流化床填料在生物脫氮工藝中的利用研究

吳金

摘要 試驗使用一種新型流化床載體填料，研究表明運行效果良好。新型流化床填料投加率為30%、水力停留時間為7 h時，DO在1.5～2.0 mg/L范圍內，可以作為流化床生物膜反應器最佳氮磷去除的控制參數。新型流化床填料對本試驗模擬廢水中有機物及氨氮具有良好的去除效果，COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分別為83.1%、93.8%、67.7%和57.1%。

關鍵詞 流化床；填料；生物脫氮；廢水處理

中圖分類號 X703.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）23-0175-02

生物流化床（biological fluidized beds，BFBs）廢水處理技術是20世紀70年代初期由美國首先開始進行研究和應用的，它以生物膜法為基礎，吸取了化工操作中的流態化技術，形成了一種高效的廢水處理工藝，是生物膜法的重要突破[1]。

以砂、活性炭、焦炭、陶粒、沸石、磁環、玻璃珠、多孔球等一類較小惰性顆粒為載體，微生物棲息于載體表面，形成薄層。生物膜廢水或廢水和空氣的混合液由下而上以一定的速度通過床層，使載體流化，污染物在與懸浮相生物和附著相生物的不斷接觸中得以降解。從原理上講，生物流化床通過載體表面的生物膜發揮去除作用，但在反應器內部生物膜隨載體顆粒在水中呈懸浮態。因此，生物流化床同時具備懸浮生長法的一些特征，是一類既具有固定生長法特征又有懸浮生長法特征的反應器，克服了固定床生物膜法中固定床操作存在的易堵塞問題[2-3]。

目前，阻礙該技術實用化和工業化的主要問題是高效的固定化反應器及運行方式、生物相容性載體的使用壽命及物理特性、高效且有競爭力的微生物種群的選擇[4]。本文試驗使用一種新型流化床載體填料，研究表明運行效果良好。

1 材料與方法

1.1 載體填料的形式結構與特性

本工藝設計用的新型流化床載體填料為一種有機高分子聚合物材料，具有如海綿一樣疏松多孔的立體結構，比表面積大（9 100 m2/m3），粒料尺寸結構均一（10 mm×10 mm×10 mm），無生物毒性，不易生物降解，具有較高的生物親和性和親水性，同時抗磨損性能強。因載體濕密度略小于水，投入水中后的初期多為漂浮狀態，隨著生物量的逐漸附著生長，其整體密度變得略大于水而逐漸變為懸浮或下沉狀態，極易隨著水體的流動而呈現流化狀態。新型流化床載體填料外觀及其在反應槽內狀態見圖1。

填裝密度在此是指填料載體在反應器中所占的體積比例，本次采用30%的體積比來投加，此時反應器中的填料載體的比表面積約占3.03 m3/L。

1.2 工藝流程

本工藝為常規活性污泥處理工藝，進水原水為含氮廢水，原水呈堿性，經過pH值調節后進入混凝沉淀，沉淀出水進入生物流化床反應槽，最終進入二沉池沉淀后清水外排至監測點。系統采用PLC實現電氣全自動化控制，通過溶氧儀檢測水中溶氧量，控制供氧鼓風機的啟停。工藝流程圖見圖2。

1.3 活性污泥的培養與馴化

通過接種生活污水處理廠的剩余污泥來縮短污泥的培養周期，因工廠生產工藝原因，排入本設備原水有其特殊性，進水有機底物含量相對較低，而氮素含量相對偏高，磷含量較少，幾乎不含有，所以需要投加適當的有機物及磷酸鹽等營養物質來平衡水體底物濃度，將水中主要底物的含量比控制在適當的范圍之間，同時提高廢水生化性。投加的營養物質主要是葡萄糖和磷酸二氫鉀，用以提高水中BOD5及P含量。系統原水與調整后進水水質見表1。

在污泥的培養過程中，載體填料宜分少量多次投加，每次投加前最好在上一次投加的填料能夠隨著曝氣攪拌進入流化狀態為宜。

1.4 參數設置

①系統總進水量為120 m3/d。②污泥負荷：根據序批式反應器的特點，結合填料載體的優點可以將污泥量控制在4 500 mg/L以上。③pH值：因脫氮工藝中，硝化細菌氧化1 g氨氮大約需要消耗7.14 g的CaCO3堿度，而還原1 g硝態氮，約產生3.57 g CaCO3堿度，所以在脫氮過程中，會消耗一定的堿度，因此要控制反應器中的堿度，將pH值控制在8左右，確保硝化過程中的堿度消耗。④TKN/MLSS：控制在0.02～0.03 kg/（kg·d）。⑤BOD5/TN：>8。⑥溶解氧：溶解氧控制在1.5～2.0 mg/L，可利用溶氧儀通過PLC控制聯動鼓風機的啟停，來實現反應器中溶解氧含量的控制。溶解氧不宜過高，水中溶解氧充足會導致填料中間不易形成厭氧區域。在污泥培養初期，為獲得大量污泥，可適當提高溶氧量；當填料上附有大量活性污泥菌落體，好氧污泥培養成熟，載體附著效果明顯后（圖3），可適當調整供氧量，促使載體填料內部形成厭氧區域（圖4），繁殖厭氧菌群，但供氧量需控制適當，過小容易使整個載體填料上的菌群變成厭氧菌群，致使填料載體整體變成黑色，內部伴有腐臭味。

載體布滿活性污泥菌群停留時間：反應槽有效容積17 m3，停留時間約7 h。

1.5 水質分析方法

COD：重鉻酸鉀法；TN：過硫酸鉀-紫外分光光度法；NH4+-N：納氏試劑光度法；TP：過硫酸鉀氯化亞錫還原光度法[5]。

2 結果與分析

出水水質分析結果如表2所示。試驗結果表明，新型流化床填料對本試驗模擬廢水中有機物及氨氮具有良好的去除效果，pH=7.3條件下，COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分別為83.1%、93.8%、67.7%和57.1%。流化床生物膜反應器填料投加率為30%、水力停留時間為7 h時，DO在1.5～2.0 mg/L范圍內，可以作為MBBR最佳氮磷去除的控制參數。

3 討論

流化床載體的脫氮原理在于生物相附著于載體填料中，通過載體的立面結構使不同位置上附著生長不同的優勢菌種，載體的外表面及近表面可以獲得較多溶解氧而使硝化細菌成為優勢菌種，而隨著載體內部的逐漸深入溶解氧的逐漸消耗，內部形成一個相對密閉的厭氧環境，厭氧反硝化細菌在此成為了優勢菌種，整個載體形成一個共生協作團體，消化細菌通過硝化作用消耗溶解氧為反消化細菌提供厭氧環境，同時生成硝酸鹽傳遞至載體內部，進行反硝化脫氮，整個載體形成一個微型的AO工藝，使得原本在2個反應器中分開進行的反應能夠在一個反應器中完成[6-7]。

反應器中投加載體填料，可提高反應器中的污泥濃度，提高污泥的耐沖擊負荷，生物相附著在載體中生長，不隨反應器的出水而流出，理論上是無限地延長了污泥的泥齡，而生物相附著在載體上，不隨出水流出能保證污泥量，使反應器中保持一個較高的生物污泥量，同時省去的污泥回流環節，節約成本與能源。載體流化床工藝適合污水生物處理工藝，具有良好的COD去處功能的同時具備生物脫氮功能，適用于含氮廢水的脫氮處理。

4 參考文獻

[1] 徐和勝，付融冰，褚衍洋.蘆葦人工濕地對農村生活污水磷素的去除及途徑[J].生態環境，2007，16（5）：1372-1375.

[2] 楊飛.復合式生物滴濾池技術在小城鎮生活污水處理中的應用[J].環境保護與循環經濟，2011，31（2）：59-61.

[3] 桂雙林，王順發，吳永明，等.厭氧—生物滴濾塔—人工濕地組合工藝處理農村生活污水[J].江西科學，2013，31（6）：789-197.

[4] 譚平，馬太玲，趙立欣.ABR-生物滴濾池組合工藝處理農村生活污水[J].環境工程學報，2013，7（9）：3439-3444.

[5] 國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京：中國環境科學出版社，2002.

[6] 王學江，夏四清，陳玲，等.DO對MBBR同步硝化反硝化生物脫氮影響研究[J].同濟大學學報（自然科學版），2006，34（4）：514-518.

[7] 田淼，張永祥，張粲，等.DO與MBBR反應器同步硝化反硝化脫氮關系研究[J].中國水運，2010，10（5）：124-126.