不同因素对水体中氮的转化以及COD 去除的影响

刘海超 马金宝 石 雷 高会艳

（北京中水利德科技发展有限公司 北京 100070）

引言

近年来，随着城市化和工业化进程的加快，人们在日常生产、生活中向水体排放了大量有机污染物及氮磷污染物，水中营养物质不断增多，使得一些藻类生长旺盛、过量繁殖，藻类及一些浮游生物死亡后，被水体中的好氧微生物不断分解，大量消耗了水体中的溶解氧，致使鱼虾类水生生物因缺少氧气而不断出现死亡，死亡的水生物残体在腐烂过程中既污染水质，又将自身的氮、磷营养物质释放到水体中，供新一代的藻类生长所需，如此一来形成恶性循环，致使蓝藻爆发而引发“水华”现象。同时，由于水体缺氧，水中有机物质及水生物残体分解不彻底，容易形成“黑臭水体”，会对人们的生活造成极其不利的影响[1]。因此，研究水体中氮的转化及去除十分必要。

1 材料与方法

1.1 试验设计

该试验在某养殖场的废水中取样，试验在56cm×41cm×28cm 的塑料箱内进行，水箱体积约64L。试验共设1 个空白组和3 个处理组，依次为1#（空白组，CK）、2#（只加入微生物菌剂）、3#（加入微生物菌剂，另加曝气）、4#（加入菌剂，另加生物膜），其中菌剂加入量为1g/桶[2]。

1.2 试验材料

试验中生物膜为活性炭纤维生物草，由日本水利用工法研究会会长、日本群马工业学校小岛昭教授发明，其比表面积大于1000 m2/g；微生物菌剂为碧沃丰生物科技有限公司所生产的BZT 净水系列。

1.3 水样测定方法

该试验主要研究氮的转化、去除，所测水质指标有TN、NH3-N、NO3--N、COD、亚硝化细菌数量，各指标测定均采用国家标准方法[3]。TN用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，NH3-N 用纳氏试剂比色法，NO3--N 用紫外分光光度法，COD 用高锰酸钾法，微生物测定用多管发酵法。

2 结果与分析

2.1 氮的转化关系分析

以4#水样为例来说明净水过程中氮的转化关系,如图1 所示。

图1 氮的转化关系

净水过程中氮的转化关系如图2 所示。其中，0～20d 主要进行氨化作用。氨化作用是指有机氮转化成氨氮，总氮包括氨氮、硝态氮、有机氮等形态，总氮减去铵态氮和硝态氮可近似认为等于有机氮，可以看出该过程中有机氮逐渐降低，氨氮逐渐增加，说明有机氮转化为氨氮。同时，该过程也有一定反硝化作用。反硝化作用主要是水体中原来含有的硝态氮被反硝化转化成N2，可以看出该过程中硝态氮呈降低趋势，总氮亦呈降低趋势。20～44d 主要进行硝化作用，硝化作用过程是指氨氮转化成硝态氮，可以看出，此过程中氨氮逐渐降低，硝态氮逐渐增加，总氮变化不显著。50～56d 主要进行反硝化过程。反硝化过程是指硝态氮转化成N2释放到大气中，可以看出该过程中硝态氮降幅较大，总氮降幅较大，且两者降低幅度大体一致。

图2 净水过程中氮的转化关系示意图

2.2 曝气对氮的转化关系的影响

净水过程中曝气对氮转化的影响如图3 所示。从图中可以看出，0d 时，1#CK 和3#曝气的氨氮起始浓度差别不大，但到4d、9d 时，1#氨氮分别增加了5.22mg/L、10.76mg/L，增幅分别为40.5%、83.48%，3#氨氮分别增加了9.8mg/L、19.44mg/L，增幅分别为68.48%、135.85%，据此得出结论，曝气对氨化作用有较强促进作用。3#在28d 时已进行明显硝化作用，而1#到44d 才开始进行明显硝化作用，且硝化作用进行的程度不如3#，可得出曝气对硝化作用也有明显促进作用的结论。而在条件适宜情况下，1#反硝化作用较为彻底、速度较快在50～56d 时只需5d 作用即可完成，3#则要在50～67d 时并且需要17d 的作用才可彻底完成，说明曝气对反硝化作用有较明显抑制作用。

图3 净水过程中曝气对氮转化的影响

氨化过程和硝化过程都需要消耗氧，试验之初，水样中同时存在有机氮和氨氮，但有机物优先得到氧进行氨化作用。这是由于自养型硝化细菌、亚硝化细菌对氧和营养物质的竞争能力不如异养型氨化细菌，难以形成优势菌群[4]。因此，该试验中一直到有机氮所剩不多，即氨化作用进行较完全时，才可以进行硝化作用。

2.3 生物膜对氮的转化关系的影响

净水过程中生物膜对氮转化的影响如图4 所示。从图中可以看出，生物膜对氨化作用并无显著作用，铵态氮浓度与空白组一直相差不大。不过，生物膜对硝化作用有较明显的促进作用，20d 时，4#与1#硝态氮均被反硝化消耗掉，浓度分别为0.72mg/L、0.65mg/L，但4#在28d 时就开始进行硝化作用，而1#在44d 时硝态氮浓度才开始显著增加，且硝态氮增加量不如4#多；32d 时，4#与1#硝态氮浓度分别为2.17mg/L、0.29mg/L；44d 时，4#与1#硝态氮浓度分别为16.68mg/L、10.8mg/L，因此生物膜对硝化作用有较明显促进作用。对于反硝化作用，生物膜比表面积大，微生物容易附着在其上生长，且可以形成局部厌氧区，理论上应该对反硝化有促进作用，但在该试验中并未体现出来。原因可能是50～56d 时，两者均进行反硝化，但可以看出，反硝化进行的程度取决于硝态氮浓度，条件适宜时，几乎所有硝态氮都被反硝化，硝态氮含量成为限制因子，因此生物膜对反硝化的作用在该试验中并未体现出来，需做进一步研究。

图4 净水过程中生物膜对氮转化的影响

2.4 微生物菌剂对氮的转化关系的影响

在该试验中，2#与1#各指标均很接近，无显著性差异，说明只加微生物菌剂对净水无显著作用。该结果的原因可能是投入水中的菌株不能成为优势菌群，会很快在水环境中消失。

2.5 不同因素对COD 去除的影响

不同因素对COD 去除的影响关系如图5 所示。从图中可以看出，3#即曝气对COD 去除的影响较大。试验第2d、4d、7d，3#的COD 去除 率 分 别 为61.8%、84.6%、88.5%， 而1# 在第2d、4d、7d 时，COD 去 除 率 分 别 为50%、59.3%、72.5%，直到20d，3#的COD 值明显低于1#。因此，可以看出3#与1#之间存在显著性差异，曝气有利于COD 的去除；2#、4#与1#之间并无显著性差异，对COD 去除无明显作用。

另外，3#在20～32d，1#、2#、4#在36～50d，COD 均有明显增加现象，这种现象是由于该试验方法原理的局限性所致。COD 即高锰酸钾指数，常用于地表水的测定，但由于高锰酸钾氧化性限制，有时并不能完全氧化水中的一些复杂有机物，导致测量值较实际值偏低。3#在20～32d 时所测的COD 逐渐增加，可能是由于这段时间内水中复杂有机物被微生物氧化分解为简单有机物，这些简单有机物是可以被高锰酸钾氧化的，从而导致所测COD 增加。而且，结合硝态氮数据发现，20～32d 这段时间内，3#进行了明显的硝化作用，硝态氮显著增加，这也可以作为一个佐证。同样，1#、2#、4#在36～50d 进行了明显的硝化作用，微生物活动旺盛，也导致了COD 增加。因此，这两个时间段虽然COD 增加，但却可以认为水质得到了进一步的净化[5]。

2.6 MPN 法预测水质变化

为探索多管发酵法在水环境质量中的检测、预测作用，于试验第20d、38d 取样，测定水中亚硝化细菌含量，结果如表1 所示。结合硝态氮数据可以发现，20d 时，4 个水样硝态氮含量均较低，且无显著性差异，但所测亚硝化细菌数量差别显著，3#明显高于1#（空白），4#略高于1#，2#等于1#；28d 时，测得1#、2#、3#、4#的硝态氮含量，分别为0.37mg/L、0.49mg/L、20.88mg/L、1.88mg/L，硝态氮含量的增加与之前所测MPN 值完全一致，具有较高正相关性；36d时，测得1#、2#、3#、4#的硝态氮含量，分别为0.38mg/L、0.4mg/L、22.12mg/L、4.73mg/L，3#硝态氮最高，但38d 时所测结果显示，3#的MPN 值并不是最高，4#的最高；44d 时，4#的硝态氮含量分别为10.8mg/L、9.26mg/L、17.4mg/L、16.68mg/L，说明这段时间3#在进行反硝化，1#、2#、4#在进行硝化过程，4#程度最大，其MPN 值也最高，显著高于1#，这段时间内硝化过程的进行与所测MPN 值也具有较高正相关性。因此，理论上讲MPN 法可以预测水质中氮的转化，具有较高相关性，但由于MPN 实验本身所需时间较长，故而在实际操作中应用不广泛。

表1 不同时间各水样的MPN 值（亚硝化细菌计，单位：MPN/mL）

结论

对比分析试验数据可知，该试验过程中，曝气对氨化和硝化有明显的促进作用，对反硝化有明显的抑制作用。有研究指出[6][7]，好氧条件下也可以进行反硝化作用，本试验过程中未体现出好氧反硝化。

该试验中，生物膜对氮的转化影响不显著，试验组与空白组差别不大，原因可能是微生物并没有在生物膜上大量繁殖。

该试验中，微生物菌剂对氮的转化影响不显著，可能是所投加的微生物菌剂由于环境不适应或其它原因，没有成长为优势菌种。微生物菌剂对氮的转化关系的影响需要进一步研究。

该试验过程中发现，曝气对COD 的去除影响较大，具有明显的促进作用。微生物菌剂和生物膜在单一条件下，对COD 的去除影响不显著。