流化床填料在生物脱氮工艺中的利用研究

吴金

摘要 试验使用一种新型流化床载体填料，研究表明運行效果良好。新型流化床填料投加率为30%、水力停留时间为7 h时，DO在1.5～2.0 mg/L范围内，可以作为流化床生物膜反应器最佳氮磷去除的控制参数。新型流化床填料对本试验模拟废水中有机物及氨氮具有良好的去除效果，COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别为83.1%、93.8%、67.7%和57.1%。

关键词 流化床；填料；生物脱氮；废水处理

中图分类号 X703.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）23-0175-02

生物流化床（biological fluidized beds，BFBs）废水处理技术是20世纪70年代初期由美国首先开始进行研究和应用的，它以生物膜法为基础，吸取了化工操作中的流态化技术，形成了一种高效的废水处理工艺，是生物膜法的重要突破[1]。

以砂、活性炭、焦炭、陶粒、沸石、磁环、玻璃珠、多孔球等一类较小惰性颗粒为载体，微生物栖息于载体表面，形成薄层。生物膜废水或废水和空气的混合液由下而上以一定的速度通过床层，使载体流化，污染物在与悬浮相生物和附着相生物的不断接触中得以降解。从原理上讲，生物流化床通过载体表面的生物膜发挥去除作用，但在反应器内部生物膜随载体颗粒在水中呈悬浮态。因此，生物流化床同时具备悬浮生长法的一些特征，是一类既具有固定生长法特征又有悬浮生长法特征的反应器，克服了固定床生物膜法中固定床操作存在的易堵塞问题[2-3]。

目前，阻碍该技术实用化和工业化的主要问题是高效的固定化反应器及运行方式、生物相容性载体的使用寿命及物理特性、高效且有竞争力的微生物种群的选择[4]。本文试验使用一种新型流化床载体填料，研究表明运行效果良好。

1 材料与方法

1.1 载体填料的形式结构与特性

本工艺设计用的新型流化床载体填料为一种有机高分子聚合物材料，具有如海绵一样疏松多孔的立体结构，比表面积大（9 100 m2/m3），粒料尺寸结构均一（10 mm×10 mm×10 mm），无生物毒性，不易生物降解，具有较高的生物亲和性和亲水性，同时抗磨损性能强。因载体湿密度略小于水，投入水中后的初期多为漂浮状态，随着生物量的逐渐附着生长，其整体密度变得略大于水而逐渐变为悬浮或下沉状态，极易随着水体的流动而呈现流化状态。新型流化床载体填料外观及其在反应槽内状态见图1。

填装密度在此是指填料载体在反应器中所占的体积比例，本次采用30%的体积比来投加，此时反应器中的填料载体的比表面积约占3.03 m3/L。

1.2 工艺流程

本工艺为常规活性污泥处理工艺，进水原水为含氮废水，原水呈碱性，经过pH值调节后进入混凝沉淀，沉淀出水进入生物流化床反应槽，最终进入二沉池沉淀后清水外排至监测点。系统采用PLC实现电气全自动化控制，通过溶氧仪检测水中溶氧量，控制供氧鼓风机的启停。工艺流程图见图2。

1.3 活性污泥的培养与驯化

通过接种生活污水处理厂的剩余污泥来缩短污泥的培养周期，因工厂生产工艺原因，排入本设备原水有其特殊性，进水有机底物含量相对较低，而氮素含量相对偏高，磷含量较少，几乎不含有，所以需要投加适当的有机物及磷酸盐等营养物质来平衡水体底物浓度，将水中主要底物的含量比控制在适当的范围之间，同时提高废水生化性。投加的营养物质主要是葡萄糖和磷酸二氢钾，用以提高水中BOD5及P含量。系统原水与调整后进水水质见表1。

在污泥的培养过程中，载体填料宜分少量多次投加，每次投加前最好在上一次投加的填料能够随着曝气搅拌进入流化状态为宜。

1.4 参数设置

①系统总进水量为120 m3/d。②污泥负荷：根据序批式反应器的特点，结合填料载体的优点可以将污泥量控制在4 500 mg/L以上。③pH值：因脱氮工艺中，硝化细菌氧化1 g氨氮大约需要消耗7.14 g的CaCO3碱度，而还原1 g硝态氮，约产生3.57 g CaCO3碱度，所以在脱氮过程中，会消耗一定的碱度，因此要控制反应器中的碱度，将pH值控制在8左右，确保硝化过程中的碱度消耗。④TKN/MLSS：控制在0.02～0.03 kg/（kg·d）。⑤BOD5/TN：>8。⑥溶解氧：溶解氧控制在1.5～2.0 mg/L，可利用溶氧仪通过PLC控制联动鼓风机的启停，来实现反应器中溶解氧含量的控制。溶解氧不宜过高，水中溶解氧充足会导致填料中间不易形成厌氧区域。在污泥培养初期，为获得大量污泥，可适当提高溶氧量；当填料上附有大量活性污泥菌落体，好氧污泥培养成熟，载体附着效果明显后（图3），可适当调整供氧量，促使载体填料内部形成厌氧区域（图4），繁殖厌氧菌群，但供氧量需控制适当，过小容易使整个载体填料上的菌群变成厌氧菌群，致使填料载体整体变成黑色，内部伴有腐臭味。

载体布满活性污泥菌群停留时间：反应槽有效容积17 m3，停留时间约7 h。

1.5 水质分析方法

COD：重铬酸钾法；TN：过硫酸钾-紫外分光光度法；NH4+-N：纳氏试剂光度法；TP：过硫酸钾氯化亚锡还原光度法[5]。

2 结果与分析

出水水质分析结果如表2所示。试验结果表明，新型流化床填料对本试验模拟废水中有机物及氨氮具有良好的去除效果，pH=7.3条件下，COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别为83.1%、93.8%、67.7%和57.1%。流化床生物膜反应器填料投加率为30%、水力停留时间为7 h时，DO在1.5～2.0 mg/L范围内，可以作为MBBR最佳氮磷去除的控制参数。

3 讨论

流化床载体的脱氮原理在于生物相附着于载体填料中，通过载体的立面结构使不同位置上附着生长不同的优势菌种，载体的外表面及近表面可以获得较多溶解氧而使硝化细菌成为优势菌种，而随着载体内部的逐渐深入溶解氧的逐渐消耗，内部形成一个相对密闭的厌氧环境，厌氧反硝化细菌在此成为了优势菌种，整个载体形成一个共生协作团体，消化细菌通过硝化作用消耗溶解氧为反消化细菌提供厌氧环境，同时生成硝酸盐传递至载体内部，进行反硝化脱氮，整个载体形成一个微型的AO工艺，使得原本在2个反应器中分开进行的反应能够在一个反应器中完成[6-7]。

反应器中投加载体填料，可提高反应器中的污泥浓度，提高污泥的耐冲击负荷，生物相附着在载体中生长，不随反应器的出水而流出，理论上是无限地延长了污泥的泥龄，而生物相附着在载体上，不随出水流出能保证污泥量，使反应器中保持一个较高的生物污泥量，同时省去的污泥回流环节，节约成本与能源。载体流化床工艺适合污水生物处理工艺，具有良好的COD去处功能的同时具备生物脱氮功能，适用于含氮废水的脱氮处理。

4 参考文献

[1] 徐和胜，付融冰，褚衍洋.芦苇人工湿地对农村生活污水磷素的去除及途径[J].生态环境，2007，16（5）：1372-1375.

[2] 杨飞.复合式生物滴滤池技术在小城镇生活污水处理中的应用[J].环境保护与循环经济，2011，31（2）：59-61.

[3] 桂双林，王顺发，吴永明，等.厌氧—生物滴滤塔—人工湿地组合工艺处理农村生活污水[J].江西科学，2013，31（6）：789-197.

[4] 谭平，马太玲，赵立欣.ABR-生物滴滤池组合工艺处理农村生活污水[J].环境工程学报，2013，7（9）：3439-3444.

[5] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002.

[6] 王学江，夏四清，陈玲，等.DO对MBBR同步硝化反硝化生物脱氮影响研究[J].同济大学学报（自然科学版），2006，34（4）：514-518.

[7] 田淼，张永祥，张粲，等.DO与MBBR反应器同步硝化反硝化脱氮关系研究[J].中国水运，2010，10（5）：124-126.