后置生物接触氧化对氨氮去除的中试研究

郭淑芬

(东莞市水务工程建设运营中心, 广东 东莞 523000)

随着城镇化进程的发展，人们越来越重视水污染问题。政府对地表受纳水体水质标准的提升也使污水处理厂面临着提标改造问题。生物接触氧化法是生物膜工艺中应用最为广泛的技术之一，微生物主要以生物膜的形态附着于填料上，还有一部分以生物絮体的形式存在于污水中，其主要利用填料上的生物膜来进行有机物、氨氮等污染物的降解[1]，生物接触氧化工艺较常见于污水处理工艺段的前中端[2-4]，而在出水后端进行生物接触氧化系统的提标改造案例较为少见[5]。笔者通过在某净水厂二沉池后进行生物接触氧化中试，考察弹性立体填料生物接触氧化工艺对沉淀后水中氨氮的去除效果，探讨后置生物接触氧化的可行性，为净水厂提标改造时的工艺选型提供技术支持。

1 试验部分

1.1 试验条件

试验采用由有机玻璃制成的圆柱状生物接触氧化反应装置，尺寸(H×D)为2.3 m×0.6 m，反应区有效水深为2.1 m，有效容积约为600 L。试验装置内均匀布置弹性立体填料，填充后填料总比表面积为67 m2/m3，鼓风机通过曝气头在装置底部曝气，沉淀后水由水泵提升至装置内。试验进水采用某污水厂二沉池出水作为试验进水，试验期间生物接触氧化装置进水水质见表1，BOD5/COD为0.13～0.40，进水可生化降解性一般。

表1 进水水质Tab.1 Quality of inlet water

1.2 试验方法

2021年4月15日启动后置生物接触氧化对氨氮去除的中试，试验周期为4个月。试验共分为两个阶段，第一阶段考察分析后置生物接触氧化装置中弹性立体填料的挂膜启动过程，控制气水比约为1.8 ∶1；第二阶段稳定运行过程中，控制气水比约为0.8 ∶1，考察后置生物接触氧化对氨氮、亚硝酸盐氮、悬浮物(SS)的去除效果，以及弹性填料冲洗后的重新挂膜运行情况，同时考察气水比、停留时间等运行参数对去除效果的影响。

根据《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ/T 535—2009),采用纳氏试剂分光光度法检测氨氮；根据《生活饮用水卫生标准检验方法》(GB/T 5750—2006)，采用重氮偶合分光光度法检测亚硝酸盐氮；根据《水质 悬浮物的测定 重量法》(GB/T 11901—1989)，采用重量法检测SS。

2 结果与讨论

2.1 挂膜启动

后置生物接触氧化弹性填料挂膜启动过程，氨氮去除率的变化如图1所示。本试验采用动态培养自然挂膜法[6]，在挂膜过程中，进水氨氮浓度稳定，基本保持在4.0 mg/L左右，出水溶解氧保持在8.0 mg/L以上，去除率稳步上升，于4月24日开始达到80%以上，出水水质稳定，可认为填料挂膜完成，该过程一共10 d。

一般情况下，自然挂膜法需要的时间更长，但本项目挂膜时间较短，这可能与反应器进行避光处理有关。硝化细菌在避光环境下更易存活[7]，从而大大缩短了填料挂膜时间，以致于在相近条件下，挂膜所需时间比接种污泥法[8]更短。

图1 挂膜过程进水氨氮浓度与去除率Fig.1 Concentration and removal rate of ammonia nitrogen in biofilm formation

2.2 后置生物接触氧化对氨氮的去除效果

后置生物接触氧化装置对氨氮的去除效果见图2。稳定运行初期，装置对氨氮的去除效果出现轻微下降，这可能有曝气量降低有关。但随着运行时间的增加，氨氮的去除效果平稳提升，在填料冲洗前，当运行工况稳定和进水水质处于负荷浓度以下时，弹性填料对氨氮的去除效果基本能保持在80%以上，截至7月20日，弹性填料对氨氮的平均去除率为72.3%。

图2 后置生物接触氧化对氨氮的去除效果Fig.2 Removal effect of post biological contact oxidation on ammonia nitrogen

同时，在装置运行的过程中，污泥开始出现沉积。运行初期，污泥浓度的升高有利于增加装置内生物量从而提升氨氮去除能力；但到了运行后期，污泥浓度超出负荷值时，氨氮去除效果出现较大波动，装置内形成堵塞，对后期的运行效果造成较大影响。6月19日清洗填料，2 d后填料恢复正常去除能力。

2.2.1进水负荷对氨氮去除的影响

进水氨氮浓度对后置生物接触氧化的氨氮去除效果的影响见图3。氨氮去除量与进水氨氮浓度变化呈正相关。在高浓度进水氨氮冲击下，氨氮的去除量也同步提升，这可能与生物膜的氨氮处理负荷有关。由于二沉池出水氨氮浓度在1.15～5.23 mg/L之间，平均值为3.22 mg/L，其浓度水平决定了生物膜上微生物量，而该微生物量的处理能力基本满足二沉池出水氨氮含量的波动，这展现了后置生物接触氧化工艺的优点。相比于污水处理厂进水，二沉池出水氨氮含量的波动性较弱，而生物法的局限性恰好使其难以应对进水氨氮含量的波动，后置生物接触氧化缓解了这一弊端，从而保证工艺的氨氮处理效果良好稳定。

图3 进水氨氮浓度对氨氮去除效果的影响Fig.3 Infuence of influent concentration on removal effect of ammonia nitrogen

2.2.2水力停留时间对氨氮去除的影响

进水流量影响水中氨氮在填料的水力停留时间，其对氨氮去除效果的影响见图4。

图4 进水流量对氨氮去除效果的影响Fig.4 Influence of inflent flow on removal effect of ammonia nitrogen

试验中，进水流量控制在0.15～0.4 m3/h，对应的水力停留时间约为30～80 min。期间，当停留时间为80 min左右时，装置对氨氮的去除率基本保持在高水平。生物膜对氨氮的去除主要靠硝化细菌对氨氮的利用转化，合适的水力停留时间能有效保证硝化菌对氨氮的转化效果。因此，工艺设计时，应确保工艺有足够的水力停留时间，以保证生物接触氧化对氨氮的去除效果。

2.2.3悬浮物对氨氮去除的影响

不同进出水SS含量下，氨氮去除效果见图5。运行初期，出水SS有轻微下降，可能悬浮物被填料一部分截留，同时上向流容易产生污泥沉积，沉积的悬浮物会逐步随着出水被带出，导致出水SS含量增大。同时，装置内沉积的悬浮物会导致污泥含量升高，当污泥浓度增加到一定程度时，会使微生物的内源呼吸加剧，产生大量的溶解性微生物代谢产物 (SMP)，SMP的积累会抑制微生物的活性[9]，导致氨氮去除效果下降。6月22日、7月14日、8月8日均出现其他工况稳定的前提下，出水SS异常增加，氨氮去除率突然下降。为有效保证出水水质稳定，应采取相关措施控制后置生物接触氧化系统中的污泥沉积情况。

图5 SS对氨氮去除效果的影响Fig.5 Influence of SS on removal effect of ammonia nitrogen

2.2.4气水比对氨氮去除的影响

稳定运行期间，控制气水比为0.8，从图2可知，对比挂膜启动期间，生物接触氧化装置对氨氮的去除率略有下降，这表明气水比对生物接触氧化去除氨氮的稳定性有较大影响。同时，曝气能有效减缓污泥沉积状况，延长装置的运行周期。因此，气水比不宜设定过低，应选取合适的气水比以适应水质的变化[10]。

稳定运行期间，出水亚硝酸盐氮的增加量随氨氮去除量变化趋势而规律性变化，见图6。这从本质上反映了生物接触氧化过程中生物硝化的进程，可能与稳定运行期间气水比不足有关，亚硝化菌对溶解氧的亲和力比氨氧化菌低，低溶解氧会抑制亚硝化菌的生长[11]。梅翔等[12]通过研究发现，当水力停留时间为50 min，气水比小于1时，易形成亚硝酸盐积累，与本次试验现象相符。因此，提高气水比能有效缓解出水中亚硝酸盐的积累。

图6 出水亚硝酸盐氮与氨氮去除量的变化Fig.6 Change of effluent nitrite nitrogen and removal of ammonia nitrogen

3 结论与建议

后置生物接触氧化的挂膜启动方式简单迅速，可采用动态培养自然挂膜法，挂膜时间为10 d。稳定运行期间，后置生物接触氧化能有效应对二沉池出水氨氮的波动性，水力停留时间为80 min时，处理效果良好稳定。在后置生物接触氧化工艺设计时，宜关注以下运行参数：

① 应根据后置生物接触氧化的氨氮去除效果和运行效益，综合考虑设计恰当的水力停留时间以满足运行效果。

② 气水比偏低易导致后置生物接触氧化系统产生污泥沉积和亚硝酸盐氮积累，设计时应选用合适的气水比以满足运行需要。

③ 后置生物接触氧化系统设计时，应考虑填料清洗方案和排泥方案。