回流比对前置反硝化生物滤池的影响

杨 威，张雷坤，余华荣，王 丽，梁 恒，李圭白

(1.哈尔滨商业大学环境工程系，哈尔滨150076;2.哈尔滨商业大学生命科学与环境科学研究中心，哈尔滨150076;3.哈尔滨工业大学环境科学与工程博士后流动站哈尔滨150090;4.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090)

前置反硝化曝气生物滤池结合了将曝气生物滤池与A/O工艺，因此该工艺除了具备曝气生物滤池的优势外，还能够达到很好的脱氮效果[1－3]，它属于两级BAF系统，可分别实现对不同底物的去除.其中，BAF(O段 )反应器内为好氧环境，主要发生碳化和硝化反应，用于去除污水中的有机物和氨氮;BAF(A段 )反应器内为缺氧环境，将BAF(O段)反应器内的部分硝化液回流至BAF(A段)反应器中，反硝化菌利用原水中的有机物作为碳源，将回流液中的硝态氮、亚硝态氮还原成气态氮，达到脱氮目的[4－6].硝化液回流是该工艺获得良好脱氮效果的先决条件，其回流比大小直接影响到脱氮效果.

本实验采用前置反硝化生物滤池以人工模拟配置人工废水，研究了同一进水量和气水比的条件下，回流比为100%、200%、300%时对系统各种污染物的影响，以求达到该工艺的最佳工况参数.为我国在该工艺提供理论依据.

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

图1 实验装置图

试验采用上向流曝气生物滤池(UBAF)，试验装置见图1.BAF柱体采用有机玻璃材质制成，包括厌氧柱(A段)及好氧柱(O段).BAF厌氧段直径为70 mm，好氧段直径为100 mm.两段高同为1 800 mm，滤料填充高度同为1 000 mm，每隔200 mm设有一个取样孔.装置下部布水区高度为20 mm，采用滤头及多孔滤板布水布气，滤板孔径2 mm.填料采用火山岩滤料，厌氧段滤料直径为4～6 mm，好氧段滤料直径为1～3 mm.火山岩滤料的主要化学成分为:SiO2(43.27%)，CaO(9.86%)，MgO (1.49%)， Fe2O3(11.86%)， Al2O3(14.71%).火山岩填料的主要物理参数为:比表面积13.6 ～25.5 m2/g，空隙率 58%，孔隙率 73%～82%，堆积密度820 kg/m3.瓷粒主要性能参数为:比表面积为 3.98 m2/g，空隙率为 28.6%，堆积密度为890 kg/m3.火山岩填料的性质优于陶瓷填料[7－9].

1.2 试验水质

试验进水采用试验室配水模拟生活污水.将自来水稳定24 h以上，再向其中加入各组分，进水的组成见表1.实验水质见表2.

表1 进水组成

表2 实验水质

1.3 分析项目及方法

试验中分析监测项目方法均按国家标准测定方法检测，分析项目及方法见表3.

表3 分析项目及方法

2 两级BAF系统的挂膜启动

前置反硝化曝气生物滤池的启动采用快速排泥法.启动分为3个阶段.第1阶段为闷曝阶段，向装置中接种活性污泥加入人工配置生活污水，连续曝气24 h后，将装置排空，再次将反应器注满补充少量活性污泥、闷曝，此过程重复3 d，闷曝持续3 d后，反应器中滤料表面出现附着状的土黄色污泥絮体，表明反应器中已富集固定了足够多的生物量以完成反应器的初步挂膜.第2阶段为小流量连续进水阶段，厌氧柱不再曝气，采用小流量进水、不回流，逐步增大进水负荷，使生物膜逐渐适应进水负荷连续.运行第10天，A段生物膜变为墨黑色，而O段滤料上的生物膜变为浅黄色透明的黏状污泥，这表明两段反应器中生物膜在逐渐成熟.此过程共运行15 d，COD、NH3—N、TN 的去除率达到稳定标志该阶段挂膜成功.第3阶段为设计参数下运行驯化阶段，采用设计参数运行，进水流量为8L/h，回流比为100%，即O段水力负荷为2.04 m3/(m2·h)，A 段水力负荷为4.08 m3/(m2·h)，O 段曝气量为 1.5 m3/L，即气水比为 5.6∶1.增加回流后，能将O段生成的NO3－—N回流至厌氧环境进行反硝化反应，从而驯化反硝化细菌.当反应器出水满足污水排放标准并达到稳定时，即判断为启动成功.

3 结果与讨论

启动成功后，以同一进水量(8 L/h)、水力负荷(4.08 m3/(m2·h))、气水比(5.6∶1)持续运行，每次反冲洗后稳定运行24 h后取样，考察对两级反应器进出水的 DO、COD、NH3—N、TN、NO3－—N、NO2－—N进行监测.

3.1 回流比对COD去除效果的影响

回流比对COD的去除效果如图2所示.

当回流比100%升到200%时COD的平均总去除率由85.2%上升到了90.78%.说明在一定范围内增加回流比对反应器去除有机物是有利的.可能的原因是:增加回流比，增加的了水力负荷，增大水力剪切力，促进了生物更新.同时前置反硝化生物滤池主要以脱氮为主.增加回流比后，好氧池产生的大量的NO3－—N和NO2—N返回厌氧池中进反硝化反应.反硝化反应需要提供大量的碳源.从而促进了COD的降解.导致最终总去除效率的增加.但当回流比增加到300%时，平均总去除率下降到85.28%.导致这一现象的原因是当回流比增大后，水里剪切力增大，对生物膜的冲刷做用增大，使滤料的截留和吸附作用降低，同时水力负荷增大，水力停留时间缩短，有机物没有得到有效的降解就被排出，导致出水的COD增大.综合以上原因，可以得出:前置反硝化曝气生物滤池的回流比存在最佳值，过大或过小的曝气量，都会是COD的去除效果下降.本试验中确定的最佳回流比为200%.

图2 回流比对COD去除效果的影响

3.2 回流比对NH3—N去除效果的影响

回流比对NH3—N的去除效果如图3所示.

图3 回流比对NH3—N去除效果的影响

由图3可知，系统对氨氮的总去除率随着回流比的增加呈现先上升再下降的趋势，这与COD的去除规律相似，但变化幅度十分小.当回流比从100% 提高到200% 时，平均总去除率由91.06%提高到93.40%，从200% 提高到300% 时，总去除率由93.40%下降到 90.69%.说明在 BAF(O段)反应器内，硝化菌成熟后，回流比从100%到300%之间变换对硝化菌的影响不是很大.但是回流比越高，A柱进水NH3—N质量浓度越低，出水

NH3—N质量浓度越低，但是由于回流比的增加，水力负荷增大，增强了对生物膜的冲刷作用，导致部分硝化菌从载体上脱落总体去除率反而有下降趋势，所以回流比应控制在200%到300%之间最好.

3.3 回流比对NO3－—N和NO2－—N去除效果的影响

由图4、5可知系统调节回流比时NO3－—N和NO2－—N的变化趋势.

图4 回流比调节对NO3－—N变化趋势的影响

图5 回流比调节对NO2－—N变化趋势的影响

NO3－—N和 N O2－—N是反应器进行硝化反硝化的中间产物，由NO3－—N和NO2－—N可以得出在反应器中各个阶段的菌群状态是否良好.由图4可知，回流比100% ～200%时A段出水的NO3—N质量浓度平均值由3.42 mg/L下降到了1.79 mg/L，当回流比增加，不仅为厌氧池提供大量的NO3－—N和NO2－—N进行反硝化反应，促使厌氧区的反硝化菌活性增强.200%调节到300%时A段出水的NO3－—N升高，说明厌氧池的反硝化作用下降，主要原因为回流比的增加增大了水力负荷和水力剪切力，使反应的时间缩短，反应不充分.同时回流比的加大也增加了回流液中溶解氧的含量，对厌氧池环境形成破坏，抑制了反硝化细菌的生长，增大回流比时可以明显看到厌氧池底部生成浅黄色菌群生成.

3.4 回流比对TN去除效果的影响

回流比对TN去除效果的影响如图6所示.

图6 回流比对TN去除效果的影响

回流比是对总氮去除效果的主要影响因素.有实验可以看出，当回流比由100%提高到200%时，总去除率从72.26%提高至78.11%，A段去除率从48.81%上升至63.51%，总氮出水平均质量浓度从14.59 mg/L降到12.45 mg/L.当回流比提高到300%时，总去除率由78.11%降低到72.57%，A段去除率下降至48.13% ，出水平均质量浓度变为14.92 mg/L.其原因是:回流比控制厌氧池反硝化反应所需的NO3－—N和NO2－—N，但厌氧池反硝化能力有上限，当反硝化能力达到上限后，继续增大回流比也不会使总氮的去除率继续增加.同时增大回流比会增大水力负荷，增加回流液中携带的DO，使厌氧反应池中的厌氧环境遭到破坏，最终影响反应器中的整体反应.因此合理的回流比参数是保证前置反硝化反应正常运行的重要参数.控制出水DO是保证反硝化脱氮的前提.

4 结论

通过对前置反硝化生物滤池中回流比的研究，试验表明回流比对反应器中 COD、NH3—N、NO3－—N、TN均有一定的影响.对TN的去除影响最大.在一定的范围内，增加回流比有助于提高系统对污染物的去除，但当回流比进一步加大，出水水质将会下降.本研究中确定的最佳回流比工艺为200%，该回流比下系统出水 COD、NH3—N、TN平均质量浓度分别为 28.45、2.27、12.45 mg/L.

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