后置生物接觸氧化對氨氮去除的中試研究

郭淑芬

(東莞市水務工程建設運營中心, 廣東 東莞 523000)

隨著城鎮化進程的發展，人們越來越重視水污染問題。政府對地表受納水體水質標準的提升也使污水處理廠面臨著提標改造問題。生物接觸氧化法是生物膜工藝中應用最為廣泛的技術之一，微生物主要以生物膜的形態附著于填料上，還有一部分以生物絮體的形式存在于污水中，其主要利用填料上的生物膜來進行有機物、氨氮等污染物的降解[1]，生物接觸氧化工藝較常見于污水處理工藝段的前中端[2-4]，而在出水后端進行生物接觸氧化系統的提標改造案例較為少見[5]。筆者通過在某凈水廠二沉池后進行生物接觸氧化中試，考察彈性立體填料生物接觸氧化工藝對沉淀后水中氨氮的去除效果，探討后置生物接觸氧化的可行性，為凈水廠提標改造時的工藝選型提供技術支持。

1 試驗部分

1.1 試驗條件

試驗采用由有機玻璃制成的圓柱狀生物接觸氧化反應裝置，尺寸(H×D)為2.3 m×0.6 m，反應區有效水深為2.1 m，有效容積約為600 L。試驗裝置內均勻布置彈性立體填料，填充后填料總比表面積為67 m2/m3，鼓風機通過曝氣頭在裝置底部曝氣，沉淀后水由水泵提升至裝置內。試驗進水采用某污水廠二沉池出水作為試驗進水，試驗期間生物接觸氧化裝置進水水質見表1，BOD5/COD為0.13～0.40，進水可生化降解性一般。

表1 進水水質Tab.1 Quality of inlet water

1.2 試驗方法

2021年4月15日啟動后置生物接觸氧化對氨氮去除的中試，試驗周期為4個月。試驗共分為兩個階段，第一階段考察分析后置生物接觸氧化裝置中彈性立體填料的掛膜啟動過程，控制氣水比約為1.8 ∶1；第二階段穩定運行過程中，控制氣水比約為0.8 ∶1，考察后置生物接觸氧化對氨氮、亞硝酸鹽氮、懸浮物(SS)的去除效果，以及彈性填料沖洗后的重新掛膜運行情況，同時考察氣水比、停留時間等運行參數對去除效果的影響。

根據《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ/T 535—2009),采用納氏試劑分光光度法檢測氨氮；根據《生活飲用水衛生標準檢驗方法》(GB/T 5750—2006)，采用重氮偶合分光光度法檢測亞硝酸鹽氮；根據《水質 懸浮物的測定 重量法》(GB/T 11901—1989)，采用重量法檢測SS。

2 結果與討論

2.1 掛膜啟動

后置生物接觸氧化彈性填料掛膜啟動過程，氨氮去除率的變化如圖1所示。本試驗采用動態培養自然掛膜法[6]，在掛膜過程中，進水氨氮濃度穩定，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，去除率穩步上升，于4月24日開始達到80%以上，出水水質穩定，可認為填料掛膜完成，該過程一共10 d。

一般情況下，自然掛膜法需要的時間更長，但本項目掛膜時間較短，這可能與反應器進行避光處理有關。硝化細菌在避光環境下更易存活[7]，從而大大縮短了填料掛膜時間，以致于在相近條件下，掛膜所需時間比接種污泥法[8]更短。

圖1 掛膜過程進水氨氮濃度與去除率Fig.1 Concentration and removal rate of ammonia nitrogen in biofilm formation

2.2 后置生物接觸氧化對氨氮的去除效果

后置生物接觸氧化裝置對氨氮的去除效果見圖2。穩定運行初期，裝置對氨氮的去除效果出現輕微下降，這可能有曝氣量降低有關。但隨著運行時間的增加，氨氮的去除效果平穩提升，在填料沖洗前，當運行工況穩定和進水水質處于負荷濃度以下時，彈性填料對氨氮的去除效果基本能保持在80%以上，截至7月20日，彈性填料對氨氮的平均去除率為72.3%。

圖2 后置生物接觸氧化對氨氮的去除效果Fig.2 Removal effect of post biological contact oxidation on ammonia nitrogen

同時，在裝置運行的過程中，污泥開始出現沉積。運行初期，污泥濃度的升高有利于增加裝置內生物量從而提升氨氮去除能力；但到了運行后期，污泥濃度超出負荷值時，氨氮去除效果出現較大波動，裝置內形成堵塞，對后期的運行效果造成較大影響。6月19日清洗填料，2 d后填料恢復正常去除能力。

2.2.1進水負荷對氨氮去除的影響

進水氨氮濃度對后置生物接觸氧化的氨氮去除效果的影響見圖3。氨氮去除量與進水氨氮濃度變化呈正相關。在高濃度進水氨氮沖擊下，氨氮的去除量也同步提升，這可能與生物膜的氨氮處理負荷有關。由于二沉池出水氨氮濃度在1.15～5.23 mg/L之間，平均值為3.22 mg/L，其濃度水平決定了生物膜上微生物量，而該微生物量的處理能力基本滿足二沉池出水氨氮含量的波動，這展現了后置生物接觸氧化工藝的優點。相比于污水處理廠進水，二沉池出水氨氮含量的波動性較弱，而生物法的局限性恰好使其難以應對進水氨氮含量的波動，后置生物接觸氧化緩解了這一弊端，從而保證工藝的氨氮處理效果良好穩定。

圖3 進水氨氮濃度對氨氮去除效果的影響Fig.3 Infuence of influent concentration on removal effect of ammonia nitrogen

2.2.2水力停留時間對氨氮去除的影響

進水流量影響水中氨氮在填料的水力停留時間，其對氨氮去除效果的影響見圖4。

圖4 進水流量對氨氮去除效果的影響Fig.4 Influence of inflent flow on removal effect of ammonia nitrogen

試驗中，進水流量控制在0.15～0.4 m3/h，對應的水力停留時間約為30～80 min。期間，當停留時間為80 min左右時，裝置對氨氮的去除率基本保持在高水平。生物膜對氨氮的去除主要靠硝化細菌對氨氮的利用轉化，合適的水力停留時間能有效保證硝化菌對氨氮的轉化效果。因此，工藝設計時，應確保工藝有足夠的水力停留時間，以保證生物接觸氧化對氨氮的去除效果。

2.2.3懸浮物對氨氮去除的影響

不同進出水SS含量下，氨氮去除效果見圖5。運行初期，出水SS有輕微下降，可能懸浮物被填料一部分截留，同時上向流容易產生污泥沉積，沉積的懸浮物會逐步隨著出水被帶出，導致出水SS含量增大。同時，裝置內沉積的懸浮物會導致污泥含量升高，當污泥濃度增加到一定程度時，會使微生物的內源呼吸加劇，產生大量的溶解性微生物代謝產物 (SMP)，SMP的積累會抑制微生物的活性[9]，導致氨氮去除效果下降。6月22日、7月14日、8月8日均出現其他工況穩定的前提下，出水SS異常增加，氨氮去除率突然下降。為有效保證出水水質穩定，應采取相關措施控制后置生物接觸氧化系統中的污泥沉積情況。

圖5 SS對氨氮去除效果的影響Fig.5 Influence of SS on removal effect of ammonia nitrogen

2.2.4氣水比對氨氮去除的影響

穩定運行期間，控制氣水比為0.8，從圖2可知，對比掛膜啟動期間，生物接觸氧化裝置對氨氮的去除率略有下降，這表明氣水比對生物接觸氧化去除氨氮的穩定性有較大影響。同時，曝氣能有效減緩污泥沉積狀況，延長裝置的運行周期。因此，氣水比不宜設定過低，應選取合適的氣水比以適應水質的變化[10]。

穩定運行期間，出水亞硝酸鹽氮的增加量隨氨氮去除量變化趨勢而規律性變化，見圖6。這從本質上反映了生物接觸氧化過程中生物硝化的進程，可能與穩定運行期間氣水比不足有關，亞硝化菌對溶解氧的親和力比氨氧化菌低，低溶解氧會抑制亞硝化菌的生長[11]。梅翔等[12]通過研究發現，當水力停留時間為50 min，氣水比小于1時，易形成亞硝酸鹽積累，與本次試驗現象相符。因此，提高氣水比能有效緩解出水中亞硝酸鹽的積累。

圖6 出水亞硝酸鹽氮與氨氮去除量的變化Fig.6 Change of effluent nitrite nitrogen and removal of ammonia nitrogen

3 結論與建議

后置生物接觸氧化的掛膜啟動方式簡單迅速，可采用動態培養自然掛膜法，掛膜時間為10 d。穩定運行期間，后置生物接觸氧化能有效應對二沉池出水氨氮的波動性，水力停留時間為80 min時，處理效果良好穩定。在后置生物接觸氧化工藝設計時，宜關注以下運行參數：

① 應根據后置生物接觸氧化的氨氮去除效果和運行效益，綜合考慮設計恰當的水力停留時間以滿足運行效果。

② 氣水比偏低易導致后置生物接觸氧化系統產生污泥沉積和亞硝酸鹽氮積累，設計時應選用合適的氣水比以滿足運行需要。

③ 后置生物接觸氧化系統設計時，應考慮填料清洗方案和排泥方案。