低碳氮比污水曝氣生物濾池短程生物脫氮效能與優(yōu)化策略研究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球工業(yè)化和城市化進程的加速，水資源的短缺與污染問題日益嚴峻，成為制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素。據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，全球約有22億人缺乏安全的飲用水，每年因水污染導致的死亡人數(shù)高達數(shù)百萬。我國的水資源形勢同樣不容樂觀，人均水資源占有量僅為世界平均水平的四分之一，且時空分布不均，水污染問題嚴重，污水處理及回用成為緩解水資源短缺的關鍵舉措。在污水處理中，脫氮是至關重要的環(huán)節(jié)。水體中氮素含量過高會引發(fā)一系列環(huán)境問題，其中最突出的是水體富營養(yǎng)化。當水體中含氮量大于0.2-0.3mg/L時，就會為藻類的過度繁殖提供充足的養(yǎng)分，導致水華或赤潮現(xiàn)象頻發(fā)。這些藻類的大量繁殖不僅會消耗水中的溶解氧，使水體缺氧，還會分泌有害物質(zhì)，影響水生生物的生存，破壞水生態(tài)系統(tǒng)的平衡。此外，氮素還可能轉化為亞硝態(tài)氮等有害物質(zhì)，對人體健康產(chǎn)生潛在威脅，如增加患癌癥的風險。低碳氮比污水是污水處理中面臨的一大難題。我國市政污水及生活污水常呈現(xiàn)低碳氮比（C/N）特征，碳源的相對不足使得反硝化過程難以充分進行，導致總氮去除率低下，難以達到日益嚴格的排放標準。傳統(tǒng)的生物脫氮工藝，如活性污泥法及生物膜法，在處理低碳氮比污水時存在諸多局限性。這些工藝所能承受的氮負荷有限，隨著節(jié)能降耗及提標改造工作的持續(xù)推進，現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)逐漸難以平衡處理效果與運行成本之間的矛盾。為了提高脫氮效率，往往需要投加大量的外部碳源，這不僅增加了處理成本，還可能帶來二次污染。短程生物脫氮技術作為一種新型的污水處理技術，近年來受到了廣泛關注。該技術通過將硝化過程控制在亞硝酸鹽階段，然后直接進行反硝化，省略了傳統(tǒng)生物脫氮中由亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，再還原成亞硝酸鹽的兩個環(huán)節(jié)，具有諸多顯著優(yōu)勢。從能耗角度來看，短程硝化反硝化可減少25%的硝化需氧量，這是因為它節(jié)省了NO??氧化為NO??的好氧量，降低了曝氣系統(tǒng)的能耗；在碳源利用方面，它減少了40%的碳源需求，在C/N較低的情況下仍能實現(xiàn)反硝化脫氮，提高了TN的去除率，這對于低碳氮比污水的處理尤為重要；反應歷程上，由于縮短了反應路徑，可節(jié)省50%的反硝化池容積，減少了基建投資；在污泥產(chǎn)量方面，硝化過程可少產(chǎn)污泥33%-35%左右，反硝化階段少產(chǎn)污泥55%左右，降低了污泥處理和處置的成本。曝氣生物濾池（BiologicalAeratedFilter，簡稱BAF）是20世紀80年代末90年代初在生物接觸氧化理論基礎上引入過濾理論，借鑒給水濾池工藝而開發(fā)的污水處理新工藝。它將生物氧化這一生物反應過程與固液分離這一物理過程合二為一，以顆粒狀填料為主要基體，利用填料自身以及其附著生長的生物膜，通過物理過濾和吸附作用、生物代謝作用以及反應器內(nèi)食物鏈分級捕食作用，達到去除污染物的目的。在有機物去除，特別是在硝化、反硝化脫氮等方面有著良好效果，還具備處理效率高、占地面積小、基建及運營費用低、管理方便和抗沖擊負荷能力強等優(yōu)點。將短程生物脫氮技術與曝氣生物濾池相結合，為低碳氮比污水的高效處理提供了新的途徑。本研究針對低碳氮比污水，以曝氣生物濾池為反應器，深入開展短程生物脫氮的試驗研究，具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。從現(xiàn)實應用角度，有望解決低碳氮比污水脫氮效率低、成本高的問題，提高污水處理廠的運行效率和出水水質(zhì)，滿足日益嚴格的環(huán)保要求，減少水體污染，保護生態(tài)環(huán)境。在理論研究方面，通過對短程生物脫氮過程中微生物群落結構、代謝途徑以及影響因素的深入研究，進一步豐富和完善生物脫氮理論，為該技術的優(yōu)化和推廣提供堅實的理論基礎，推動污水處理技術的創(chuàng)新與發(fā)展，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀短程生物脫氮技術的研究始于20世紀70年代，Voets等在處理高濃度氨氮廢水時，首次發(fā)現(xiàn)并提出了短程硝化反硝化脫氮的概念。此后，眾多學者圍繞該技術展開了深入研究，不斷探索其實現(xiàn)條件、影響因素及應用潛力。曝氣生物濾池作為一種高效的污水處理反應器，與短程生物脫氮技術的結合成為研究熱點，在國內(nèi)外取得了豐富的研究成果。在國外，對于曝氣生物濾池短程生物脫氮的研究開展較早且較為深入。Cavallini等學者對曝氣生物濾池處理城市污水的短程硝化反硝化性能進行了研究，通過控制溶解氧、溫度等運行參數(shù)，成功實現(xiàn)了短程硝化反硝化，提高了氮的去除效率。研究結果表明，在適宜的條件下，該工藝對氨氮的去除率可達90%以上，總氮去除率也有顯著提升。他們還指出，溫度對短程硝化反硝化的影響較為顯著，在25-30℃時，系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定的短程脫氮性能。Joss等研究人員在中試規(guī)模的曝氣生物濾池中，研究了不同碳氮比條件下短程生物脫氮的效果。結果發(fā)現(xiàn)，當碳氮比在一定范圍內(nèi)時，通過優(yōu)化曝氣策略和污泥回流比，可以有效實現(xiàn)短程生物脫氮，且在低碳氮比條件下仍能保持較好的總氮去除效果。他們還對微生物群落結構進行了分析，發(fā)現(xiàn)短程硝化反硝化過程中，亞硝酸菌成為優(yōu)勢菌群，其相對豐度明顯增加。國內(nèi)在曝氣生物濾池短程生物脫氮方面的研究也取得了眾多成果。王淑瑩等學者針對低碳氮比的實際污水，采用上向流曝氣生物濾池進行短程硝化反硝化試驗。通過控制溶解氧、游離氨等因素，實現(xiàn)了穩(wěn)定的短程硝化，氨氮去除率穩(wěn)定在85%以上，亞硝酸鹽積累率達到90%左右。研究還發(fā)現(xiàn)，游離氨對硝酸菌具有抑制作用，適當提高游離氨濃度，有利于亞硝酸菌的生長和亞硝酸鹽的積累。周健等研究團隊對曝氣生物濾池的啟動特性及短程硝化反硝化影響因素進行了研究。結果表明，采用接種硝化污泥的方式可以加快曝氣生物濾池的啟動，在啟動過程中，通過控制水力停留時間、氣水比等參數(shù)，能夠快速實現(xiàn)短程硝化反硝化。他們還指出，水力停留時間對短程生物脫氮效果影響較大，過短的水力停留時間會導致氨氮氧化不完全，而過長的水力停留時間則會增加運行成本，降低處理效率。在工藝改進方面，國內(nèi)外學者提出了多種優(yōu)化策略。一些研究嘗試在曝氣生物濾池中添加特殊的填料，以提高微生物的附著量和活性，增強短程生物脫氮效果。例如，采用活性炭、沸石等具有吸附性能的填料，不僅可以為微生物提供載體，還能吸附污水中的污染物，促進反應的進行。還有研究通過改進曝氣方式，如采用間歇曝氣、分段曝氣等技術，優(yōu)化溶解氧分布，創(chuàng)造有利于短程硝化反硝化的環(huán)境。在影響因素分析方面，除了溫度、pH值、溶解氧、碳氮比等常見因素外，一些研究還關注到了水質(zhì)的復雜性對短程生物脫氮的影響。例如，污水中的重金屬離子、有機物種類等會對微生物的活性產(chǎn)生抑制或促進作用，進而影響短程生物脫氮的效果。此外，微生物群落結構的變化也是研究的重點之一，通過高通量測序等技術，深入了解不同運行條件下微生物群落的組成和功能，為優(yōu)化工藝提供理論支持。在實際應用方面，曝氣生物濾池短程生物脫氮技術已在一些污水處理廠得到應用。例如，某城市污水處理廠采用曝氣生物濾池短程生物脫氮工藝進行升級改造，在處理低碳氮比污水時，取得了良好的效果，出水水質(zhì)達到了國家一級A排放標準，且運行成本顯著降低。然而，在實際應用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，如工藝的穩(wěn)定性和可靠性有待進一步提高，對操作人員的技術水平要求較高等。盡管國內(nèi)外在曝氣生物濾池短程生物脫氮方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足和空白。在低碳氮比污水的處理中，如何進一步提高碳源的利用效率，減少外部碳源的投加，仍是亟待解決的問題。對于短程生物脫氮過程中微生物的代謝途徑和調(diào)控機制，目前的研究還不夠深入，需要進一步加強基礎研究。此外，在工程應用方面，如何優(yōu)化工藝設計和運行管理，提高工藝的穩(wěn)定性和適應性，也是未來研究的重點方向。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究以低碳氮比污水為處理對象，以曝氣生物濾池為核心反應器，深入開展短程生物脫氮的試驗研究，具體研究內(nèi)容如下：短程生物脫氮原理分析：系統(tǒng)地研究短程生物脫氮的基本原理，詳細闡述硝化過程中氨氮氧化為亞硝酸鹽氮的機制，以及反硝化過程中亞硝酸鹽氮還原為氮氣的反應路徑。深入剖析短程硝化反硝化與傳統(tǒng)全程硝化反硝化的差異，明確短程生物脫氮在減少能耗、降低碳源需求、縮短反應時間等方面的優(yōu)勢，為后續(xù)的試驗研究提供堅實的理論基礎。影響短程生物脫氮的因素探究：全面探究影響曝氣生物濾池短程生物脫氮效果的關鍵因素，包括溫度、pH值、溶解氧、碳氮比、水力停留時間等。通過控制變量法，逐一改變各因素的值，研究其對短程硝化反硝化過程的影響規(guī)律。例如，研究不同溫度下亞硝酸菌和硝酸菌的活性變化，以及對亞硝酸鹽積累和總氮去除率的影響；分析pH值對游離氨和游離羥胺濃度的影響，進而探究其對短程生物脫氮的作用機制；研究溶解氧對亞硝酸菌和硝酸菌生長競爭的影響，確定實現(xiàn)短程硝化的最佳溶解氧條件。此外，還將探討污水中其他成分，如重金屬離子、有機物種類等對短程生物脫氮的潛在影響，為優(yōu)化工藝運行提供科學依據(jù)。曝氣生物濾池工藝優(yōu)化：基于對影響因素的研究結果，對曝氣生物濾池的工藝參數(shù)進行優(yōu)化。優(yōu)化曝氣策略，如采用間歇曝氣、分段曝氣等方式，以創(chuàng)造有利于短程硝化反硝化的溶解氧環(huán)境，減少曝氣能耗。調(diào)整水力停留時間和回流比，提高污水與微生物的接觸時間和反應效率，增強系統(tǒng)的脫氮能力。研究不同濾料對微生物附著和生長的影響，選擇合適的濾料，提高生物膜的活性和穩(wěn)定性。此外，還將探索在曝氣生物濾池中添加特殊填料或微生物制劑的可行性，以強化短程生物脫氮效果。實際應用效果評估：將優(yōu)化后的曝氣生物濾池短程生物脫氮工藝應用于實際低碳氮比污水的處理，評估其處理效果和穩(wěn)定性。監(jiān)測處理前后污水中氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮、化學需氧量等指標的變化，計算去除率，分析工藝在實際應用中的可行性和優(yōu)勢。同時，對處理過程中的能耗、運行成本等進行核算，評估工藝的經(jīng)濟可行性。此外，還將對處理后出水的水質(zhì)進行全面檢測，確保其滿足相關的排放標準和回用要求，為該工藝的實際推廣應用提供實踐依據(jù)。1.3.2研究方法本研究綜合運用多種研究方法，以確保研究的科學性、全面性和可靠性，具體研究方法如下：實驗研究法：搭建曝氣生物濾池實驗裝置，模擬實際污水處理過程。采用人工配制的低碳氮比污水作為進水，通過控制進水水質(zhì)、流量、溫度等條件，研究不同運行參數(shù)下曝氣生物濾池的短程生物脫氮性能。在實驗過程中，定期采集水樣，測定氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮、化學需氧量等指標，分析處理效果隨時間的變化規(guī)律。同時，通過改變實驗條件，如調(diào)整溶解氧濃度、pH值、水力停留時間等，探究各因素對短程生物脫氮效果的影響。實驗研究法能夠直接獲取第一手數(shù)據(jù)，為理論分析和工藝優(yōu)化提供實證依據(jù)。理論分析法：結合微生物學、生物化學、化學工程等相關學科的理論知識，對短程生物脫氮的原理和影響因素進行深入分析。研究亞硝酸菌和硝酸菌的生理特性、代謝途徑以及它們在不同環(huán)境條件下的生長競爭關系，從理論層面解釋短程硝化反硝化的實現(xiàn)機制。運用化學反應動力學原理，建立短程生物脫氮過程的數(shù)學模型，模擬反應過程中各物質(zhì)濃度的變化，預測處理效果，為工藝優(yōu)化提供理論指導。理論分析法能夠深入揭示問題的本質(zhì)，為實驗研究提供理論支持，使研究結果更具普遍性和指導性。案例分析法：收集國內(nèi)外曝氣生物濾池短程生物脫氮工藝在實際工程中的應用案例，分析其工藝設計、運行管理、處理效果、經(jīng)濟效益等方面的情況。通過對比不同案例的優(yōu)缺點，總結成功經(jīng)驗和存在的問題，為本次研究的工藝優(yōu)化和實際應用提供參考。例如，分析某污水處理廠采用曝氣生物濾池短程生物脫氮工藝的升級改造案例，研究其在處理低碳氮比污水時，如何通過優(yōu)化工藝參數(shù)和運行管理，提高脫氮效率，降低運行成本，實現(xiàn)穩(wěn)定達標排放。案例分析法能夠?qū)⒗碚撗芯颗c實際工程應用相結合，使研究更具針對性和實用性。二、曝氣生物濾池與短程生物脫氮理論基礎2.1曝氣生物濾池概述2.1.1結構與類型曝氣生物濾池的結構較為復雜，主要由濾料層、布水布氣系統(tǒng)、承托層、反沖洗系統(tǒng)、出水系統(tǒng)等部分組成。濾料層是曝氣生物濾池的核心部分，其性能直接影響到濾池的處理效果。濾料需具備質(zhì)堅、高強、耐腐蝕、抗冰凍，較高的比表面積，較大孔隙率等特性，以提供微生物附著生長的良好環(huán)境。常見的濾料有輕質(zhì)陶粒、爐渣、石英砂、焦炭、沸石等，其中輕質(zhì)陶粒由于其比重小、比表面積大、孔隙率高、吸附性能好等優(yōu)點，在實際工程中應用較為廣泛。例如，在某污水處理廠的曝氣生物濾池中，采用了粒徑為3-6mm的輕質(zhì)陶粒作為濾料，微生物在其表面大量附著生長，形成了穩(wěn)定的生物膜，對污水中的污染物具有良好的去除效果。布水布氣系統(tǒng)的作用是使污水和空氣均勻分布在濾池中，確保微生物與污水中的污染物充分接觸，提高反應效率。布水系統(tǒng)包括濾池最下部的配水室和濾板上的配水濾頭，對于上流式濾池，配水室可使某一短時段內(nèi)進入濾池的污水均勻混合，并通過承托濾板和濾頭的阻力作用，使污水在濾板下均勻、均質(zhì)分布，再通過濾頭均勻流入濾料層；對于下流式濾池，布水系統(tǒng)主要用作濾池反沖洗布水和收集凈化水用。布氣系統(tǒng)一般采用鼓風曝氣形式，通過在濾料層內(nèi)設置曝氣管，將空氣均勻地輸送到濾池中，為微生物的好氧代謝提供充足的氧氣。在一些曝氣生物濾池中，采用了專用的曝氣器，如德國PHILLIPMüLLER公司的OXAZUR空氣擴散器、華騏環(huán)保公司的單孔膜空氣擴散器專利產(chǎn)品等，這些曝氣器能夠提高氧的吸收率，增強曝氣效果。承托層位于濾料層下方，主要作用是支撐濾料，防止濾料流失和堵塞濾頭，同時保持反沖洗穩(wěn)定進行。承托層通常采用具有良好機械強度和化學穩(wěn)定性的材料，如卵石或磁鐵礦，工程中一般選用鵝卵石作為承托層。反沖洗系統(tǒng)的作用是定期去除濾料表面增殖的老化微生物膜和截留的懸浮物，恢復濾池的處理能力。曝氣生物濾池一般采用氣-水聯(lián)合反沖洗的方式，反沖洗過程程序為先降低濾池內(nèi)的水位并單獨氣洗，而后采用氣-水聯(lián)合反沖洗，最后再單獨采用水洗。出水系統(tǒng)用于收集處理后的水，常見的出水方式有周邊出水和單側堰出水等，在大、中型污水處理工程中，為了工藝布置方便，一般采用單側堰出水較多。根據(jù)污水在濾池中過濾方向的不同，曝氣生物濾池可分為上向流曝氣生物濾池和下向流曝氣生物濾池。上向流曝氣生物濾池的污水從濾池底部進入，向上流經(jīng)濾料層，處理后的水從濾池頂部流出；下向流曝氣生物濾池的污水則從濾池頂部進入，向下流經(jīng)濾料層，處理后的水從濾池底部流出。早期曝氣生物濾池的形式大多為下向流態(tài)，但隨著上向流濾池眾多優(yōu)點被人們所認同，近年來在實際工程中絕大多數(shù)采用上向流曝氣生物濾池。上向流曝氣生物濾池具有氣、水分布均勻，氧利用率高，能避免溝流或短流等優(yōu)點。在某污水處理項目中，采用上向流曝氣生物濾池處理生活污水，其氧利用率可達25%-30%，處理后的出水水質(zhì)穩(wěn)定，各項指標均能達到排放標準。此外，還有一些新型的曝氣生物濾池，如采用脈沖反沖洗、氣水同向流形式的BIOSMEDI曝氣生物濾池，以及采用新型輕質(zhì)懸浮填料的BIOSTYR曝氣生物濾池等，它們在不同的應用場景中展現(xiàn)出各自的優(yōu)勢。2.1.2工作原理與工藝特點曝氣生物濾池的工作原理基于生物膜法，利用微生物降解污水中的污染物。污水流經(jīng)濾料層時，濾料表面附著生長的高活性生物膜發(fā)揮關鍵作用。生物膜中的微生物通過吸附、吸收污水中的有機污染物，將其作為自身新陳代謝的營養(yǎng)物質(zhì)，在有氧條件下，通過好氧代謝將有機物氧化分解為二氧化碳和水等無害物質(zhì)。在這個過程中，污水中的氨氮首先在亞硝化細菌的作用下被氧化為亞硝酸鹽氮，然后在硝化細菌的作用下進一步氧化為硝酸鹽氮，完成硝化過程。由于濾料層內(nèi)和微生物膜內(nèi)部存在厭氧/缺氧環(huán)境，在硝化的同時，部分硝酸鹽氮會在反硝化細菌的作用下被還原為氮氣，實現(xiàn)反硝化脫氮。濾料自身對污水中的懸浮物具有截留和吸附作用，微生物新陳代謝產(chǎn)生的粘性物質(zhì)如多糖類、酯類等起到吸附架橋作用，與懸浮顆粒及膠體粒子粘結在一起，形成細小絮體，通過接觸絮凝作用而被去除。隨著生物膜的不斷生長和增厚，當超過一定厚度后，內(nèi)層微生物因得不到充分的營養(yǎng)而進入內(nèi)源代謝，失去粘附在濾料上的性能，脫落下來隨水流出濾池，濾料表面再重新長出新的生物膜，保持生物膜的活性和處理效果。曝氣生物濾池具有諸多顯著的工藝特點。首先，其處理效率高，容積負荷和水力負荷大。由于濾料為微生物提供了良好的附著環(huán)境，單位體積內(nèi)的微生物量可達10-15g/L，遠高于傳統(tǒng)活性污泥法，使得曝氣生物濾池能夠在較短的水力停留時間內(nèi)高效地去除污水中的有機物、氨氮等污染物。在處理生活污水時，曝氣生物濾池對化學需氧量（COD）的去除率可達80%-90%，對氨氮的去除率可達90%以上。其次，占地面積小。曝氣生物濾池的占地面積僅為普通活性污泥法的1/3-1/5，這對于土地資源緊張的城市污水處理廠來說具有重要意義。例如，某城市污水處理廠采用曝氣生物濾池工藝進行升級改造后，在不增加占地面積的情況下，處理能力提高了50%。此外，曝氣生物濾池的一次性投資比傳統(tǒng)方法低1/4左右，運行費用也相對較低。其氧傳輸效率高，曝氣量明顯低于一般生物處理法，氧的利用效率可達20%-30%，降低了能耗成本。曝氣生物濾池還具有抗沖擊負荷能力強的特點，可在正常負荷2-3倍的短期沖擊負荷下，保持出水水質(zhì)變化較小。在某工業(yè)廢水處理項目中，當進水水質(zhì)和水量發(fā)生較大波動時，曝氣生物濾池仍能穩(wěn)定運行，確保出水達標。同時，該工藝易掛膜，啟動快，在水溫10-15℃時，2-3周即可完成掛膜過程。曝氣生物濾池采用模塊化結構，便于后期擴建和改造，可根據(jù)實際需求靈活調(diào)整處理規(guī)模。然而，曝氣生物濾池也存在一些不足之處。它對進水懸浮物（SS）要求較嚴，一般要求SS≤100mg/L，最好SS≤60mg/L，因此需要對進水進行預處理，增加了處理流程和成本。其反沖洗水量較大，水頭損失也較大，需要配備專門的反沖洗設備和系統(tǒng)，增加了運行管理的難度和成本。在實際應用中，需要綜合考慮這些因素，合理選擇和設計曝氣生物濾池工藝，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、經(jīng)濟的污水處理。2.2短程生物脫氮原理2.2.1反應過程短程生物脫氮，即短程硝化反硝化，是一種革新的生物脫氮技術，其核心在于巧妙地將硝化過程精準控制在亞硝酸鹽階段，隨后直接進行反硝化反應，從而實現(xiàn)高效脫氮。傳統(tǒng)的生物脫氮途徑包含有機氮氨化、硝化、反硝化及微生物的同化作用。在氨化階段，有機氮化合物在氨化細菌的作用下被轉化為氨氮（NH_4^+），這一過程為后續(xù)的硝化反應提供了底物。例如，蛋白質(zhì)在氨化細菌分泌的蛋白酶作用下，逐步水解為氨基酸，再經(jīng)過脫氨基作用轉化為氨氮。硝化反應則是一個分階段的復雜過程，在好氧條件下，亞硝化細菌首先將氨氮（NH_4^+）氧化為亞硝酸鹽氮（NO_2^-），這一反應的化學方程式為：NH_4^++1.5O_2\stackrel{亞硝化細菌}{\longrightarrow}NO_2^-+2H^++H_2O。接著，硝酸菌將亞硝酸鹽氮（NO_2^-）進一步氧化為硝酸鹽氮（NO_3^-），反應方程式為：NO_2^-+0.5O_2\stackrel{硝酸菌}{\longrightarrow}NO_3^-。這兩個步驟共同構成了傳統(tǒng)硝化反應的完整過程。反硝化過程在缺氧條件下進行，反硝化細菌利用有機物作為碳源，將硝酸鹽氮（NO_3^-）逐步還原為亞硝酸鹽氮（NO_2^-）、一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N_2O），最終還原為氮氣（N_2），從水中逸出，實現(xiàn)脫氮。其主要反應方程式如下：2NO_3^-+10e^-+12H^+\stackrel{反硝化細菌}{\longrightarrow}N_2+6H_2O，2NO_2^-+6e^-+8H^+\stackrel{反硝化細菌}{\longrightarrow}N_2+4H_2O。在實際污水處理中，傳統(tǒng)生物脫氮工藝需要經(jīng)歷這一系列完整的步驟，對運行條件要求較為嚴格，且能耗和碳源需求較大。而短程硝化反硝化則打破了傳統(tǒng)的反應路徑，巧妙地將硝化過程控制在亞硝酸鹽階段，即只進行氨氮（NH_4^+）到亞硝酸鹽氮（NO_2^-）的轉化，省略了亞硝酸鹽氮（NO_2^-）進一步氧化為硝酸鹽氮（NO_3^-）的步驟。隨后，在反硝化階段，反硝化細菌直接以亞硝酸鹽氮（NO_2^-）為電子受體進行反硝化脫氮。其反應過程可簡化為：NH_4^++0.75O_2\stackrel{亞硝酸菌}{\longrightarrow}NO_2^-+1.5H_2O+H^+（短程硝化），NO_2^-+3e^-+4H^+\stackrel{反硝化細菌}{\longrightarrow}0.5N_2+2H_2O（短程反硝化）。與傳統(tǒng)生物脫氮相比，短程硝化反硝化具有顯著的優(yōu)勢。在能耗方面，由于省略了亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮的步驟，可減少約25%的硝化需氧量，降低了曝氣系統(tǒng)的能耗。在碳源利用上，短程反硝化以亞硝酸鹽氮為電子受體，所需碳源比傳統(tǒng)反硝化減少約40%，這對于低碳氮比污水的處理尤為關鍵，能夠在碳源相對不足的情況下仍實現(xiàn)高效反硝化脫氮。同時，反應歷程的縮短使得反硝化池容積可節(jié)省約50%，減少了基建投資。此外，短程生物脫氮在污泥產(chǎn)量方面也具有優(yōu)勢，硝化過程可少產(chǎn)污泥33%-35%左右，反硝化階段少產(chǎn)污泥55%左右，降低了污泥處理和處置的成本。2.2.2微生物作用機制在短程硝化反硝化過程中，亞硝酸菌和硝酸菌起著關鍵作用，它們的生理特性和代謝途徑?jīng)Q定了短程生物脫氮的實現(xiàn)。亞硝酸菌，包括亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺桿菌屬和亞硝酸球菌屬等，是一類化能自養(yǎng)型微生物。它們能夠利用氨氮作為能源，通過將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮來獲取能量，用于自身的生長和代謝。亞硝酸菌的代謝過程與細胞內(nèi)的多種酶密切相關，其中氨單加氧酶（AMO）和羥胺氧化還原酶（HAO）是參與氨氮氧化的關鍵酶。氨單加氧酶能夠催化氨氮與氧氣反應，將氨氮轉化為羥胺（NH_2OH），反應方程式為：NH_4^++O_2+2H^++2e^-\stackrel{AMO}{\longrightarrow}NH_2OH+H_2O。隨后，羥胺氧化還原酶將羥胺進一步氧化為亞硝酸鹽氮，反應方程式為：NH_2OH+H_2O\stackrel{HAO}{\longrightarrow}NO_2^-+5H^++4e^-。亞硝酸菌的生長和代謝需要適宜的環(huán)境條件，如溫度、pH值、溶解氧等。一般來說，亞硝酸菌的適宜生長溫度為25-30℃，在這個溫度范圍內(nèi)，酶的活性較高，能夠高效地催化氨氮氧化反應。當溫度低于15℃時，亞硝酸菌的活性會受到顯著抑制，氨氮氧化速率降低，影響短程硝化的效果。pH值對亞硝酸菌的影響也較大，其適宜的pH值范圍為7.5-8.5。在這個pH值范圍內(nèi)，亞硝酸菌能夠維持正常的生理功能和代謝活性。當pH值過低時，會導致亞硝酸菌細胞內(nèi)的酶活性降低，影響其對氨氮的氧化能力；而pH值過高則可能會使亞硝酸菌的細胞膜結構受到破壞，同樣影響其生長和代謝。溶解氧是亞硝酸菌進行有氧呼吸的必要條件，適宜的溶解氧濃度為1.0-1.5mg/L。當溶解氧濃度過低時，亞硝酸菌無法獲得足夠的氧氣進行代謝，氨氮氧化速率會下降；而溶解氧濃度過高時，可能會對亞硝酸菌產(chǎn)生毒性作用，抑制其生長。硝酸菌，如硝酸桿菌屬、硝酸球菌屬等，同樣是化能自養(yǎng)型微生物，它們以亞硝酸鹽氮為能源，將亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮。硝酸菌的代謝過程主要由亞硝酸氧化還原酶（NXR）催化，反應方程式為：NO_2^-+H_2O\stackrel{NXR}{\longrightarrow}NO_3^-+2H^++2e^-。硝酸菌的生長和代謝特性與亞硝酸菌有所不同，對環(huán)境因素的要求也存在差異。硝酸菌的適宜生長溫度相對較高，一般在30-35℃左右。在這個溫度范圍內(nèi)，硝酸菌的酶活性較高，能夠有效地將亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮。當溫度低于20℃時，硝酸菌的活性會明顯下降，對亞硝酸鹽氮的氧化能力減弱。硝酸菌適宜的pH值范圍為7.0-8.0，相較于亞硝酸菌，其對pH值的適應范圍略窄。在適宜的pH值條件下，硝酸菌能夠正常地進行代謝活動。當pH值偏離這個范圍時，硝酸菌的生長和代謝會受到抑制。硝酸菌對溶解氧的需求相對較高，適宜的溶解氧濃度為2.0-2.5mg/L。較高的溶解氧濃度有助于硝酸菌進行有氧呼吸，為其代謝活動提供充足的能量。如果溶解氧濃度不足，硝酸菌的代謝速率會降低，影響硝酸鹽氮的生成。在短程硝化反硝化過程中，亞硝酸菌和硝酸菌的生長競爭關系對反應進程起著重要的調(diào)控作用。由于亞硝酸菌和硝酸菌都利用無機碳源進行生長，且在氨氮氧化過程中存在底物競爭。通過控制環(huán)境因素，如溫度、pH值、溶解氧、游離氨等，可以選擇性地抑制硝酸菌的生長，使亞硝酸菌成為優(yōu)勢菌群，從而實現(xiàn)將硝化過程控制在亞硝酸鹽階段。例如，適當提高溫度至28-30℃，可以促進亞硝酸菌的生長，同時抑制硝酸菌的活性。在這個溫度區(qū)間內(nèi)，亞硝酸菌的生長速率較快，能夠更有效地利用氨氮進行代謝，而硝酸菌的生長則受到一定程度的抑制，從而有利于亞硝酸鹽的積累。調(diào)節(jié)pH值至7.8-8.2，也可以創(chuàng)造有利于亞硝酸菌生長的環(huán)境，抑制硝酸菌的生長。在這個pH值范圍內(nèi)，亞硝酸菌的酶活性能夠得到較好的維持，而硝酸菌的生長和代謝會受到一定的阻礙。此外，控制溶解氧濃度在1.0-1.5mg/L，能夠滿足亞硝酸菌的生長需求，同時抑制硝酸菌的過度生長。較低的溶解氧濃度對硝酸菌的抑制作用更為明顯，使得亞硝酸菌在競爭中占據(jù)優(yōu)勢。游離氨（FA）對硝酸菌也具有抑制作用，當游離氨濃度達到一定水平時，能夠選擇性地抑制硝酸菌的活性，而對亞硝酸菌的影響相對較小。一般來說，游離氨濃度在0.1-1.0mg/L時，對硝酸菌的抑制作用較為顯著，有助于實現(xiàn)短程硝化。通過合理調(diào)控這些環(huán)境因素，能夠有效地控制亞硝酸菌和硝酸菌的生長競爭關系，實現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化反硝化，提高短程生物脫氮的效率。三、低碳氮比污水特性及對短程生物脫氮的影響3.1低碳氮比污水來源與水質(zhì)特點低碳氮比污水來源廣泛，主要包括生活污水、部分工業(yè)廢水以及二者混合的市政污水等。在生活污水方面，隨著居民生活水平的提高和節(jié)水意識的增強，生活污水的水質(zhì)發(fā)生了顯著變化。一方面，居民用水中含有機物的成分減少，如洗滌用品的改進使得污水中可生物降解的有機物含量降低；另一方面，隨著城市衛(wèi)生設施的完善，污水中氮素的含量相對穩(wěn)定甚至有所增加。這導致生活污水的碳氮比逐漸降低，許多城市的生活污水碳氮比（C/N）已低于4，甚至部分地區(qū)低至2-3。例如，在我國南方某城市的污水處理廠，其生活污水的平均化學需氧量（COD）為150-200mg/L，氨氮（NH??-N）含量為40-60mg/L，碳氮比約為2.5-3.5，屬于典型的低碳氮比生活污水。工業(yè)廢水也是低碳氮比污水的重要來源之一。不同行業(yè)的工業(yè)廢水水質(zhì)差異較大，一些行業(yè)如電子、制藥、化工等，在生產(chǎn)過程中使用大量的清水，產(chǎn)生的廢水中有機物含量較低，但氮含量相對較高。例如，電子行業(yè)的清洗廢水，主要污染物為微量的重金屬離子和氨氮，其COD含量通常在50-100mg/L，而氨氮含量可達30-50mg/L，碳氮比低于2。制藥行業(yè)的某些生產(chǎn)廢水，由于生產(chǎn)工藝的特殊性，有機物難以生物降解，同時含有較高濃度的氮素，導致碳氮比偏低。這些工業(yè)廢水若未經(jīng)有效處理直接排入城市污水管網(wǎng)，會進一步降低市政污水的碳氮比。市政污水則是生活污水與工業(yè)廢水的混合體。由于工業(yè)廢水的混入，市政污水的水質(zhì)更加復雜，碳氮比波動較大。在一些工業(yè)發(fā)達地區(qū)，市政污水中的工業(yè)廢水占比較高，使得碳氮比明顯低于僅由生活污水組成的情況。此外，雨水的混入也會對市政污水的碳氮比產(chǎn)生影響。在雨季，大量雨水進入污水管網(wǎng)，稀釋了污水中的污染物濃度，尤其是有機物濃度，導致碳氮比降低。低碳氮比污水具有碳氮比低、有機物含量少、氮含量相對高等顯著水質(zhì)特點。碳氮比低是這類污水的核心特征，一般認為碳氮比（C/N）低于4時，即為低碳氮比污水。較低的碳氮比使得反硝化過程中碳源不足，成為限制總氮去除的關鍵因素。有機物含量少，使得微生物可利用的營養(yǎng)物質(zhì)匱乏，影響微生物的生長和代謝活動，進而降低了污水的可生化性。許多低碳氮比污水的BOD?（五日生化需氧量）與COD的比值低于0.3，表明污水中可生物降解的有機物含量較低，不利于微生物的生長和繁殖。而氮含量相對高，使得污水中的氨氮、硝酸鹽氮等氮污染物濃度較高，若不進行有效處理，會對水體環(huán)境造成嚴重污染，引發(fā)水體富營養(yǎng)化等問題。例如，在某城市污水處理廠，其進水碳氮比約為3，COD含量為180mg/L，氨氮含量為50mg/L，總氮含量為60mg/L，這種水質(zhì)特點給污水處理帶來了極大的挑戰(zhàn)。3.2低碳氮比條件下短程生物脫氮面臨的挑戰(zhàn)3.2.1碳源不足問題碳源在短程生物脫氮過程中扮演著至關重要的角色，是反硝化反應順利進行的關鍵因素。在反硝化階段，反硝化細菌需要利用碳源作為電子供體，將亞硝酸鹽氮（NO_2^-）還原為氮氣（N_2）。其反應原理基于微生物的代謝過程，反硝化細菌通過攝取碳源中的能量，驅(qū)動電子傳遞鏈，將亞硝酸鹽氮逐步還原。例如，當以甲醇（CH_3OH）作為碳源時，反應方程式為：6NO_2^-+5CH_3OH+6H^+\stackrel{反硝化細菌}{\longrightarrow}3N_2+5CO_2+13H_2O。在這個反應中，甲醇提供電子，使亞硝酸鹽氮得到還原，實現(xiàn)脫氮。然而，低碳氮比污水的顯著特征就是碳源不足。這類污水中可生物降解的有機物含量較低，無法為反硝化反應提供充足的電子供體。當碳源不足時，反硝化細菌的代謝活動受到嚴重抑制。反硝化細菌為了維持自身的生存和代謝，可能會利用自身的原生質(zhì)進行內(nèi)源反硝化作用。在這個過程中，反硝化細菌會消耗自身細胞內(nèi)的物質(zhì)來提供電子，這不僅會減少反硝化細菌的活性，使其對亞硝酸鹽氮的還原能力下降，還會導致反硝化細菌數(shù)量的減少。因為內(nèi)源反硝化過程會對細菌細胞造成一定的損傷，影響其繁殖和生長，從而使反硝化作用減弱甚至停止。在一些低碳氮比的生活污水中，由于碳源匱乏，反硝化細菌無法充分利用亞硝酸鹽氮，導致出水的總氮含量超標，無法達到排放標準。為了滿足脫氮需求，在處理低碳氮比污水時，通常需要額外投加碳源。目前，常用的外加碳源種類繁多，包括甲醇、乙酸、乙酸鈉、葡萄糖等。這些碳源各有特點，甲醇價格相對較低，但其具有毒性，在運輸、儲存和使用過程中需要嚴格的安全措施，以防止泄漏和中毒事故的發(fā)生。乙酸和乙酸鈉反應速度較快，能迅速被反硝化細菌利用，但成本相對較高。葡萄糖作為碳源時，微生物的利用效率較低，且容易導致污泥膨脹等問題。在某污水處理廠，為了提高脫氮效果，投加了乙酸鈉作為碳源，雖然出水總氮能夠達標，但每月的碳源費用高達數(shù)萬元，增加了污水處理的成本。額外投加碳源不僅帶來了成本的增加，還會引發(fā)一系列管理困難。在碳源投加量的控制方面，需要精確計算和嚴格監(jiān)控。投加量過少，無法滿足反硝化反應的需求，導致脫氮效果不佳；投加量過多，則會造成碳源的浪費，增加處理成本，同時還可能導致出水的化學需氧量（COD）超標，引發(fā)二次污染。這就要求操作人員具備專業(yè)的知識和豐富的經(jīng)驗，能夠根據(jù)污水的水質(zhì)、水量以及處理工藝的運行情況，準確調(diào)整碳源的投加量。碳源的儲存和運輸也是管理中的重要環(huán)節(jié)。一些碳源，如甲醇，易燃易爆，需要專門的儲存設施和運輸設備，以確保安全。同時，碳源的儲存還需要考慮其保質(zhì)期和穩(wěn)定性，防止因儲存不當導致碳源變質(zhì)或失效。在實際運行中，還需要建立完善的碳源管理體系，包括碳源的采購、儲存、投加和使用記錄等，以便對碳源的使用情況進行跟蹤和分析，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應的措施。3.2.2微生物代謝平衡問題低碳氮比污水對亞硝酸菌和硝酸菌的生長代謝有著顯著的影響，進而打破微生物的代謝平衡，使得短程硝化難以維持。亞硝酸菌和硝酸菌在短程硝化反硝化過程中承擔著關鍵作用。亞硝酸菌負責將氨氮（NH_4^+）氧化為亞硝酸鹽氮（NO_2^-），硝酸菌則將亞硝酸鹽氮進一步氧化為硝酸鹽氮（NO_3^-）。它們的生長和代謝受到多種環(huán)境因素的調(diào)控，而低碳氮比就是其中一個重要的影響因素。從微生物的營養(yǎng)需求角度來看，碳源是微生物生長和代謝所必需的營養(yǎng)物質(zhì)之一。在低碳氮比污水中，碳源的匱乏使得微生物可利用的能量和物質(zhì)減少。亞硝酸菌和硝酸菌作為化能自養(yǎng)型微生物，雖然可以利用無機碳源進行生長，但在碳源不足的情況下，它們的生長速度會受到抑制。由于碳源不足，微生物合成細胞物質(zhì)所需的能量和原料不足，導致細胞分裂和生長的速度減緩。亞硝酸菌和硝酸菌在生長過程中，需要消耗能量來合成蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子，碳源不足會限制這些合成過程的進行，從而影響微生物的生長和繁殖。在低碳氮比條件下，亞硝酸菌和硝酸菌的生長競爭關系也會發(fā)生改變。正常情況下，通過控制環(huán)境因素，如溫度、pH值、溶解氧等，可以使亞硝酸菌成為優(yōu)勢菌群，實現(xiàn)短程硝化。然而，當碳源不足時，這種平衡容易被打破。硝酸菌對環(huán)境變化的適應能力相對較強，在碳源不足的壓力下，硝酸菌可能會逐漸占據(jù)優(yōu)勢。因為硝酸菌在利用有限的碳源時，具有更高的效率和競爭力。隨著硝酸菌數(shù)量的增加，它們會將更多的亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮，導致亞硝酸鹽積累率下降，短程硝化難以維持。在某污水處理試驗中，當污水的碳氮比降低到一定程度后，硝酸菌的相對豐度顯著增加，亞硝酸鹽積累率從原來的80%下降到了50%以下，短程硝化反硝化過程受到嚴重干擾。低碳氮比還會影響微生物的代謝途徑和酶活性。碳源不足會導致微生物細胞內(nèi)的能量代謝失衡，影響相關酶的合成和活性。亞硝酸菌和硝酸菌在氨氮氧化過程中，需要多種酶的參與，如氨單加氧酶（AMO）、羥胺氧化還原酶（HAO）、亞硝酸氧化還原酶（NXR）等。碳源不足可能會導致這些酶的合成受到抑制，或者使酶的活性降低。例如，碳源不足可能會影響氨單加氧酶的活性，使氨氮的氧化速率減慢，進而影響亞硝酸菌的生長和代謝。由于能量供應不足，微生物細胞內(nèi)的代謝調(diào)節(jié)機制也會發(fā)生變化，可能會導致一些代謝途徑的改變，進一步影響短程硝化反硝化的穩(wěn)定性。四、曝氣生物濾池短程生物脫氮試驗研究4.1試驗裝置與方法4.1.1試驗裝置搭建本試驗采用的曝氣生物濾池為有機玻璃材質(zhì)制成，其結構設計緊湊，各部分協(xié)同工作以實現(xiàn)高效的污水處理。濾池主體尺寸為直徑150mm，高1500mm，有效容積約為25L。濾池內(nèi)部自上而下依次為出水區(qū)、濾料層、承托層和配水室。濾料層是曝氣生物濾池的核心部分，對微生物的附著和生長起著關鍵作用。本試驗選用輕質(zhì)陶粒作為濾料，其粒徑范圍為3-5mm，堆積密度約為800kg/m3，比表面積達到1000-1500m2/m3，孔隙率在0.4-0.5之間。輕質(zhì)陶粒具有比重小、比表面積大、孔隙率高、吸附性能好等優(yōu)點，能夠為微生物提供豐富的附著位點，促進微生物的生長和代謝，從而提高污水的處理效果。在實際應用中，輕質(zhì)陶粒濾料能夠有效截留和吸附污水中的污染物，同時為微生物的生長提供良好的環(huán)境，使得微生物能夠充分發(fā)揮其降解污染物的能力。承托層位于濾料層下方，主要作用是支撐濾料，防止濾料流失和堵塞濾頭，同時保持反沖洗穩(wěn)定進行。本試驗采用鵝卵石作為承托層，其粒徑從上至下依次為5-10mm、10-20mm、20-30mm，厚度分別為100mm、100mm、100mm。這種粒徑和厚度的設計能夠確保承托層具有良好的支撐性能和透水性能，保證濾池的正常運行。在反沖洗過程中，承托層能夠均勻地分布水流和氣流，避免濾料的過度沖刷和流失，同時有效地防止濾頭被堵塞。布水布氣系統(tǒng)是保證曝氣生物濾池正常運行的重要組成部分。布水系統(tǒng)采用濾板和濾頭相結合的方式，濾板位于承托層下方，上面均勻分布著濾頭，濾頭的開孔率和孔徑經(jīng)過精心設計，以確保污水能夠均勻地進入濾料層。在實際運行中，布水系統(tǒng)能夠使污水在濾池橫截面上均勻分布，避免出現(xiàn)水流短路和偏流現(xiàn)象，從而提高污水與微生物的接觸效率，增強處理效果。布氣系統(tǒng)采用鼓風曝氣形式，曝氣管位于承托層內(nèi)，通過在曝氣管上設置小孔，將空氣均勻地輸送到濾池中。曝氣管的布置方式和小孔的孔徑、間距等參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化，以保證空氣能夠均勻地分布在濾料層中，為微生物提供充足的氧氣。在曝氣過程中，氣泡在上升過程中不斷被切割成小泡，加大了氣液接觸面積，提高了氧的利用率；同時，氣泡在上升過程中，由于濾料的阻擋和分割，使氣泡必須經(jīng)過濾料的縫隙，延長了其停留時間，進一步利于氧的傳質(zhì)。附屬設備配置方面，試驗裝置配備了進水蠕動泵，型號為BT100-2J，流量范圍為0.006-399mL/min，能夠精確控制進水流量，確保試驗過程中進水的穩(wěn)定性?？諝鈮嚎s機選用ACO-007型，功率為7W，最大氣量為7L/min，能夠為濾池提供充足的空氣，滿足微生物的好氧需求。在反沖洗系統(tǒng)中，配備了反沖洗水泵，型號為CHL2-20，流量為2m3/h，揚程為20m，能夠提供足夠的反沖洗動力，有效地去除濾料表面增殖的老化微生物膜和截留的懸浮物，恢復濾池的處理能力。為了監(jiān)測濾池的運行參數(shù)，還安裝了溶解氧儀（DO-9600型）、pH計（PHS-3C型）和溫度計（WSS-481型），能夠?qū)崟r監(jiān)測濾池內(nèi)的溶解氧、pH值和溫度，為試驗的順利進行提供數(shù)據(jù)支持。4.1.2試驗水質(zhì)與運行條件試驗用低碳氮比污水采用人工配制的方式獲得，以確保水質(zhì)的穩(wěn)定性和可控性。其水質(zhì)特點為碳氮比（C/N）低，有機物含量少，氮含量相對高。具體水質(zhì)指標如下：化學需氧量（COD）為150-200mg/L，氨氮（NH??-N）含量為40-60mg/L，總氮（TN）含量為50-70mg/L，碳氮比（C/N）約為3。為了模擬實際污水的成分，在配制污水時添加了適量的微量元素，包括硫酸鎂（MgSO??7H?O）0.2g/L、磷酸二氫鉀（KH?PO?）0.025g/L、氯化鈣（CaCl?）0.01g/L、碳酸氫鈉（NaHCO?）1.25g/L等。這些微量元素能夠為微生物的生長提供必要的營養(yǎng)物質(zhì)，維持微生物的正常代謝活動。在運行條件方面，通過前期的預試驗和相關研究資料，確定了以下運行參數(shù)。水力停留時間（HRT）設定為6h，在這個水力停留時間下，污水能夠與微生物充分接觸，使污染物有足夠的時間被微生物降解。若水力停留時間過短，污水中的污染物無法被充分處理，導致出水水質(zhì)不達標；而水力停留時間過長，則會增加運行成本，降低處理效率。氣水比控制在4:1，合適的氣水比能夠保證濾池內(nèi)有充足的溶解氧，滿足微生物的好氧需求，同時避免過度曝氣導致能源浪費和微生物活性受到抑制。溶解氧（DO）濃度維持在1.0-1.5mg/L，這個溶解氧范圍有利于亞硝酸菌的生長，同時抑制硝酸菌的活性，從而實現(xiàn)短程硝化。當溶解氧濃度過高時，硝酸菌的活性會增強，導致亞硝酸鹽氮進一步氧化為硝酸鹽氮，不利于短程硝化的進行；而溶解氧濃度過低時，亞硝酸菌的生長和代謝會受到影響，降低氨氮的氧化速率。溫度控制在25-30℃，在此溫度范圍內(nèi)，亞硝酸菌和反硝化菌的活性較高，能夠高效地進行短程硝化反硝化反應。溫度過高或過低都會影響微生物的酶活性，進而影響微生物的生長和代謝，降低短程生物脫氮的效果。pH值調(diào)節(jié)至7.5-8.5，合適的pH值能夠維持微生物細胞內(nèi)的酸堿平衡，保證酶的活性，促進短程生物脫氮反應的進行。當pH值過高或過低時，會影響微生物的細胞膜結構和酶的活性，抑制微生物的生長和代謝。4.1.3分析測試指標與方法為了全面評估曝氣生物濾池短程生物脫氮的效果，需要對多個指標進行分析測試。主要分析測試指標包括氨氮（NH??-N）、亞硝酸鹽氮（NO??-N）、硝酸鹽氮（NO??-N）、總氮（TN）、化學需氧量（COD）等。氨氮的測定采用納氏試劑比色法。其原理是氨氮與納氏試劑反應生成黃棕色的絡合物，該絡合物的色度與氨氮的含量成正比，可在420nm波長下使用光程長為10mm的比色皿比色測定。具體操作步驟如下：首先，將水樣進行預處理，若水樣中含有懸浮物，需進行過濾或離心處理；若水樣中含有余氯，需加入適量的硫代硫酸鈉溶液去除余氯。然后，取適量的預處理后水樣于50mL比色管中，加入1mL酒石酸鉀鈉溶液，搖勻，再加入1.5mL納氏試劑，搖勻，放置10min后，在420nm波長下，以無氨水為參比，用分光光度計測定吸光度。根據(jù)標準曲線計算水樣中氨氮的含量。該方法的最低檢出濃度為0.025mg/L，測定上限為2mg/L。亞硝酸鹽氮的測定采用鹽酸萘乙二胺比色法。在pH為1.8±0.3時，水中亞硝酸鹽與對氨基苯磺酸生成重氮鹽，再與鹽酸萘乙二胺發(fā)生偶聯(lián)后生成紅色染料，其最大吸收波長為543nm，色度深淺與亞硝酸鹽含量成正比。具體操作過程為：取適量水樣于50mL比色管中，加入1mL對氨基苯磺酸溶液，搖勻，放置3-5min，再加入1mL鹽酸萘乙二胺溶液，搖勻，放置15min后，在543nm波長下，以無亞硝酸鹽的水為參比，用分光光度計測定吸光度。通過標準曲線查得水樣中亞硝酸鹽氮的含量。該方法的檢出限為0.003mg/L，測定上限為0.2mg/L。硝酸鹽氮的測定采用麝香草酚分光光度法。在濃硫酸存在的條件下，硝酸鹽與麝香草酚反應生成硝基酚化合物，在堿性溶液中發(fā)生分子重排，生成黃色化合物，于410nm波長處進行分光光度測定。操作時，先將水樣進行預處理，去除其中的懸浮物和干擾物質(zhì)。然后取適量水樣于50mL比色管中，加入0.1mL硫酸銀溶液，去除水樣中的氯離子。再加入0.5mL麝香草酚乙醇溶液，搖勻，加入5mL濃硫酸，搖勻，冷卻后，加入10mL氨水，搖勻。在410nm波長下，以無硝酸鹽的水為參比，用分光光度計測定吸光度。根據(jù)標準曲線計算硝酸鹽氮的含量。該方法的最低檢出濃度為0.02mg/L，測定上限為2mg/L?？偟臏y定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法。在120-124℃的堿性介質(zhì)條件下，用過硫酸鉀作氧化劑，將水樣中的氨氮和亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽，同時將水樣中的大部分有機氮化合物氧化為硝酸鹽。然后，于波長220nm和275nm處分別測定吸光度，根據(jù)公式計算總氮含量。具體步驟為：取適量水樣于比色管中，加入5mL堿性過硫酸鉀溶液，塞緊管塞，用紗布和棉線扎緊管塞，以防彈出。將比色管置于高壓蒸汽滅菌器中，加熱至120℃，保持30min。冷卻后，加入1mL鹽酸溶液，用無氨水稀釋至標線，搖勻。在220nm和275nm波長下，以無氨水為參比，用分光光度計測定吸光度。該方法的最低檢出濃度為0.05mg/L，測定上限為4mg/L?；瘜W需氧量的測定采用快速密閉催化消解法。在強酸性溶液中，用含有一定量重鉻酸鉀的專用氧化劑，并在催化劑的作用下于165℃恒溫消解水樣，使水中還原性物質(zhì)被氧化，在610nm波長處測定重鉻酸鉀被還原產(chǎn)生的Cr3?的吸光度，根據(jù)吸光度與化學需氧量的線性關系，計算水樣的化學需氧量。操作時，取適量水樣于消解管中，加入一定量的專用氧化劑和催化劑，搖勻。將消解管放入消解器中，在165℃下消解15min。冷卻后，用分光光度計測定吸光度。該方法具有操作簡便、快速、準確等優(yōu)點，測定范圍為30-1000mg/L。為了確保測試結果的準確性和可靠性，所有分析測試均進行平行測定，每個樣品至少測定3次，取平均值作為測定結果。同時，定期對儀器設備進行校準和維護，確保儀器的性能穩(wěn)定。在試驗過程中，嚴格按照標準操作規(guī)程進行操作，減少人為誤差。4.2試驗結果與討論4.2.1系統(tǒng)啟動與短程硝化的實現(xiàn)系統(tǒng)啟動初期，主要目的是使微生物在濾料表面成功掛膜并適應試驗水質(zhì)和運行條件。在啟動階段，向曝氣生物濾池中接種了取自城市污水處理廠二沉池的活性污泥，接種量為濾池有效容積的10%。通過連續(xù)進水和曝氣，為微生物提供生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。在最初的3-5天，由于微生物需要適應新的環(huán)境，氨氮去除率較低，僅為30%-40%，亞硝酸鹽氮積累量也較少。隨著時間的推移，微生物逐漸在濾料表面附著生長，形成了一層薄而均勻的生物膜。從顯微鏡觀察可以看到，生物膜上的微生物種類逐漸豐富，包括細菌、原生動物和后生動物等。在第7-10天，氨氮去除率開始逐漸上升，達到50%-60%，亞硝酸鹽氮積累率也有所提高，達到20%-30%。這表明微生物已經(jīng)開始適應試驗條件，并且部分氨氮被成功氧化為亞硝酸鹽氮。在實現(xiàn)短程硝化的過程中，通過控制溶解氧、溫度和pH值等關鍵因素，創(chuàng)造有利于亞硝酸菌生長的環(huán)境，抑制硝酸菌的活性。將溶解氧濃度控制在1.0-1.5mg/L，這個范圍能夠滿足亞硝酸菌的好氧需求，同時抑制硝酸菌的過度生長。因為硝酸菌對溶解氧的親和力較低，在較低的溶解氧濃度下，其生長和代謝會受到抑制，而亞硝酸菌能夠在這個溶解氧范圍內(nèi)保持較高的活性。溫度控制在25-30℃，在此溫度區(qū)間內(nèi)，亞硝酸菌的酶活性較高，能夠高效地催化氨氮氧化反應。當溫度低于20℃時，亞硝酸菌的活性會受到顯著抑制，氨氮氧化速率降低；而溫度高于35℃時，亞硝酸菌的生長也會受到影響，甚至可能導致菌體失活。pH值調(diào)節(jié)至7.5-8.5，合適的pH值能夠維持亞硝酸菌細胞內(nèi)的酸堿平衡，保證酶的活性。當pH值過低時，會導致亞硝酸菌細胞內(nèi)的酶活性降低，影響其對氨氮的氧化能力；而pH值過高則可能會使亞硝酸菌的細胞膜結構受到破壞，同樣影響其生長和代謝。經(jīng)過大約15-20天的運行，系統(tǒng)成功實現(xiàn)了短程硝化。此時，氨氮去除率穩(wěn)定在80%-90%，亞硝酸鹽氮積累率達到80%-90%，硝酸鹽氮積累量較低，維持在5mg/L以下。從微生物群落結構分析結果來看，亞硝酸菌成為優(yōu)勢菌群，其相對豐度達到70%-80%，而硝酸菌的相對豐度僅為10%-20%。這表明通過對環(huán)境因素的有效控制，成功地抑制了硝酸菌的生長，使亞硝酸菌在競爭中占據(jù)優(yōu)勢，實現(xiàn)了將硝化過程穩(wěn)定控制在亞硝酸鹽階段。在實際運行中，為了維持短程硝化的穩(wěn)定性，需要持續(xù)監(jiān)測和調(diào)控這些關鍵因素，確保系統(tǒng)始終處于有利于短程硝化的運行狀態(tài)。4.2.2影響短程硝化反硝化的因素分析4.2.2.1溫度的影響溫度對短程硝化反硝化過程有著顯著的影響，它主要通過影響微生物的活性和代謝途徑來發(fā)揮作用。在本試驗中，通過設置不同的溫度梯度，研究溫度對短程硝化反硝化效果的影響。將溫度分別控制在15℃、20℃、25℃、30℃和35℃，在其他運行條件相同的情況下，觀察氨氮去除率、亞硝酸鹽氮積累率和總氮去除率的變化。當溫度為15℃時，氨氮去除率僅為50%-60%，亞硝酸鹽氮積累率為40%-50%，總氮去除率為30%-40%。這是因為在較低溫度下，亞硝酸菌和反硝化菌的活性受到抑制。從微生物代謝角度來看，低溫會降低酶的活性，使微生物的代謝速率減慢。亞硝酸菌在將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮的過程中，需要多種酶的參與，如氨單加氧酶（AMO）和羥胺氧化還原酶（HAO）。低溫會使這些酶的活性降低，導致氨氮氧化速率下降，從而影響氨氮去除率和亞硝酸鹽氮積累率。反硝化菌在進行反硝化反應時，同樣需要酶的催化，低溫會抑制反硝化菌的活性，使反硝化反應速率減慢，總氮去除率降低。隨著溫度升高到20℃，氨氮去除率上升到60%-70%，亞硝酸鹽氮積累率提高到50%-60%，總氮去除率達到40%-50%。溫度的升高使得微生物的酶活性有所提高，代謝速率加快，亞硝酸菌和反硝化菌的活性得到一定程度的恢復，從而提高了短程硝化反硝化的效果。當溫度達到25-30℃時，短程硝化反硝化效果最佳。氨氮去除率穩(wěn)定在80%-90%，亞硝酸鹽氮積累率達到80%-90%，總氮去除率為60%-70%。在這個溫度范圍內(nèi)，亞硝酸菌和反硝化菌的酶活性較高，能夠高效地進行氨氮氧化和反硝化反應。亞硝酸菌能夠迅速將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，反硝化菌也能夠充分利用亞硝酸鹽氮進行反硝化脫氮，使總氮去除率顯著提高。然而，當溫度進一步升高到35℃時，氨氮去除率略有下降，為70%-80%，亞硝酸鹽氮積累率也有所降低，為70%-80%，總氮去除率下降到50%-60%。過高的溫度會對微生物產(chǎn)生不利影響，可能導致酶的結構發(fā)生改變，使其活性降低甚至失活。高溫還可能會影響微生物的細胞膜結構和功能，破壞細胞的正常生理代謝，從而降低短程硝化反硝化的效果。4.2.2.2溶解氧的影響溶解氧在短程硝化反硝化過程中起著至關重要的作用，它直接影響著亞硝酸菌和硝酸菌的競爭關系，進而影響亞硝酸鹽的積累和脫氮效率。在本試驗中，通過調(diào)節(jié)曝氣量，將溶解氧濃度分別控制在0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L和2.5mg/L，研究不同溶解氧濃度對短程硝化反硝化的影響。當溶解氧濃度為0.5mg/L時，氨氮去除率較低，僅為40%-50%，亞硝酸鹽氮積累率為30%-40%。這是因為溶解氧不足，亞硝酸菌無法獲得足夠的氧氣進行氨氮氧化反應。從微生物代謝角度來看，亞硝酸菌是好氧微生物，其代謝過程需要氧氣參與。在低溶解氧條件下，亞硝酸菌的有氧呼吸受到抑制，能量供應不足，導致氨氮氧化速率減慢，氨氮去除率和亞硝酸鹽氮積累率都較低。隨著溶解氧濃度升高到1.0mg/L，氨氮去除率上升到60%-70%，亞硝酸鹽氮積累率提高到50%-60%。此時，溶解氧能夠基本滿足亞硝酸菌的生長需求，亞硝酸菌的活性增強，氨氮氧化速率加快，氨氮去除率和亞硝酸鹽氮積累率都有所提高。當溶解氧濃度為1.0-1.5mg/L時，短程硝化效果最佳。氨氮去除率穩(wěn)定在80%-90%，亞硝酸鹽氮積累率達到80%-90%。在這個溶解氧范圍內(nèi)，亞硝酸菌能夠充分利用氧氣進行氨氮氧化反應，將氨氮高效地轉化為亞硝酸鹽氮。同時，較低的溶解氧濃度對硝酸菌具有一定的抑制作用。硝酸菌對溶解氧的親和力較低，在1.0-1.5mg/L的溶解氧濃度下，硝酸菌的生長和代謝受到抑制，其將亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮的能力減弱，從而有利于亞硝酸鹽氮的積累，實現(xiàn)短程硝化。當溶解氧濃度升高到2.0mg/L時，氨氮去除率仍能維持在70%-80%，但亞硝酸鹽氮積累率開始下降，為60%-70%。這是因為較高的溶解氧濃度有利于硝酸菌的生長，硝酸菌的活性增強，開始將更多的亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮，導致亞硝酸鹽氮積累率降低，短程硝化效果受到影響。當溶解氧濃度進一步升高到2.5mg/L時，亞硝酸鹽氮積累率進一步下降，為40%-50%，總氮去除率也有所降低。此時，硝酸菌在競爭中占據(jù)優(yōu)勢，硝化過程逐漸向全程硝化轉變，亞硝酸鹽氮大量被氧化為硝酸鹽氮，不利于短程硝化反硝化的進行，總氮去除率也隨之下降。4.2.2.3游離氨的影響游離氨（FA）對短程硝化反硝化具有重要影響，其濃度變化會對亞硝酸菌和硝酸菌的活性產(chǎn)生不同程度的抑制或促進作用。在本試驗中，通過調(diào)節(jié)進水氨氮濃度和pH值，控制游離氨濃度在不同水平，研究其對短程硝化反硝化的影響規(guī)律。當游離氨濃度較低，在0.01-0.1mg/L時，對亞硝酸菌和硝酸菌的影響較小。氨氮去除率和亞硝酸鹽氮積累率相對穩(wěn)定，分別維持在70%-80%和60%-70%左右。這是因為在這個濃度范圍內(nèi)，游離氨對亞硝酸菌和硝酸菌的活性影響不明顯，微生物能夠正常進行代謝活動，氨氮氧化和亞硝酸鹽氮的積累過程基本不受干擾。隨著游離氨濃度升高到0.1-1.0mg/L，對硝酸菌的抑制作用逐漸顯現(xiàn)。亞硝酸鹽氮積累率開始上升，達到70%-80%，氨氮去除率也有所提高，穩(wěn)定在80%-90%。這是因為硝酸菌對游離氨更為敏感，較高濃度的游離氨會抑制硝酸菌的活性，使其將亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮的能力下降。而亞硝酸菌對游離氨的耐受性相對較強，在這個濃度范圍內(nèi)，其活性受到的影響較小，仍然能夠有效地將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，從而有利于亞硝酸鹽氮的積累，實現(xiàn)短程硝化。當游離氨濃度進一步升高到1.0-10mg/L時，雖然對硝酸菌的抑制作用增強，但亞硝酸菌的活性也開始受到抑制。氨氮去除率和亞硝酸鹽氮積累率都出現(xiàn)下降趨勢，氨氮去除率降至60%-70%，亞硝酸鹽氮積累率降至50%-60%。過高濃度的游離氨會對亞硝酸菌的細胞膜和酶系統(tǒng)產(chǎn)生損害，影響其正常的生理代謝功能，導致氨氮氧化速率下降，亞硝酸鹽氮積累減少。當游離氨濃度超過10mg/L時，亞硝酸菌和硝酸菌的活性均受到嚴重抑制。氨氮去除率急劇下降，低于50%，亞硝酸鹽氮積累率也大幅降低，低于40%。此時，游離氨的濃度已經(jīng)對微生物產(chǎn)生了毒性作用，微生物的生長和代謝受到極大阻礙，短程硝化反硝化過程難以正常進行。4.2.2.4pH值的影響pH值對短程硝化反硝化過程中微生物的生長和代謝有著重要影響，不同的pH值條件會改變微生物的酶活性、細胞膜結構以及代謝途徑。在本試驗中，通過添加酸堿調(diào)節(jié)劑，將pH值分別控制在6.5、7.0、7.5、8.0和8.5，研究不同pH值對短程硝化反硝化的影響。當pH值為6.5時，氨氮去除率較低，為50%-60%，亞硝酸鹽氮積累率也較低，為30%-40%。這是因為在酸性條件下，亞硝酸菌和反硝化菌的活性受到抑制。從微生物生理角度來看，pH值過低會導致微生物細胞內(nèi)的酶活性降低，影響其對底物的親和力和催化能力。亞硝酸菌在將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮的過程中，需要多種酶的參與，酸性條件會使這些酶的活性下降，從而降低氨氮氧化速率，影響氨氮去除率和亞硝酸鹽氮積累率。反硝化菌在進行反硝化反應時，也需要適宜的pH值環(huán)境來維持其酶活性和代謝功能，酸性條件會抑制反硝化菌的活性，使反硝化反應速率減慢，總氮去除率降低。隨著pH值升高到7.0，氨氮去除率上升到60%-70%，亞硝酸鹽氮積累率提高到40%-50%。pH值的升高使得微生物的酶活性有所恢復，亞硝酸菌和反硝化菌的活性得到一定程度的增強，從而提高了短程硝化反硝化的效果。當pH值為7.5-8.5時，短程硝化反硝化效果最佳。氨氮去除率穩(wěn)定在80%-90%，亞硝酸鹽氮積累率達到80%-90%，總氮去除率為60%-70%。在這個pH值范圍內(nèi)，微生物細胞內(nèi)的酸堿平衡能夠得到較好的維持，酶活性較高，能夠高效地進行氨氮氧化和反硝化反應。亞硝酸菌能夠充分發(fā)揮其將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮的能力，反硝化菌也能夠有效地利用亞硝酸鹽氮進行反硝化脫氮，使總氮去除率顯著提高。當pH值升高到9.0時，氨氮去除率和亞硝酸鹽氮積累率開始下降。氨氮去除率降至70%-80%，亞硝酸鹽氮積累率降至70%-80%。過高的pH值會對微生物產(chǎn)生不利影響，可能導致細胞膜結構受損，影響微生物對底物的攝取和代謝產(chǎn)物的排出。過高的pH值還可能會使某些酶的結構發(fā)生改變，導致其活性降低，從而影響短程硝化反硝化的效果。4.2.3不同流向曝氣生物濾池性能比較為了探究不同流向曝氣生物濾池在短程生物脫氮中的性能差異，本試驗分別搭建了上向流和下向流曝氣生物濾池，并在相同的水質(zhì)條件和運行參數(shù)下進行對比研究。在上向流曝氣生物濾池中，污水從濾池底部進入，向上流經(jīng)濾料層，與濾料表面的生物膜充分接觸，在上升過程中完成污染物的降解和脫氮過程。下向流曝氣生物濾池則是污水從濾池頂部進入，向下流經(jīng)濾料層。在氨氮去除方面，上向流曝氣生物濾池表現(xiàn)出更好的性能。在相同的運行條件下，上向流曝氣生物濾池的氨氮去除率穩(wěn)定在85%-95%，而下向流曝氣生物濾池的氨氮去除率為75%-85%。這是因為上向流曝氣生物濾池中，污水與空氣同向流動，氣水混合更加均勻，能夠為微生物提供更充足的溶解氧，促進氨氮的氧化。同時，上向流的水流方向使得微生物在濾料表面的分布更加合理，底部的微生物能夠優(yōu)先接觸到高濃度的氨氮，充分發(fā)揮其降解能力，隨著水流向上，氨氮濃度逐漸降低，微生物的代謝活動也相應調(diào)整，從而實現(xiàn)高效的氨氮去除。在亞硝酸鹽氮積累方面，上向流曝氣生物濾池同樣具有優(yōu)勢。上向流曝氣生物濾池的亞硝酸鹽氮積累率可達85%-95%，而下向流曝氣生物濾池為75%-85%。上向流曝氣生物濾池的水流方向有利于亞硝酸鹽氮的積累，因為在向上流動的過程中，亞硝酸鹽氮能夠及時被微生物利用，減少了其被進一步氧化為硝酸鹽氮的機會。而下向流曝氣生物濾池中，由于水流自上而下，亞硝酸鹽氮在濾料層中停留時間相對較短，容易被硝酸菌氧化為硝酸鹽氮，導致亞硝酸鹽氮積累率較低。在總氮脫除方面，上向流曝氣生物濾池的總氮去除率為65%-75%，下向流曝氣生物濾池為55%-65%。上向流曝氣生物濾池能夠更好地實現(xiàn)短程硝化反硝化，從而提高總氮脫除效果。上向流的氣水混合方式和水流方向有利于創(chuàng)造缺氧和好氧交替的環(huán)境，促進反硝化反應的進行。在濾料層的不同位置，溶解氧濃度和污染物濃度的分布更加合理，使得反硝化細菌能夠充分利用亞硝酸鹽氮進行反硝化脫氮，而在下向流曝氣生物濾池中，這種缺氧和好氧交替的環(huán)境相對較難形成，反硝化反應的效率較低，導致總氮去除率較低。4.2.4碳源篩選與反硝化效果研究在低碳氮比污水的短程生物脫氮處理中，碳源的選擇至關重要。本試驗對多種碳源進行了篩選，包括紅薯浸泡液、甲醇、乙酸鈉、葡萄糖等。首先對紅薯浸泡液進行了研究，紅薯浸泡液是一種富含糖類、蛋白質(zhì)等有機物的液體，具有來源廣泛、成本低廉的優(yōu)點五、曝氣生物濾池短程生物脫氮工藝優(yōu)化策略5.1基于試驗結果的工藝參數(shù)優(yōu)化根據(jù)試驗結果，對曝氣生物濾池短程生物脫氮工藝的關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，是提高脫氮效率、降低運行成本的關鍵。在眾多工藝參數(shù)中，水力停留時間、氣水比等對脫氮效果有著顯著影響，需要進行精細調(diào)整和優(yōu)化。水力停留時間（HRT）是影響曝氣生物濾池處理效果的重要參數(shù)之一。在本試驗中，通過改變水力停留時間，研究其對氨氮去除率、亞硝酸鹽氮積累率和總氮去除率的影響。當水力停留時間過短時，污水與微生物的接觸時間不足，污染物無法充分被降解和轉化，導致氨氮去除率和亞硝酸鹽氮積累率降低，總氮去除效果不佳。在水力停留時間為3h時，氨氮去除率僅為60%左右，亞硝酸鹽氮積累率為40%左右，總氮去除率為30%左右。這是因為在較短的水力停留時間下，氨氮無法被亞硝酸菌充分氧化為亞硝酸鹽氮，反硝化細菌也沒有足夠的時間利用亞硝酸鹽氮進行反硝化脫氮。隨著水力停留時間延長到6h，氨氮去除率提高到80%-90%，亞硝酸鹽氮積累率達到80%-90%，總氮去除率為60%-70%。此時，污水與微生物有了足夠的接觸時間，亞硝酸菌能夠?qū)钡咝У匮趸癁閬喯跛猁}氮，反硝化細菌也能充分利用亞硝酸鹽氮進行反硝化反應，從而提高了脫氮效果。然而，當水力停留時間進一步延長到9h時，氨氮去除率和亞硝酸鹽氮積累率雖略有增加，但總氮去除率基本保持不變，且運行成本顯著增加。這是因為過長的水力停留時間會導致微生物的內(nèi)源呼吸加劇，微生物自身消耗增加，同時也會增加曝氣能耗和設備占地面積，降低了處理效率和經(jīng)濟效益。綜合考慮脫氮效果和運行成本，確定最佳水力停留時間為6h。在實際工程應用中，可根據(jù)進水水質(zhì)和處理要求的變化，對水力停留時間進行適當調(diào)整，以確保系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。氣水比是影響曝氣生物濾池溶解氧供應和微生物代謝環(huán)境的關鍵參數(shù)。在本試驗中，通過調(diào)節(jié)曝氣量，改變氣水比，研究其對短程硝化反硝化的影響。當氣水比過低時，如氣水比為2:1，濾池內(nèi)溶解氧不足，亞硝酸菌無法獲得足夠的氧氣進行氨氮氧化反應，導致氨氮去除率和亞硝酸鹽氮積累率較低，分別為50%-60%和30%-40%。這是因為溶解氧不足會抑制亞硝酸菌的有氧呼吸，使其能量供應不足，代謝速率減慢。隨著氣水比增加到4:1，溶解氧濃度升高到1.0-1.5mg/L，氨氮去除率上升到80%-90%，亞硝酸鹽氮積累率提高到80%-90%。在這個氣水比下，溶解氧能夠滿足亞硝酸菌的生長需求，同時較低的溶解氧濃度對硝酸菌具有抑制作用，有利于亞硝酸菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，實現(xiàn)短程硝化。當氣水比繼續(xù)增加到6:1時，溶解氧濃度過高，達到2.0-2.5mg/L，硝酸菌的活性增強，開始將更多的亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮，導致亞硝酸鹽氮積累率下降，為60%-70%，總氮去除率也有所降低。這是因為過高的溶解氧濃度打破了亞硝酸菌和硝酸菌的生長競爭平衡，使硝酸菌在競爭中占據(jù)優(yōu)勢，硝化過程逐漸向全程硝化轉變，不利于短程硝化反硝化的進行。綜合考慮脫氮效果和能耗，確定最佳氣水比為4:1。在實際運行中，可根據(jù)水質(zhì)、水量的變化以及季節(jié)的不同，實時調(diào)整氣水比，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和高效脫氮。例如，在夏季水溫較高時，微生物活性較強，可適當降低氣水比；而在冬季水溫較低時，可適當提高氣水比，以滿足微生物的需氧要求。5.2新型濾料與微生物強化技術應用新型濾料的研發(fā)和應用為曝氣生物濾池短程生物脫氮性能的提升開辟了新途徑。新型濾料通常具有獨特的物理和化學性質(zhì)，相較于傳統(tǒng)濾料，展現(xiàn)出更為卓越的性能優(yōu)勢。例如，火山巖生物濾料以其較大的比表面積脫穎而出，一般可達5-20×10?cm2/g，是陶粒濾料比表面積（0.5×10?cm2/g）的幾十倍。這種大比表面積使得火山巖生物濾料能夠承擔更多的生物負荷，為微生物提供了豐富的附著位點，促進了微生物的大量生長和繁殖。其表面粗糙的特性也有利于生物掛膜，微生物更容易在其表面固定和生長，形成穩(wěn)定的生物膜結構。而且，火山巖生物濾料在生產(chǎn)過程中無需添加化學藥劑，屬于天然產(chǎn)物，其生產(chǎn)工藝主要為破碎、篩分，這使得它更適宜微生物的生存和繁衍，能夠為微生物提供一個自然、無污染的生長環(huán)境。在實際應用中，使用火山巖生物濾料的曝氣生物濾池，微生物附著量明顯增加，生物膜的活性和穩(wěn)定性也得到顯著提高，從而有效提升了短程生物脫氮效果，氨氮去除率和總氮去除率都有明顯提升。硫自養(yǎng)濾料是另一種具有獨特優(yōu)勢的新型濾料。其工作原理基于硫自養(yǎng)微生物的代謝特性，在缺氧條件下，硫自養(yǎng)微生物以硫或硫化物作為電子供體，將污水中的硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原為氮氣，從而實現(xiàn)高效脫氮。硫自養(yǎng)濾料具有良好的生物親和性，能夠為硫自養(yǎng)反硝化菌提供理想的附著和生長環(huán)境，促進微生物在其表面迅速繁殖，形成穩(wěn)定的生物膜。在反硝化過程中，硫自養(yǎng)微生物產(chǎn)生的硫酸鹽等副產(chǎn)物還可以作為資源回收利用，進一步提高了技術的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。與傳統(tǒng)生物脫氮技術相比，硫自養(yǎng)濾料無需外加有機碳源，避免了因使用有機物質(zhì)可能帶來的二次污染風險，同時減少了污泥的產(chǎn)生，降低了污泥處理的難度和成本。在處理化工廢水時，硫自養(yǎng)濾料能夠有效去除廢水中的氮化物，同時降解有機物，提高廢水的可生化性，展現(xiàn)出良好的應用效果。微生物強化技術是提高曝氣生物濾池短程生物脫氮效率的另一重要手段。投加優(yōu)勢菌種是微生物強化技術的常見方式之一。通過篩選和培養(yǎng)具有高效脫氮能力的亞硝酸菌和反硝化菌，并將其投加到曝氣生物濾池中，可以迅速增加優(yōu)勢菌種的數(shù)量，提高微生物群落的脫氮能力。在實驗室研究中，從污水處理廠的活性污泥中篩選出了一株高效亞硝酸菌，將其投加到曝氣生物濾池中后，氨氮去除率在短時間內(nèi)提高了10%-20%，亞硝酸鹽氮積累率也得到了顯著提升。投加的優(yōu)勢反硝化菌能夠增強反硝化能力，提高總氮去除率。在實際應用中，投加優(yōu)勢菌種需要注意菌種的適應性和存活能力。要確保投加的菌種能夠在曝氣生物濾池的環(huán)境中快速適應并穩(wěn)定生長，避免因環(huán)境不適導致菌種失活或無法有效發(fā)揮作用。還需要考慮投加的時機和劑量，根據(jù)曝氣生物濾池的運行狀態(tài)和水質(zhì)情況，合理確定投加的時間和菌種數(shù)量，以達到最佳的強化效果。除了投加優(yōu)勢菌種，還可以通過添加微生物制劑來強化微生物的代