硝化的影響

2.2.1不同HRT時三氮的變化

在進水pH為7.2左右的條件下，考察了不同HRT下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的變化，結果如圖2所示。

圖2　不同HRT下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的變化

由圖2可以看出，出水NH4+-N隨著HRT的延長而減少，當HRT為8 h時，平均NH4+-N去除率由HRT為6 h時的82.16%增加到96.69%；HRT為10 h時，平均NH4+-N去除率為98.23%，可以看出HRT為8 h和10 h時的平均NH4+-N去除率變化不大。出水NO2--N隨著HRT的延長先增大后減小，當HRT為8h時，出水NO2--N最高，平均為19.68mg/L，亞硝態氮積累率均值為75.15%；當HRT增加到10 h時，出水NO2--N反而減少，平均為16.33mg/L，亞硝態氮積累率均值為69.53%。出水NO3--N隨著HRT的延長而增加，當HRT由4 h增加到10 h時，平均出水NO3--N由2.62mg/L增加到6.26mg/L。

從實驗結果來看，HRT對短程硝化反硝化有著一定的影響。HRT越長，亞硝化菌氧化的NH4+-N總量就越多，產生的NO2--N也越多，所以亞硝氮的積累率隨著HRT的延長而增加。但當NH4+-N去除率達到一定值后，再繼續增加HRT，出水NO2--N呈下降趨勢，這是因為此時進水中的NH4+-N已在系統能力范圍內由亞硝化菌氧化掉，此時再增加HRT只能將更多的NO2--N氧化為NO3--N。

2.2.2不同HRT時有機物的去除情況

在進水pH為7.2左右的條件下，考察了不同HRT下COD的變化，結果如圖3所示。

圖3　不同HRT下COD的變化

由圖3可以看出，COD去除率隨著HRT的延長而提高，HRT為4 h時，平均COD去除率為63.89%，出水COD平均為150.12mg/L；HRT為6 h時，平均COD去除率上升到75.59%，出水COD平均為104.42mg/L；HRT為8 h時，平均COD去除率繼續上升到88.3%，出水COD平均為55.31mg/L；HRT為10 h時，平均COD去除率達到92.03%，出水COD平均為36.79mg/L。HRT為8 h和10 h時的出水COD分別達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級B標準和一級A標準，說明反應器內有機物去除情況良好。在MBBR中，較長的HRT有利于有機底物向生物膜表面傳遞，進而使COD去除率隨著HRT的延長而增加。

2.3pH對短程硝化反硝化的影響

2.3.1不同pH時三氮的變化

在HRT為8 h的條件下，考察了不同pH下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的變化，結果如圖4所示。

圖4　不同pH下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的變化

由圖4可以看出，當pH由5增加到9時，出水NH4+-N隨著pH的增大而減小，當pH在8～9時出水NH4+-N最小，僅為0.1mg/L，平均NH4+-N去除率達到了97.68%；當pH在9～10時，出水NH4+-N有所提高，平均為11.82mg/L，平均NH4+-N去除率降到76.22%。出水NO2--N隨著pH的增加先增大后減小，當pH為8～9時出水NO2--N最大，平均為19.6 mg/L，當pH為9～10時，平均出水NO2--N降到3.62 mg/L。

亞硝化菌的底物為游離氨，硝化菌以亞硝氮為基質，隨著pH的提高，游離氨濃度逐漸提高，因此要提高亞硝氮積累率，需要控制適宜的pH，使游離氨濃度控制在亞硝化菌和硝化菌的抑制濃度之間。pH在8～9時，NH4+-N的去除效果最好，說明亞硝化菌在該pH范圍內活性最高，比增長速率也最大。pH在5～6時，亞硝化菌活性受到嚴重抑制，pH在9～10時，堿性環境則抑制了微生物的生長。

2.3.2不同pH時有機物的去除情況

在HRT為8 h的條件下，考察了不同pH下COD的變化，結果如圖5所示。

圖5　不同pH下COD的變化

由圖5可以看出，隨著pH的變化，COD的去除穩定，波動較小，說明該MBBR短程硝化脫氮體系在去除有機物方面獨具優勢，其抗pH沖擊能力較強，不同pH范圍平均COD去除率達到了83%，平均出水COD均在100mg/L以下，低于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的二級標準。

2.4反應器內的生物相

在電子顯微鏡下對MBBR中的生物相進行了觀察，結果表明，填料上的生物膜絮體密實，含有大量微生物菌膠團。

2.5生物膜電鏡掃描

在短程硝化反硝化啟動初期，以及最佳HRT及最佳pH下的穩定運行階段，對MBBR中的生物膜進行了SEM表征，結果如圖6所示。

圖6　生物膜中微生物的SEM圖像

由圖6可以看出，與啟動初期相比，當HRT為8 h和pH為8～9時，生物膜中菌落數量明顯升高，生物膜中微生物排列緊密。

3　結論

（1）HRT對短程硝化反硝化的影響試驗表明，出水NH4+-N隨著HRT的延長而減少，但NH4+-N去除率在HRT為8 h和10 h時相差不大，平均分別為96.69%和98.23%。出水NO2--N隨著HRT的延長先增大后減少，HRT為8 h時出水NO2--N最高，平均為19.68 mg/L；當HRT增加到10 h時出水NO2--N反而減少，平均為16.33mg/L。COD去除率隨著HRT的延長而提高，HRT為8 h和10 h時的出水COD分別達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級B標準和一級A標準。

（2）pH對短程硝化反硝化的影響試驗表明，當pH由5增加到9時，出水NH4+-N隨著pH的增大而減小，當pH在8～9時NH4+-N處理效果最好，平均NH4+-N去除率達到了97.68%；當pH在9~10時，平均NH4+-N去除率降到76.22%。出水NO2--N隨著pH的增加先增大后減小，pH為8～9時出水NO2--N最大，平均為19.6mg/L；當pH為9～10時，平均出水NO2--N降到3.62mg/L。隨著pH的變化，COD的去除穩定，波動較小，不同pH范圍平均COD去除率達到了83%，平均出水COD均在100 mg/L以下，低于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的二級標準。

（3）觀察發現，反應器運行穩定后填料上的生物膜絮體密實，含有大量微生物菌膠團；SEM表征結果表明，與運行初期相比，HRT為8 h和pH為8～9時生物膜中的菌落數量明顯升高，生物膜中微生物排列緊密。

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Influences ofhydraulic retention time（HRT）and pH on shortcutnitrification and denitrification in them oving bed biofilm reactor（MBBR）

LiNa1，2，Hu Xiaomin1，LiGuode2，Jiang Binhui1
（1.School of Resourcesand Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110004，China；2.Experimental CenterofShenyang NormalUniversity，Shenyang110034，China）

In order todevelop an economicaland efficientbiologicalnitrogen removing process，the research on shortcut nitrification and denitrification has been conducted in MBBR，and the influences of HRT and pH on shortcut nitrification and denitrification have been investigated.The results show that in the process of shortcut nitrification and denitrification，under the following conditions：at room temperatureand without dissolved oxygen control，the removing ratesofNH4+-N and COD increasewith the lengtheningofHRT，and effluentNO2--N increases firstand then decreaseswith the lengthening of HRT.The effluent NO2--N is the highest，when HRT is 8 h.The COD removing rate does not changemuch，when pH increases from 5 to 10.The removing rate of NH4+-N and effluentNO2--N increase firstand then decreasewith the increaseofpH.The treatmenteffecton NH4+-N is thebestand effluentNO2--N is thehighest，when pH is8-9.

moving bed biofilm reactor（MBBR）；hydraulic retention time（HRT）；pH；shortcut nitrification and denitrification

X703

A

1005-829X（2016）10-0020-04

國家科技重大專項——水體污染控制與治理（2013ZX07202-010）；遼寧省教育廳一般項目（L2014437）；沈陽市科技計劃項目（F15-199-1-21）；遼寧省大型儀器設備共享服務平臺能力建設基金項目（2015年）

李娜（1981—），博士，高級實驗師。E-mail：lina218@ 126.com。

2016-08-11（修改稿）