生物膜法及脱氮理论介绍

(四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065)

1 我国水污染现状

水是社会发展的一种可循环利用、价廉易得的重要资源，由于社会发展造成的水资源不合理开发利用严重损害了水环境质量，也会影响人类的健康，因此有必要采取一些措施保护水资源。

2 生物膜法

生物膜法包括生物滤池、生物转盘(RBC)、BAF、生物接触氧化法等一系列微生物附着生长系统的污水处理工艺。生物膜法因其具有耐冲击、负荷能力强、运行管理方便、剩余污泥量少、污染物去除效果好等特点而被广泛应用。

2.1 生物转盘技术

生物转盘技术(RBC)是以生物滤池为基础上发展起来的，其污染物去除原理与生物滤池基本相同。生物转盘构造简单、设计和操作容易、启动时间短。但是生物转盘法也有一些劣势，如处理能力有限，难以用于处理水量较大的污水处理工程、进水需要进行预处理、流程灵活性有限等[1]。

生物转盘结构如图1，主要包括转轴及驱动装置、半圆接触反应槽、盘片三大部分，由驱动装置带动转轴和盘片旋转，旋转过程中盘片与空气和污水交替接触。生物转盘技术的处理效果主要受以下几个因素影响：

图1 生物转盘示意图

2.1.1 盘片材料

作为生物膜生长的基体，盘片对污水的处理效果影响巨大。而盘片价格和重量对生物转盘处理系统的建设和运行成本也会造成重要的影响。

生物转盘盘片可以为片状、网格板状、马鞍或者环状[2]。目前常用的盘片材料有聚乙烯塑料、玻璃钢等。研究表明[3]，活性炭材料的盘片对污染物的去除效果明显优于石英砂材料和聚丙烯材料。Apilanezl对比研究了几种不同粗糙度的盘片，结果表明表面粗糙度高的盘片对生物膜生长有利[4]。开发易挂膜、质轻、便宜易得、有效面积大的盘片是生物转盘的研究重点。

2.1.2 转速

转盘转速是影响基质和氧在生物膜中传质效果及污染物去除效果的重要因素。一般而言，增加转速可以增加溶解氧供生物膜利用，促进生物膜对底物的降解[5]。但是，另一方面，增加转速会导致电力消耗增大，这对污水处理系统来说是不经济的；增大转速也会增加生物膜与污水间的剪切力，造成生物膜的不正常脱落，降低生物转盘的处理效果[6]。因此，寻找合理的转速对生物转盘至关重要。

2.1.3 浸没比

转盘浸没比指水下部分的盘片面积占盘片面积的比例。浸没比越低，转盘上生物膜与空气的接触面积越大，曝气效果越好；反之则越少。值得注意的是降低浸没比也会降低转盘单位面积有机负荷，削弱处理效果。因此，需要寻找合适的浸没比，使得生物转盘可在较大的浸没比、较小的能耗条件下获得较好的处理效果。普通的好氧生物转盘浸没百分比一般在50%以下，这是由于需要转盘曝气。

2.1.4 水力停留时间(HRT)

HRT是影响污水处理效果和工程建设投资的重要因素。HRT反应了底物和生物膜之间的接触时间，因此HRT的长短直接影响污水处理效果。一般而言，提高HRT会增大污水处理效果。但是过长的HRT会导致系统处理能力下降，增加系统工程投资。Lu C S[7]的研究表明HRT在16 h～32 h之间时，COD去除率可达到90%，而HRT大于32 h时COD去除效果则会明显下降。

2.1.5 有机负荷

有机负荷与进水流量和浓度有关。研究显示，对于生物转盘系统来说，底物去除率随有机负荷增加而增加，但是去除速率随有机负荷增加而减少[8]。底物去除效率下降可能溶解氧是其限制因素。研究表明[9]，单个生物转盘单元在表面有机负荷为32 g BOD5/m2时溶解氧成为降解的限制因素，过高的有机负荷会造成贝氏硫细菌大量生长，对生物膜造成破坏。

2.2 移动床生物膜反应器

1990年挪威的一家公司研发了一种生物膜反应器，而后经过众多研究人员和学者不断改进，最终形成了移动床生物膜反应器(MBBR)。MBBR反应器作为一种新技术，其优点有内部填料尺寸小比表面积大，可强化处理能力、污泥停留时间长，反应器中生物量巨大、反应器稳定性强、水头损失小、不需要反冲洗、剩余污泥量小等[10]。在MBBR反应器中填充悬浮填料，通过机械或者气流搅拌使填料在反应器中呈流化态，生物膜附着于填料上同填料一起进行流态化运动，利用污水中基质和空气降解污染物[11]。

悬浮填料是MBBR反应器污水处理效果的重要影响因素。目前填料可分为4种：(1)固定式填料；(2)悬挂式填料；(3)分散式填料；(4)新型填料如BioM填料、KP-珠填料等。

MBBR悬浮填料应具备以下特点：

(1)填料应质轻，密度接近于水的密度，经过曝气作用和水力作用即可流态化。

(2)填料利于挂膜启动，表面亲水性较好，具备较大的比表面积，较大的孔隙率。

(3)填料应有较强的稳定性，且无毒害作用。

(4)填料应有利于形成气相、液相高湍流程度，确保气液固三项之间的传质性能良好。

(5)填料价格应便宜易得，便于运输和安装。

3 生物脱氮原理

3.1 脱氮基本原理

污水处理中的脱氮即是指生物脱氮。通过微生物的生化作用，实现污水中有机氮和氨氮转化为氮气。

脱氮第一阶段为硝化作用。首先由硝化细菌将氨氮(NH4+-N)氧化成亚硝酸盐氮(NO2--N)，然后进一步氧化为硝酸盐氮(NO3--N)。

硝化菌属于化能自养菌，发生反应的能量通过氧化氨氮或亚硝酸盐氮获得，硝化菌作为好氧菌，以氧作为电子受体，利用的碳源多为溶解的CO2或CO32-，需要消耗碱度，因此硝化反应的发生需要控制低COD及偏碱性的反应环境[12]。

第二阶段为反硝化作用。反硝化作用是指反硝化细菌以硝化阶段产生的硝酸盐氮(NO3--N)或亚硝酸盐氮(NO2--N)作为电子受体，将其还原为N2或N2O的过程。

大部分反硝化细菌属于化能异养菌，需要在缺氧状态下，利用污水中的碳源进行反硝化作用。

3.2 新型脱氮理论

3.2.1 同步硝化反硝化理论(SND)

SND是指生物脱氮两个阶段在同样环境条件，同一反应器中同时进行[13]，SND可减少污水处理设备的基建投资或者减小污水处理设备的体积。

SND理论主要有以下几个：

3.2.1.1 宏观环境理论

宏观环境理论认为在采用点源曝气的好氧污水处理系统中，虽然整体上呈好氧状态，但是由于其曝气始终存在不均匀性和曝气死角，因此会出现一些局部环境缺氧的状态[14]。在规模较大的好氧反应器中，实际条件下理想的完全混合状态是不存在的，这种局部缺氧的环境就为SND提供了环境条件。

3.2.1.2 微环境理论[15]

微环境理论认为微生物个体在量级上属于微米级别，其个体微小因此影响微生物进行脱氮作用的因素十分广泛，且这些因素发生微小的改变就会对微生物造成影响。除微生物所处环境不同外，微生物自身的代谢也存在不同，基质分布和物质代谢都可能不一样，因此，宏观的活性污泥或生物膜中可能存在着多种微环境。不同的微环境条件则为不同代谢种类的微生物提供了相应的活动场所，这就为SND提供了条件。在生物膜污水处理系统中，整体为好氧状态时，由于生物膜在纵向上存在溶解氧浓度梯度，生物膜表面溶氧充足，而内部则为缺氧状态，生物膜这种好氧缺氧状态分层的现象就导致了SND的发生。

3.2.1.3 异养硝化和好氧反硝化菌的作用理论[16]

从生物学角度出发，生物处理系统中存在异养硝化菌和好氧反硝化菌。异养硝化菌与自养硝化菌，好氧反硝化菌与异养厌氧反硝化菌代谢和营养类型不同。异养硝化菌可在低DO条件下进行硝化反应；好氧反硝化菌则可在较高的DO条件下进行反硝化作用。近年生物学方面的研究显示许多异养硝化细菌可以在一定的条件下进行好氧反硝化作用。Patureau[17]等人发现在溶解氧4.5 mg/L为好氧反硝化菌株Microvirgula aerodenification的溶解氧阈值，DO低于4.5 mg/L时该菌株反硝化活性大大提升。

3.2.2 短程硝化反硝化理论[18]

短程硝化反硝化技术是将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，反硝化作用利用亚硝酸盐氮进行脱氮的过程。SHARON工艺为典型的短程硝化反硝化工艺。短程硝化反硝化理论相较于传统脱氮理论减少了硝化反应中亚硝酸盐氧化成硝酸盐和反硝化反应中硝酸盐还原成亚硝酸盐两个过程，其具有以下优点[19]：

(1)可节省约25%的供氧量。

(2)可节约40%的碳源。

(3)在碳氮比一定时可以提高TN的去除率。

(4)反硝化速率较大，约为硝酸盐反硝化反应速率的2倍。

(5)污泥减量化。

(6)缩短反应时间，使反应器容积大大减小。

3.2.3 厌氧氨氧化理论

在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌以氨氮为电子供体，以亚硝酸盐氮或硝酸盐氮为电子受体将氨氮和亚硝酸盐氮转化为氮气[20]。与传统的硝化/反硝化脱氮相比，厌氧氨氧化法不仅不必额外添加碳源，还可以节约大约50%的耗氧量，同时几乎能减少100%的二氧化碳排放量。因此，厌氧氨氧化法是一种非常具有前景的污水处理方法。

其反应式为[21]：

△G= -297kJ/mol NH4+

△G=-358kJ/mol NH4+

4 总结

生物膜法比起传统的活性污泥法在脱氮方面的确具有优势，而越来越多的种类丰富的盘片和填料的研发也进一步提高了处理效果，但跟理想的脱氮效果还有一段距离，如何保证生物膜的厚度，维持厌氧层的存在，使其不在运行过程中被削薄同时保证处理效果是生物膜法的一个难点。而结合新型脱氮理论则是一个很好的研究方向，减少中间步骤，降低能耗，同时还能达到脱氮目的。