包埋硝化菌流化床与接触氧化固定床除氨氮效果对比_李志荣

包埋硝化菌流化床与接触氧化固定床除氨氮效果对比
李志荣,　陈庆选,　王欣泽,　何圣兵,　张振家
(上海交通大学环境科学与工程学院,上海200240)
摘　要:　以固定化包埋硝化菌颗粒作为流化床的载体,以P V C弹性填料作为固定床的载体,
使硝化菌分别以包埋和生物膜的形式与载体结合,通过试验对比了流化床和固定床去除水中氨氮
的效果。

结果表明,在相同条件下,流化床的硝化效率高于固定床的;两反应器内均存在亚硝酸盐
氮积累现象,且流化床的积累浓度高于固定床的;C O D及氨氮负荷的短期冲击对两反应器的硝化
效果几乎不会产生影响;流化床中的包埋固定化硝化菌具有更强的抗温度变化能力;在反应器连续
运行条件下,流化床和固定床对氨氮的去除率分别为96%和80%。

关键词:　流化床;　固定床;　固定化包埋硝化菌;　生物膜;　硝化速率
中图分类号:X703 文献标识码:C 文章编号:1000-4602(2007)19-0052-04
C o m p a r i s o n o f A m m o n i a N i t r o g e nR e m o v a l R a t e b e t w e e n F l u i d i z e d
B e dR e a c t o r w i t hE m b e d d e d N i t r o b a c t e r i a a n dF i x e d B e d R e a c t o r
w i t h B i o-c o n t r a c t O x i d a t i o nP r o c e s s
L I Z h i-r o n g,　C H E NQ i n g-x u a n,　W A N GX i n-z e,　H ES h e n g-b i n g,　Z H A N GZ h e n-j i a (S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y,S h a n g h a i
200240,C h i n a)
A b s t r a c t:　T a k i n g i m m o b i l i z e de m b e d d e d n i t r o b a c t e r i a p e l l e t a s c a r r i e r i n f l u i d i z e db e dr e a c t o r,
a n d P V Ce l a s t i c f i l l e r a s c a r r i e r i nf i x e d
b e d r e a
c t o r,n i t r o b a c t e r i a w e r e r e s p e c t i v e l y i m m o b i l i z e
d o n
e n-
c a p s u l a t e
d b
e a d s a n d b i o
f i l mi n t h e b o t hr e a c t o r s.A m m o n i a n i t r o
g e n r e m o v a l e f f e c t i n t
h e b o t h r e a c t o r s
w a s c o m p a r e d.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h en i t r i f i c a t i o n e f f i c i e n c y i nf l u i d i z e db e di s h i g h e r t h a nt h a t i n
f i x e d b e d u n d e r t h e s a m e c o n d i t i o n.N i t r i t e a c c u m u l a t i o n t a k e s p l a c e i n t h e b o t h r e a c t o r s a n d a c c u m u l a-
t i o n s t r e n g t h i n f l u i d i z e d b e d i s h i g h e r t h a n t h a t i n f i x e d b e d.S h o r t-t e r mi m p a c t o f C O Da n d a m m o n i a n i-t r o g e n l o a d h a r d l y a f f e c t s t h e n i t r i f i c a t i o n e f f e c t i nt h e b o t h r e a c t o r s.F u r t h e r m o r e,t h e i m m o b i l i z e d e m-
b e d d e d n i t r o b a
c t e r i a i n f l u i
d i z
e d b e d h a v e s t r o n g e r a b i l i t y a g a i n s t t e m p e r a t u r e c h a n g e.D u r i n g t h e c o n t i n-
u o u s r u n n i n g,t h e a m m o n i a n i t r o g e n r e m o v a l r a t e s i n f l u i d i z e d b e d a n d f i x e d b e d a r e96%a n d80%r e-s p e c t i v e l y.
K e y w o r d s:　f l u i d i z e d b e d;　f i x e d b e d;　i m m o b i l i z e d e m b e d d e d n i t r o b a c t e r i a;　b i o f i l m;　n i t r i-
f i c a t i o n r a t e
好氧生化法对水中氨氮的去除是依靠自养硝化菌将氨氮转化为N O-x-N,硝化反应速率为零级。

由于硝化菌的世代时间较长,对氧的竞争能力小于异养菌,所以当水中B O D浓度较高时,硝化反应自然会处于弱势。

提高硝化反应效率的有效方法是提高反应器内硝化菌的浓度。

与生物膜形式的菌体自然固定法相比,硝化菌包埋固定化法是一种人工方法[1],笔者采用生物接触氧化形式的固定床与装载固定化包埋颗粒的流化床进行了处理人工模拟污水的平行试验,对试验结果进行了分析。

第23卷　第19期2007年10月
中国给水排水
C H I N AWA T E R＆WA S T E WA T E R
V o l.23N o.19
O c t.2007
1　材料与方法
1.1　试验材料
固定化包埋硝化菌颗粒采用日本日立成套设备公司的产品,颗粒大小为3m m×3m m×3m m,颜色为浅棕黄色,无明显气味,密度约为1.02g/c m3,经适量曝气后可均匀悬浮于水中。

固定床填料为P V C材质的污水处理用弹性填料,接种污泥来自采用A/O工艺的某城市污水处理厂的曝气池。

试验用污水为人工配水,主要成分为N H4C l、N a2H P O4、N a H C O3,所加有机物为葡萄糖。

1.2　试验装置
试验装置如图1所示。

图1　试验装置
F i g.1　S c h e m a t i c d i a g r a mo f e x p e r i m e n t a l s e t u p
试验所用的两个反应器均采用中心管气升式内循环结构,反应器由有机玻璃制成,有效容积为18L。

其中,1#反应器为流化床反应器,按体积填充率为10%的比例投入包埋颗粒;2#反应器为固定床反应器,载体采用弹性填料。

冬天气温较低时,两反应器均由加热器及温控仪维持温度恒定,以保证微生物的活性及反应器的稳定运行。

长期运行过程中,两反应器的溶解氧浓度均控制在4～5m g/L,温度均保持在(27±1)℃。

2　结果与讨论
2.1　硝化菌的驯化
2.1.1　包埋硝化菌颗粒的驯化
包埋硝化菌颗粒驯化期间的硝化率及p H值变化情况如图2所示。

试验开始前,由于储存时间较长,包埋硝化菌颗粒颜色发黑、气味发臭。

由图2可知,驯化初期进水N H+4-N浓度为40m g/L,当硝化率>90%时将进水N H+4-N浓度提高到80m g/L,由于硝化菌不能立即适应较高的N H+4-N浓度而使硝化率急剧下降,但在较短的时间内又逐渐恢复到较高水平,说明硝化菌已经开始适应这种底物并表现出较高的活性。

经过三个星期的驯化,包埋硝化菌颗粒的颜色变为红棕色,其硝化活性较高并保持稳定,表明驯化已完成。

图2　包埋硝化菌的驯化情况
F i g.2　A c c l i m a t i o n o f e m b e d d e dn i t r o b a c t e r i a
驯化过程中的投碱量严格按照比例控制。

从图2可以看出,在驯化初期系统的p H值偏高,较高p H值条件下产生的游离氨会对硝化菌的硝化活性产生一定的抑制作用。

随着硝化率的增加,p H值逐渐下降,提高进水N H+4-N浓度时硝化率陡然下降,p H值也突然升高,之后又呈下降趋势,这说明硝化过程中产生的酸已将投加的碱中和,整个反应溶液接近中性,适于微生物的存活生长。

2.1.2　固定床反应器硝化菌的驯化
接种污泥来自上海闵行污水厂A/O工艺的曝气池,将其投入反应器使M L S S约为2000m g/L。

驯化初期进水氨氮浓度为40m g/L,H R T为8h,反应器运行1d以后,填料上已有褐色絮状生物膜形成。

系统运行两周后,反应器内有部分絮状污泥渐显淡黄色,表明硝化菌的数量在逐渐上升,而异养菌的数量在逐渐下降。

此后,把进水氨氮浓度提高到80m g/L,H R T仍控制在8h,当反应器运行1个月后,观察到填料上的生物膜几乎都变成淡黄色,表明生物膜中的微生物以硝化菌为主,此时的硝化率约为93%,说明污泥驯化已完成。

2.2　流化床与固定床的对比试验结果
2.2.1　各形态氮浓度的变化
在水温为32℃、两反应器起始N H+4-N浓度均为250m g/L的条件下,每隔一定时间监测反应器
w w w.w a t e r g a s h e a t.c o m李志荣,等:包埋硝化菌流化床与接触氧化固定床除氨氮效果对比第23卷　第19期
内各形态氮的浓度,结果见图3。

图3　流化床与固定床中各形态氮的浓度变化F i g .3　A m m o n i a ,n i t r i t e a n d n i t r a t e p r o f i l e s i nb o t h
f l u i d i z e db e da n df i x e db e dr e a c t o r s
图3表明,流化床的硝化速率为39m g N /(L ·h ),比固定床的[25m g N /(L ·h )]高。

由于硝化反应属零级反应,即氨氮浓度不是硝化反应速率的限制
因素,所以如果氨氮起始浓度在微生物的耐受范围内,则氨氮浓度应呈直线下降。

本试验虽然难以做到使两反应器内的生物量相同,但可以使两反应器都能达到正常运转时的最佳状况,因此上述硝化速率的差异可以反映出两类型反应器在硝化效率方面的差异,即流化床的硝化效率比固定床的高。

从图3还可看出,在氨氮浓度衰减的过程中,亚硝酸盐氮的浓度始终高于硝酸盐氮的浓度,只有在氨氮浓度接近于零后,亚硝酸盐氮的浓度才开始下降。

这可能是由于在反应过程中亚硝酸盐氮的生成速率大于硝酸盐氮的生成速率所致。

另外,有研究表明,游离氨对硝酸菌的抑制浓度为0.1～1.0m g /L ,对亚硝酸菌的抑制浓度约为10～40m g /L 。

本试验的氨氮起始浓度为250m g /L ,经计算游离氨浓度约为20～30m g /L 。

因此游离氨对硝酸菌会产生明显的抑制作用,而亚硝酸菌则能在此游离氨浓度下正常增殖、氧化,所以即使反应器内溶解氧充足仍易发生亚硝酸盐氮的积累。

在流化床反应器中,亚硝酸盐氮的最高积累浓
度明显大于固定床的。

究其原因为:包埋颗粒受到的传质阻力不仅包括穿过生物膜的阻力,而且包括
穿过载体表面的阻力,硝化菌因其生长速率(0.042m g c e l l /m g N )较亚硝化菌(0.142m g c e l l /m g N )慢而集中于内层
[2]
,且硝化菌以亚硝化菌的代谢产物为
底物,这样传质过程中的双重阻力使得更多的硝化菌不易接触到基质,而亚硝化菌的反应速率却没有受到很大的影响。

固定床内的微生物附着于填料表面生长,废水以薄膜形式流经其表面,基质从生物膜表面向内传递时只受到生物膜的传质阻力,相对于流化床有较多的硝化菌参与了生物代谢,将亚硝态氮及时转化为硝态氮。

反应结束时两反应器内的总氮(各形态氮的总和)浓度均稍有下降,这一方面是混合液p H 值略偏碱性使氮以氨气形式逸出的结果,另一方面是由于各种形态的氮均有一部分被吸附于载体或生物膜表面。

另外,在两反应器内发生的是非均相反应,都存在传质限制,生物膜内的D O 浓度较低,紊流效果差,若滋生了好氧反硝化菌也可使总氮浓度降低。

此外还可能有一部分氮在转化为N O -
3-N 以前就以N O 或N 2O 等气态形式被释放掉了[3]。

2.2.2　进水负荷对硝化反应的影响
表1是两反应器在5种进水C O D 、氨氮负荷下对氨氮的去除率。

表1　不同进水C O D 及氨氮负荷下对氨氮的去除率T a b .1　A m m o n i a r e m o v a l r a t e s u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s
o f C O Da n da m m o n i a l o a d i n g r a t e s 进水编号12345C O D 负荷/
(m g C O D ·L -1·h -1
)
12
18243136氨氮负荷/
(m g N H 3-N ·L -1·h -1
)2222
41
35
39
C O
D 负荷∶氨氮负荷/
(g C O D ·g -1N H 3-N )0.550.820.590.890.921#反应器氨氮去除率/%93927785792#反应器氨氮去除率/%
81
81
65
74
68
试验中发现,进水负荷的短期冲击几乎不会对两反应器的硝化效果产生影响,这表明两反应器均有较强的耐冲击负荷能力。

2.2.3　温度对硝化反应的影响
一般认为,硝化菌最适宜的生长温度在30℃左右,当温度<15℃时硝化速率显著下降,温度>30℃时硝化菌也会受到抑制。

试验考察了温度为8～
第23卷　第19期 中国给水排水 w w w .w a t e r g a s h e a t .c o m
32℃时两反应器硝化速率的变化,结果见图4。

图4　温度对硝化速率的影响F i g .4　T e m p e r a t u r e e f f e c t o n n i t r i f i c a t i o nr a t e
由图4可知,不同温度下,1#
反应器的硝化速率比2#
反应器的要大。

当温度从28℃下降到8℃时,1#
反应器的硝化速率从40m g N /(L ·h )下降到18
m g N /(L ·h ),降幅为55%;2#
反应器的硝化速率从31m g N /(L ·h )下降到8m g N /(L ·h ),降幅为74.2%。

当温度从28℃上升到32℃时,1#
反应器的硝化速率从40m g N /(L ·h )降至39m g N /(L ·h ),
降幅为2.5%;2#
反应器的硝化速率从31m g N /(L ·h )下降到25m g N /(L ·h ),降幅为19.4%。

上述试验结果说明1#
反应器的硝化速率对温度变化的反应
不及2#
反应器的敏感,包埋硝化菌具有较强的抗温度变化能力。

其原因在于包埋载体本身对温度变化具有较强的抵御能力,相对于软性填料挂膜来说,微生物不会直接受到温度剧烈变化的影响。

2.2.4　两反应器长期运行效果的比较
为考察两反应器的长期运行效果,进行了连续进水试验。

图5为在同等条件下,两反应器进、出水氨氮浓度的变化情况。

图5　进、出水氨氮浓度变化
F i g .5　D i f f e r e n t a m m o n i a c o n c e n t r a t i o n s i ni n f l u e n t
a n de f f l u e n t
试验期间,两反应器的进水氨氮浓度均保持在330m g /L 左右,温度均为(27±1)℃,水力停留时
间均为10.5h ,溶解氧浓度均为4～5m g /L 。

由图5可知,1#
反应器的硝化效果明显好于2
#
反应器的。

1#
反应器的硝化率一直保持在96%左
右,出水N H +
4-N 浓度几乎均低于15m g /L ,系统运行稳定;2#
反应器的硝化率在80%左右,运行过程中发现反应器内填料上固定的硝化菌不够牢固,容
易脱落,使出水浑浊,这也是其相对于1#
反应器的缺点之一。

3　结论
①　在水温为32℃、起始N H +
4-N 浓度为250m g /L 的条件下,投加包埋硝化菌的流化床的硝化速
率为39m g N /(L ·h ),投加P V C 填料的接触氧化固定床的硝化速率为25m g N /(L ·h ),说明流化床的硝化效率高于固定床的。

②　在氨氮浓度衰减的过程中,亚硝酸盐氮的浓度始终高于硝酸盐氮的浓度,只有在氨氮浓度接近于零后,亚硝酸盐氮的浓度才开始下降,由此推测反应过程中亚硝酸盐氮的生成速率大于硝酸盐氮的。

亚硝酸盐氮在流化床中的积累浓度大于在固定床中的。

③　两反应器均有较强的耐C O D 和氨氮冲击负荷的能力;流化床反应器的硝化速率受温度变化的影响要小于固定床反应器的。

④　在进水氨氮浓度约为330m g /L 、温度为(27±1)℃、水力停留时间为10.5h 、溶解氧浓度为4～5m g /L 的连续进水条件下,长期运行时两反应器对氨氮的去除率分别为96%和80%。

包埋硝化菌颗粒显示出较高的硝化活性。

参考文献:
[1]　葛晓虹,张振家,王毅军.固定化包埋硝化菌去除源水
中氨氮研究[J ].中国给水排水,2006,22(3):51-54.[2]　R o s t r o n W M ,S t u c k e yDC ,Y o u n gA A .N i t r i f i c a t i o no f
h i g hs t r e n g t ha m m o n i aw a s t e w a t e r s :C o m p a r a t i v es t u d y o f i m m o b i l i z a t i o n m e d i a [J ].Wa t e r R e s ,2001,35(5):1169-1178.
[3]　刘军,王斌,潘登,等.好氧脱氮过程中脱氮途径的初
探[J ].工业水处理,2003,23(11):53-56.电话:(021)26537278
E-ma i l :l i z r 0210@s i n a .c o m .c n 收稿日期:2007-04-30
w w w .w a t e r g a s h e a t .c o m 李志荣,等:包埋硝化菌流化床与接触氧化固定床除氨氮效果对比第23卷　第19期。