1、序批式生物膜法同步除磷脫氮特性研究李軍1,趙琦2,王寶貞3,聶梅生3(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京100022;2.首都師范大學(xué)生物系,北京100037;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱150008摘要:對(duì)淹沒(méi)序批式生物膜法去除有機(jī)物和磷及同步部分脫氮的特性進(jìn)行了研究。其適合的載體裝填密度為30%,水力停留時(shí)間為9h,其中厭氧3h、好氧6h。進(jìn)水C OD負(fù)荷從0.27kg/(m3.d到1.32kg/(m3.d均可使除磷率達(dá)90%以上、脫氮率達(dá)50%60%。淹沒(méi)式生物膜法除磷脫氮工藝中的優(yōu)勢(shì)菌屬為假單胞菌屬,其次依順序?yàn)闅鈫伟鷮佟⒀挎邨U菌屬、微球菌屬、硝化桿菌屬。生物膜具有生

2、物量大(M LVSS達(dá)5531.7mg/L、脫落污泥含磷量高(達(dá)5.67%、沉降性好(S VI為101.7的特點(diǎn),污泥產(chǎn)率為0.1996kg干泥/kgC OD。關(guān)鍵詞:序批式;淹沒(méi)式生物膜法;生物除磷脫氮中圖分類號(hào):X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002-1264(200201-0001-03Characteristics Study on the Simultaneous Phosphorus and P artial NitrogenR emoval in Sequencing B atch R eactor of Submerged Biofilm ProcessLI Jun1,ZH

3、AO Qi2,W ANG Bao2zhen3,NIE Mei2sheng3(1.C ollege of Civil Engineering&Architecture,Beijing P olytechnic University,Beijing,100022,China;2.Biological Department,Capital Normal University,Beijing,100037,China;3.C ollege of Municipal&Environmental Engineering,Harbin University of T echnology,Harbin,150

4、008,ChinaAbstract:The Submerged Biofilm S BR system has been developed in the study for rem oving organic and phosphorussimultaneously with partial nitrogen rem oval by such operating procedure:The suitable applied carriers package per2 centage was30%,and the hydraulic retention time was9hours which

5、 included3hours in anaerobic reaction sec2 tion and6hours in aerobic reaction section.When the in fluent C OD loading rate increased from0.27kg/(m3.dto 1.32kg/(m3.d,the phosphorus rem oval efficiency reached over90%,and the nitrogen rem oval50-60%.it is certain that the dominant phosphorus rem oval

6、bacterial species is P seudomonas and then Aeromonas,Bacillus,Mi2 crococcus,Nitrobacter in the submerged biofilm process.The sludge had high phosphorus content of5.67%,high biomass with M LVSS of5531.7mg/L and g ood settling characteristics with S VI of101.7and 0.1996kgDS/kgC OD of sludge production

7、K ey w ords:sequencing batch reactor;submerged biofilm process;biological phosphorus and nitrogen rem oval生物膜法具有較好的脫氮作用1-3。然而,利用膜法除磷和同步除磷脫氮的研究目前還很少,有關(guān)利用連續(xù)流生物膜法脫氮的工藝研究表明該法只在脫氮方面作用較顯著,但廢水中磷的去除率極低2,3。筆者對(duì)序批式生物膜法進(jìn)行了研究4,采用A/O交替運(yùn)行方式,與A/O活性污泥法和連續(xù)流淹沒(méi)式生物膜法相比,序批式生物膜法具有許多優(yōu)勢(shì)。1試驗(yàn)方法1.1試驗(yàn)裝置試驗(yàn)所用反應(yīng)器用有機(jī)玻璃制成,內(nèi)徑15cm,反應(yīng)器

8、內(nèi)有效容積18L,其中沉淀池2L。試驗(yàn)進(jìn)水的TP平均為10.0mg/L、C OD為370.0 mg/L,溫度為25,好氧狀態(tài)的DO平均為5.5mg/L。裝填密度應(yīng)是纖維在載體上生物膜成熟后,膜與載體所占容積與整個(gè)反應(yīng)器容積之比。本實(shí)驗(yàn)分別做了最大裝填密度37.5%、實(shí)用裝填密度30%以及較低裝填密度22.5%的對(duì)比實(shí)驗(yàn)后,確定較適宜的裝填密度為30%。此時(shí),反應(yīng)器中的纖維載體的比表面積為2.66m2/L。生物膜培養(yǎng)采用A/O交替運(yùn)行方式歷時(shí)3個(gè)月,菌種取自一般活性污泥工藝。在之后的工1第15卷1期2002年2月城市環(huán)境與城市生態(tài)URBAN E NVIRONME NT&URBAN ECO LOG

9、YV ol15,N o.1Feb.2002基金項(xiàng)目:北京市科技新星項(xiàng)目(9558100800;北京市留學(xué)基金項(xiàng)目收稿日期:2001-08-08藝參數(shù)和影響因素的試驗(yàn)中,以試驗(yàn)條件改變后運(yùn)行2周后的水樣為試樣。1.2原生污水和主要分析方法原生污水用自來(lái)水加蛋白胨配制,配制時(shí)還投加少量氯化銨、硫酸鎂、磷酸二氫鉀、氯化鈣、氯化鈉等。配制后水質(zhì)pH 為7.3;C OD 為250400mg/L ;T N 為3060mg/L ;NH 4+-N 為1020mg/L ;NO 3-N 為0.2mg/L ;NO 2-N 為0.1mg/L ;TP 為810mg/L ;SP 為79mg/L ;堿度為380440mg/

10、L ;BOD 5為180300mg/L 。2試驗(yàn)研究2.1工藝參數(shù)的確定為確定合適的厭氧所需時(shí)間,筆者將厭氧時(shí)間延長(zhǎng)到12h ,并測(cè)定了TP 、T N 的變化過(guò)程線,如圖1所示 。圖1厭氧12h 時(shí)T N 、TP 變化曲線由圖1可知,P 釋放主要集中在前3h 內(nèi),之后的9h ,P 釋放現(xiàn)象雖有,但幅度很小。聚磷菌只有充分釋放磷后,才能很好地過(guò)量攝取磷,從而達(dá)到生物除磷的目的,因此必須保證能充分放磷的時(shí)間。在厭氧開(kāi)始后的3h ,T N 去除率達(dá)24.0%;運(yùn)行12h 后T N 去除率達(dá)28.1%?？紤]到厭氧時(shí)間過(guò)長(zhǎng),將導(dǎo)致整個(gè)反應(yīng)器的停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),不經(jīng)濟(jì)。綜上所述,依據(jù)試驗(yàn)曲線,確定厭氧段所需時(shí)

11、間為3h 。為確定合適的好氧時(shí)間段,筆者將厭氧3h 后好氧段的時(shí)間延長(zhǎng)至17h ,并測(cè)定了相應(yīng)TP 和C OD 各及形態(tài)氮濃度的變化曲線,見(jiàn)圖2、圖3。由圖2可見(jiàn),好氧2h ,C OD 可達(dá)到40mg/L 以下,隨后C OD 的減小量非常小,可見(jiàn)它并不是一個(gè)限制因素。好氧聚磷在好氧開(kāi)始后2h 內(nèi)也已基本完成。由圖3知,在好氧開(kāi)始后的6h 后NH 4+-N 已低于1mg/L ,硝化基本完成,同時(shí)也可看到此時(shí)脫氮率達(dá)56.6%。為保證硝化,筆者將好氧時(shí)間定為6h 。圖2厭氧3h 后好氧17h 時(shí)TP 、COD 變化化曲線圖3厭氧3h 后好氧17h 時(shí)各形態(tài)氮變化曲線圖3可知,厭氧放磷均速為1.37

12、mg/(L h 。好氧吸磷速度取決于厭氧放磷速度,除磷菌吸收有機(jī)物(C OD 用以合成PH B ,同時(shí)分解聚磷酸鹽并釋放磷,厭氧段放磷速度大,磷釋放量大,合成的PH B 就多,那么在好氧段時(shí)由于分解PH B 而合成的聚磷酸鹽速度就大,表現(xiàn)出來(lái)的好氧吸磷速度就大。同時(shí),以上試驗(yàn)也說(shuō)明了磷釋放所能達(dá)到的最大值與有機(jī)物的最大吸收量有關(guān),磷釋放量隨有機(jī)物吸收量增加而增加。由以上分析可推知,生物除磷速度與厭氧階段易為除磷菌所吸收的有機(jī)物(C OD 濃度有關(guān)。2.2缺氧同步除磷脫氮實(shí)驗(yàn)中實(shí)行半池出水、半池進(jìn)水控制,則在上一周期中產(chǎn)生的硝化液與新進(jìn)原生廢水混合,混合后NO -X -N 濃度為13.42mg/

13、L ,C OD 濃度為268.46mg/L ,TP 濃度為4.81mg/L 。此時(shí)的厭氧變成了缺氧,除磷菌可從NO -X 中獲取氧來(lái)進(jìn)行缺氧吸磷,因此在缺氧段,在進(jìn)行反硝化的同時(shí),仍可繼續(xù)吸磷,見(jiàn)圖4 。圖4缺氧段的NO X -N 和TP 變化曲線缺氧開(kāi)始后3h 內(nèi)吸磷均速為0.70mg/(L h ,約為好氧吸磷均速的1/6,這是由于無(wú)氧呼吸的代謝速率和產(chǎn)能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有氧呼吸。由此可看出,該工藝如果再加上缺氧段進(jìn)行反硝2城市環(huán)境與城市生態(tài)15卷1期2002年化,控制合適的C/N比,則可進(jìn)一步提高淹沒(méi)序批式生物膜法除磷工藝的同步脫氮率。3生物膜特性研究3.1生物膜特性由于序批式生物膜工藝的特殊性

14、,可較方便地測(cè)出運(yùn)行一個(gè)周期后的污泥產(chǎn)量。在進(jìn)水負(fù)荷為1.00kg/(m3.d時(shí),將一周期后脫落的污泥取出,過(guò)濾后于103105烘干,稱得M LSS= 1.0733g,產(chǎn)泥率為0.1996kg干泥/kgC OD。污泥中磷含量測(cè)得為5.67%,比序批式活性污泥的4%的磷含量要高的多5。生物膜洗脫后稱得M LVSS達(dá)5531.7mg/L,而活性污泥法的M LVSS 在15002000mg/L的范圍內(nèi),可見(jiàn)S BR生物膜反應(yīng)器中生物量非常大;洗脫膜的S VI值為101.7,說(shuō)明脫落生物膜污泥具有良好的沉降性。3.2生物膜中的微生物群檢樣1為生物膜反應(yīng)器除磷試驗(yàn)的前期(反應(yīng)器運(yùn)行第四個(gè)月樣品;檢樣2為

15、中期(反應(yīng)器運(yùn)行第六個(gè)月樣品。細(xì)菌計(jì)數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)平板法進(jìn)行。檢樣1的菌落總數(shù):2.52108個(gè)/m L;檢樣2的菌落總數(shù):1.56109個(gè)/m L。菌相分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),假單胞菌屬這種除磷脫氮菌是淹沒(méi)序批式生物膜工藝中的優(yōu)勢(shì)菌屬,其次依順序?yàn)闅鈫伟鷮?、芽孢桿菌屬、微球菌屬、硝化桿菌屬。這一結(jié)論,同Wachtmeigter A.6的結(jié)果相類似,與Carucci A.5的結(jié)果而不同。表1菌相構(gòu)成分析表菌屬檢樣1菌群菌相構(gòu)成比(%檢樣2菌群菌相構(gòu)成比(%假單胞菌屬9846.676450.39氣單胞菌屬7033.333628.35芽孢桿菌屬3416.191814.17微球菌屬6 2.865 3

16、.94硝化桿菌屬20.954 3.15合計(jì)210100127100由表1知,在運(yùn)行中期假單胞菌的構(gòu)成比例超過(guò)初期。同時(shí),氣單胞菌屬、芽孢桿菌屬的構(gòu)成比卻低于初期。這說(shuō)明,假單胞菌屬為本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)菌屬,且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),而更加穩(wěn)定。另外,硝化桿菌的比例在運(yùn)行中期也高于初期,說(shuō)明,隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),本系統(tǒng)的硝化功能趨于提高。淹沒(méi)式生物膜反應(yīng)器從進(jìn)水到出水,有機(jī)物濃度變化很大,然而其中的微生物相卻比較穩(wěn)定,而且在數(shù)量上也沒(méi)有出現(xiàn)大起大落的情況。原生動(dòng)物主要為纖毛蟲(chóng)類,其中出現(xiàn)頻率最多的是固著型纖毛蟲(chóng)類,有鐘蟲(chóng)、累枝蟲(chóng)和蓋蟲(chóng);其次是游泳型纖毛蟲(chóng),有草履蟲(chóng)(主要在進(jìn)水時(shí)出現(xiàn)、賢形蟲(chóng)和漫游蟲(chóng)。另外,

17、生物膜中也有少量的綠眼蟲(chóng)和變形蟲(chóng)。生物膜中出現(xiàn)的后生動(dòng)物有線蟲(chóng)類、輪蟲(chóng)類、甲殼蟲(chóng)類(主要為水蚤類等。4結(jié)論4.1淹沒(méi)序批式生物膜法同步除磷脫氮工藝適合的載體裝填密度為30%,水力停留時(shí)間為9h,其中厭氧3h、好氧6h。在上述工藝參數(shù)下,進(jìn)水C OD負(fù)荷從0.27kg/(m3.d到1.32kg/(m3.d均可使除磷率達(dá)90%以上,脫氮率為50%60%。4.2生物除磷取決于厭氧放磷,而厭氧放磷速度取決于溶液中可快速吸收的有機(jī)物的多少。4.3在缺氧段仍可繼續(xù)實(shí)現(xiàn)生物吸磷,只是吸磷速度較好氧吸磷速度明顯降低,約為1/6,因此,該工藝加缺氧段,控制合適的C/N,可進(jìn)一步提高同步除磷脫氮率。4.4淹沒(méi)序批

18、式生物膜法生物量大,脫落污泥沉降性好、含磷量高。4.5除磷脫氮優(yōu)勢(shì)菌屬為假單胞菌屬和氣單胞菌屬,進(jìn)一步說(shuō)明了淹沒(méi)序批式生物膜法的同步除磷脫氮作用。參考文獻(xiàn)1Aes oy A.and Odegaard H.Nitrogen rem oval efficiency and capacityin biofilms w ith biologically hydrolyzed sludge as a carb on s ourceJ.W ater S ci.&T ech.1994,30(6:63-72.2W ang B.Z.,Li G.,Y ang Q.And Liu R.,Nitrogen rem oval by asubmerged biofilm process w ith fibrous carrierJ.W ater S ci.&T ech.1992,20:37-89.3W ang B.Z.,Y ang Q.,Liu R.,Y uan J.,M a F,H e J.And LiG.,A study on simultaneous organics and nitrogen rem oval by ex2tended aeration submerged biofi