折流式内循环新型生物膜反应器的脱氮动力学

张红专， 张永明， 邱昕玥， 邓新宇

折流式内循环新型生物膜反应器的脱氮动力学

张红专1， 张永明2， 邱昕玥1， 邓新宇1

（1.上海师范大学 建筑工程学院，上海 201418； 2.上海师范大学 环境与地理科学学院，上海 200234）

为了探求城市地表水新型的处理工艺及效果，以一种新型的陶瓷载体水泵驱动折流式内循环生物膜反应器处理由自来水、葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾按一定比例配制成的溶液，以模拟城市地表水.在碳氮比（C/N）分别为10，20，30和40情况下，对其进行脱氮试验，并进行动力学分析.研究发现：该反应器可实现同步硝化和反硝化；氨氮（NH4+-N）和总氮（TN）的去除过程都可以用Monod模型进行描述；当C/N为10～40范围，水温为28 ℃左右时，随着C/N比的增加，反应器对NH4+-N和TN的去除速率都得到提高；在相同C/N条件下，NH4+-N的去除速率远高于TN的去除速率.

脱氮； 生物膜反应器； 动力学； 陶瓷载体； 水处理

0 引 言

最近几年水污染事故频发，河流、湖泊水体富营养化现象严重.多数学者认为造成水体富营养化是由于氮（N）、磷（P）元素的超标.控制水体“富营养化”最直接有效的办法就是加强污水的处理深度，进行脱氮除磷［1-3］.传统的生物脱氮工艺中，硝化和反硝化是在两个或多个独立的具有不同溶解氧（DO）浓度的反应器中进行的，如厌氧好氧（A/O）工艺；或是在时间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行，如序批式活性污泥法（SBR）.传统多级分级脱氮工艺不仅工艺流程长，占地面积大，还需要进行污泥回流或硝化液循环；SBR工艺也有设备利用率低，为实现污水处理的连续性不得不采用多个单体设备交替进水、周期运行等缺点［4-9］.

为了解决传统生物脱氮技术的高能耗、高运行费用等问题，国内外学者致力于低能耗、高效的生物脱氮技术研究.随着微生物学研究的迅速发展，新型的脱氮微生物群被发现，新的脱氮反应机理被提出，由此带来了生物脱氮理念的革新，产生了一批新型的生物脱氮技术［10-13］.一般新型生物脱氮的方法有以下3种：1） 硝化反硝化；2） 短程硝化；3） 厌氧氨氧化.其中，1）和2）都是异养菌，需要外加碳源以提供微生物生长的必须能源和物质［14-16］.

如果硝化和反硝化能在一个反应器内连续发生，不仅可以减小反应器容积，节省占地面积，反硝化反应增加的碱度也可补充硝化反应减少的部分碱度，调节pH值，使脱氮过程顺利进行.

本课题以一种新型的陶瓷载体水泵驱动折流式内循环生物膜反应器处理模拟的城市地表水，在碳氮比（C/N）为10，20，30和40情况下，对其进行脱氮动力学研究分析.

1 材料与方法

1.1　试验装置与工艺流程

试验采用一种新型的陶瓷载体水泵驱动折流式内循环生物膜反应器，具体试验装置与工艺流程如图1所示.

图1　折流式内循环生物反应器示意图

其中，反应器壳体采用透明有机玻璃制成，外形尺寸长宽高分别为416 mm×111 mm×160 mm，壁厚8 mm，有效容积为3 600 mL.采用一块隔离板将反应器分隔为上下两部分，它们的体积分别为3 000 mL和600 mL.反应器下部交错排列14块导流板，形成折流式的通道.每块导流板尺寸为：长100 mm，宽100 mm，厚4 mm，左表面为无花纹的毛糙表面，右表面为小块状花纹，导流板材料为轻质黏土、蛭石和硅藻土等陶瓷原料，按一定配方比例配制成的一种轻质多孔陶瓷，作为生物膜的载体，易于微生物的附着、生长、繁殖.隔离板为透明无机玻璃，长295 mm，宽94 mm，厚6 mm，隔离板下侧面加有11条横向条状槽，与导流板对应，槽宽6 mm，出水口比隔离板高10 mm.在反应器下部的一侧内置一个潜水泵（型号BL-1588），该潜水泵驱动水溶液在反应器上、下部之间循环流动.当水流经反应器上部时，由于水流的湍动而导致溶解氧量增加.当溶液进入下部时，溶液流经生物膜进行生物反应，其中的溶解氧将会逐渐消耗.因此，在反应器下部的生物反应区内从右至左由好氧区向缺氧区过渡.由此，可以在同一个反应器内形成好氧区和缺氧区.该反应器结构有利于实现同步硝化和反硝化.

1.2　生物膜的培养和驯化

活性污泥取自上海市龙华污水处理厂的二沉池，将取得的活性污泥加入到反应器中，浸没作为生物膜载体的多孔陶瓷板约5 h，然后将多余的污泥倒出，初期的生物膜便通过吸附而形成.随后进行生物膜的进一步培养.培养过程中于反应器中加入配制的模拟污水，在一周的驯化过程中，每天用新配制的溶液进行更换.当溶液中氨氮（NH4+-N）和总氮（TN）的去除率稳定之后，则认为已形成了稳定的生物膜.

1.3　运行条件与检测方法

反应器按间歇式运行，采用实验室配水模拟地表水作为原水.配水所用试剂成分：自来水、葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾.葡萄糖作为碳源，模拟化学需氧量（COD）；氯化铵作为N素，模拟NH4+-N，TN；磷酸二氢钾模拟总磷（TP）.质量比（COD）∶（N）∶（P）分别为100∶10∶1，100∶5∶1，100∶3.33∶1，100∶2.5∶1.水温平均（）为28.1 ℃.

NH4+-N和TN的质量浓度均使用荷兰SAN++公司生产的流动分析仪（型号：SKALAR2000）进行检测.

在反应器成功挂膜并稳定运行后，研究4种C/N（10，20，30和40）情况下的反应动力学.每一种C/N情况下，根据底物初始质量浓度（5～25 mg·L-1）的不同，设计5～8组实验室配水，加入反应器后，分别于0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 h在反应器出水口取水样，水样用滤纸过滤后使用流动分析仪检测TN质量浓度和NH4+-N质量浓度，研究其降解速率与质量浓度的关系，建立NH4+-N和TN的降解动力学，比较它们的降解速率常数，由此判断C/N对它们的影响.

2 试验结果与讨论

2.1　C/N对NH4+-N去除速率的影响

图2　不同C/N比条件下NH4+-N去除速率与其初始质量浓度的关系（符号e表示试验值，符号c表示计算值，下同）

表1　基于不同C/N条件下的Monod动力学拟合参数

从表1中可以看出，随着C/N的增加，max逐渐增大，而饱和常数S则逐渐减少.这一试验结果表明：增加C/N比有利于NH4+-N的去除.当C/N从10逐步增加到20，30和40时，max分别增加了17.6%，52.9%和64.7%.而饱和常数则分别下降了5.8%，28.6%和52.4%.

2.2　C/N对TN去除速率的影响

为减少水体富营养化的影响，TN的去除往往更加重要.本研究在上述研究的基础上，还应用折流式内循环生物膜反应器针对TN的去除进行研究.这里仍然针对C/N对TN去除速率的影响进行研究.图3为不同初始TN质量浓度对TN初始去除速率的影响.从图3中可以看出，TN的初始去除速率与NH4+-N类似，随着初始质量浓度的增加，TN的初始去除速率逐渐增加，这表明在试验浓度范围内TN的去除速率没有受到抑制，同样可以用Monod模型进行描述.

图3　不同C/N比条件下TN的初始浓度与其初始去除速率的关系

有关参数与经过双倒数法计算得到的有关动力学参数列于表2.从表2中同样可以看出，随着C/N的增加，TN的max逐渐增大.这一结果表明：增加C/N有利于TN的去除.结合图2和图3可以看出，利用折流式内循环生物膜反应器进行水处理时，可以实现同步硝化和反硝化.

表2　基于不同C/N条件下的TN去除的Monod动力学拟合参数

随着C/N从10逐步增加到20，30和40，TN的max分别增加了46.2%，84.6%和100%.此时的饱和常数S没有变化.比较表1和表2可以发现，在相同C/N的条件下，NH4+-N所对应的max比TN所对应的max平均要高出13.0%.这一结果表明：在同一反应器体系中，NH4+-N的去除仅仅是经历硝化过程，而TN的去除，则要先后经历硝化和反硝化过程.因此，在同样的C/N条件下，TN的去除速率要相对慢一些.

2.3　NH4+-N的去除过程

2.4　TN的去除过程

为了验证折流式内循环生物膜反应器的同步硝化和反硝化功能，同时测试了TN的去除规律.图5所示是分别在C/N为10和20条件下TN的去除情况.同NH4+-N的去除情况类似，该TN去除曲线依然可以用分数级动力学进行描述.经过试差法计算，其同样为0.8级反应动力学，相关的反应动力学常数和Pearson相关系数（2）列于表4.根据表4中所列数据可以看出，当C/N从10增加至20时，值增加了33%.这是因为随着C/N的增加可以为该反应器体系创造更好的缺氧环境，同时可以提供更多的电子，以加速反硝化的进行.

图5　C/N对TN去除率的影响

表3　对应于0.8级的NH4+-N去除的动力学参数

表4　对应于0.8级的TN去除率的动力学参数

比较表3和表4可以发现，NH4+-N的去除速率平均比TN的去除速率高出43%.同样地，这是因为TN的去除需要经历硝化和反硝化两步过程，而NH4+-N的去除，只需要经历硝化反应一步过程，所以NH4+-N的去除速率要高.

3 结 论

1） 当采用氯化铵为氮源模拟城市地表水进行生物除氮时，内循环折流式陶瓷载体生物膜反应器可以顺利地实现同步硝化反硝化.

2） NH4+-N和TN的去除过程都可以用Monod模型进行描述.

3） 在NH4+-N和TN全程去除过程中，它们的去除速率可以用分数级动力学进行描述.

4） 当C/N为10～40，水温为28 ℃左右时，随着C/N的增加，反应器对NH4+-N和TN的去除速率都得到提高；在相同C/N条件下，NH4+-N的去除速率远高于TN的去除速率.

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Kinetics of nitrogen removal by internal circulating baffled novel biofilm reactor

ZHANGHongzhuan1， ZHANGYongming2， QIUXinyue1， DENGXinyu1

（1.School of Civil Engineering， Shanghai Normal University， Shanghai 201418， China； 2.School of Environmental and Geographical Sciences， Shanghai Normal University， Shanghai 200234， China）

In order to explore a new treatment process and its effect for city surface water，a novel ceramic carrier pump drive internal circulating baffled biofilm reactor was employed for bioremediation of simulated urban surface water，which was prepared with glucose，ammonium chloride，potassium dihydrogen phosphate dissolved in tap water in certain proportion. The denitrifying kinetics experiment was carried out with ratios of carbon nitrogen（C/N） of 10，20，30 and 40. The results show that simultaneous nitrification and denitrification can be realized by the reactor under the conditions of C/N being 10-40，the water temperature being 28 ℃. The removal process of ammonia nitrogen（NH4+-N） and total nitrogen （TN） can be described by using Monod model. The removal rates of NH4+-N and TN are improved with the increasing of C/N. The removal rate of NH4+-N is much higher than that of TN at the same C/N.

nitrogen removal； biofilm reactor； kinetics； ceramic carrier； water treatment

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2022.04.015

2021-10-29

国家高技术研究发展计划（2013AA062705-1）； 上海师范大学一般科研项目（SK201342）； 上海师范大学大学生创新活动计划（20210409）； 上海市教委重点课程项目（2019100814）

张红专（1970—）， 女， 博士， 讲师， 主要从事高级氧化及地表水与有机废水处理方面的研究. E-mail：lisazhang08@sina.com

张红专， 张永明， 邱昕玥， 等. 折流式内循环新型生物膜反应器的脱氮动力学 ［J］. 上海师范大学学报（自然科学版）， 2022，51（4）：499‒505.

ZHANG H Z， ZHANG Y M， QIU X Y， et al. Kinetics of nitrogen removal by internal circulating baffled novel biofilm reactor ［J］. Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences）， 2022，51（4）：499‒505.

X 522

A

1000-5137（2022）04-0499-07

（责任编辑：郁慧）