氮能引起水環(huán)境的富營養(yǎng)化，因此在含氮廢水排入水體以前必須進行脫氮。常規(guī)的含氮廢水處理方法是進行生物硝化反硝化，但在有機碳源較低時必須投加甲醇或乙醇等外加碳源才能進行有效的異養(yǎng)反硝化。最近一些國外學者在處理高氨氮廢水時發(fā)現(xiàn)，在低溶解氧(DO為1mg/L左右)條件下某些微生物能不消耗有機物而進行脫氮，例如用生物轉(zhuǎn)盤法處理經(jīng)化學混凝(絮凝)的填埋場滲濾液(DOC為20mg/L,NH4+-N為100～400mg/L)時有60%的氮流失，而這不可能是異養(yǎng)反硝化的結(jié)果，故把此現(xiàn)象叫做好氧反硝化或氧受限制的反硝化，也有人稱其為好氧脫氨,屬于自養(yǎng)反硝化類型的一種。對于氨氮較低的地表水處理，國內(nèi)外尚未有好氧反硝化現(xiàn)象的報道。
含氮廢水處理：（1）中試概況
采用三級淹沒式生物濾池對永定河水進行處理流程見圖1。
圖1可見，濾池(柱)高均為3m，柱直徑為20cm。濾池Ⅰ、Ⅱ的濾料層凈高為1.2m，濾池Ⅲ的濾料層凈高為1.5m(開始運行時為1.5m)。濾池中的填料均為陶粒(粒徑為2～5mm)，濾池Ⅰ、Ⅱ內(nèi)不曝氣，而濾池Ⅲ內(nèi)進行曝氣。濾池Ⅱ頂部密封，但在柱頂部側(cè)面設有數(shù)個開口(通過閥門可以調(diào)節(jié)開、閉程度)以調(diào)節(jié)濾池Ⅱ內(nèi)DO濃度(維持在1mg/L左右)。
試驗從夏天開始，通水掛膜約4周后對高錳酸鹽指數(shù)的去除率為28%，對NH4+-N的去除率為60%,可以認為生物膜已基本成熟，經(jīng)數(shù)日運行后認為系統(tǒng)已進入穩(wěn)定狀態(tài)。不同水力負荷和不同氣水比的試驗結(jié)果見表1～3。
從3組試驗結(jié)果可以看出，在濾池Ⅱ內(nèi)(DO為0.6～1mg/L)有較多氮的流失，而有機碳(COD)卻沒有明顯變化，估計所發(fā)生氮的流失是自養(yǎng)菌引起的。在濾池Ⅲ內(nèi)也有少量氮的流失，這是因為其底部進水端仍存在一定的缺氧區(qū)，也發(fā)生了自養(yǎng)反硝化，同時可以看到氣水比越大，濾池Ⅲ內(nèi)氮的流失越少，這可能是通氣量大時減少了濾池Ⅲ內(nèi)的缺氧區(qū)，因而好氧反硝化受到較多抑制的緣故。
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表 1 水力負荷為 5m3/ （ m2·h) 時的運行結(jié)果 | ||||
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項目 |
原水 |
濾池Ⅰ出水 |
濾池Ⅱ出水 |
濾池Ⅲ出水 |
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高錳酸鹽指數(shù) (mg/L) |
6.6 |
5.3 |
5.3 |
4.6 |
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UV254(1/cm) |
0.203 |
0.184 |
0.169 |
0.155 |
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DO(mg/L) |
3.4 |
1.0(1.3) |
0.7 |
2.6 |
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NH4+-N(mg/L) |
3.9 |
3.0 |
2.0 |
0.5 |
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NO2-N(mg/L) |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
0.1 |
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NO3-N(mg/L) |
0.7 |
1.3 |
1.3 |
2.8 |
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無機氮總和 (mg/L) |
4.8 |
4.5 |
3.5 |
3.4 |
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注： (() 內(nèi)數(shù)據(jù)為濾池Ⅱ進水的實際 DO 值；濾池Ⅲ的氣水比為 1 ∶ 1 。 | ||||
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表 2 水力負荷為 6m3/m2·h 時的運行結(jié)果 | ||||||
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項目 |
原水 |
濾池Ⅰ出水 |
濾池Ⅱ出水 |
濾池Ⅲ出水 |
濾池Ⅲ出水 |
濾池Ⅲ出水 |
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高錳酸鹽指數(shù) (mg/L) |
6.9 |
6.1 |
6.1 |
5.3 |
5.2 |
5.2 |
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UV254(1/cm) |
0.136 |
0.120 |
0.118 |
0.101 |
0.097 |
0.097 |
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DO(mg/L) |
3.4 |
1.0(1.3) |
0.7 |
2.5 |
3.1 |
3.6 |
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NH4+-N(mg/L) |
2.81 |
1.12 |
0.52 |
0.2 |
0.2 |
0.1 |
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NO2-N(mg/L) |
0.53 |
1.24 |
1.21 |
0.15 |
0.1 |
0.05 |
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NO3-N(mg/L) |
1.04 |
2.02 |
1.98 |
3 |
3.06 |
3.26 |
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無機氮總和 (mg/L) |
4.38 |
4.38 |
3.71 |
3.35 |
3.36 |
3.41 |
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注： () 內(nèi)數(shù)據(jù)為濾池Ⅱ進水的實際 DO 值；濾池Ⅲ的氣水比從左到右依次為 0.5 ∶ 1 、 1 ∶ 1 和 1.5 ∶ 1 。 | ||||||
目前在好氧或氧供應受限制條件下發(fā)生自養(yǎng)反硝化有兩種假設：
1、由于在絮體或生物膜的氧擴散受限而導致厭氧微環(huán)境的生成。絮體直徑為0.15mm時足以發(fā)生反硝化，而在生物膜厚度達到0.1mm時也能發(fā)生反硝化。亞硝酸鹽在好氧生物膜內(nèi)由Nitrisomonas(亞硝化菌)產(chǎn)生，然后擴散進入?yún)捬鯀^(qū)，發(fā)生相似于ANAMMOX工藝(厭氧氨氧化)的亞硝酸鹽還原和氨氮氧化的偶聯(lián)反應：NH4++O2→NO2-NH4++NO2-→N2。
2、亞硝酸鹽不是由氨氮氧化直接生成，而是由NH2OH產(chǎn)生，其模型示意如下：
根據(jù)此模型，由Nitrisomonas氧化生成的亞硝酸鹽中的67%理論上能還原成N2，這可能是生物轉(zhuǎn)盤中連續(xù)變化的氧化還原電位造成的。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
從中試生物濾池的運行條件和結(jié)果來看，好氧反硝化的機理接近于第一種，因發(fā)現(xiàn)濾池Ⅱ內(nèi)有NO3-N濃度降低的現(xiàn)象，推測可能還存在如下反應：NO3-+NH4+→NO2-。
含氮廢水處理：（2）間歇試驗
進一步通過一組間歇試驗來驗證生物濾池內(nèi)發(fā)生的好氧反硝化現(xiàn)象。先讓裝置停運20h(濾料仍淹沒在水中，可以認為各反應柱中的可生物降解有機物都已耗盡)，然后從濾池Ⅱ中部取一定量的陶粒置于BOD瓶中，放入一定體積的濾池Ⅱ的殘液，向瓶中添加NH4Cl,使NH4+-N濃度約為50mg/L(實際測得NH4+-N為46.6mg/L，NO2-N和NO3-N都為0，高錳酸鹽指數(shù)為5mg/L)。反應1h后測得NH4+-N為42.8mg/L，NO2-N和NO3-N都為0，高錳酸鹽指數(shù)為5mg/L(反應期間的DO為0.6～1.2mg/L)時可以看出同樣也發(fā)生了好氧反硝化。Christine進行的間歇試驗也證明了這一點(取硝化生物轉(zhuǎn)盤上的一些生物膜放在某容器內(nèi)，然后添加NH4+-N使其在容器內(nèi)的濃度為60mg/L，而不添加任何有機碳源，整個反應過程中維持DO在1mg/L,此時能觀察到氨氮的轉(zhuǎn)化率遠遠高于亞硝酸鹽和硝酸鹽累積率之和，而脫氮率可達到40%～50%)。
含氮廢水處理：（3）結(jié)論和建議
對地表水處理中的好氧反硝化進行了研究，并在水力負荷較高的情況下取得了良好的效果(有20%～30%的氮被去除，事實上在水力負荷較低［3m3/(m2•h)］時曾有44%的脫氮率)。由于處理過程中不需添加有機碳，因此具有處理成本低、出水水質(zhì)安全的特點，應進一步從理論上研究好氧反硝化的成因并提高其效率。
