同步硝化反硝化脫氮因具有工藝簡單，基建費(fèi)用低，堿度消耗較少等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的青睞，但該工藝存在微環(huán)境調(diào)控困難，對進(jìn)水碳源要求較高的弊端. 在實(shí)際運(yùn)行中，廢水的C/N比差異較大，在單一反應(yīng)器同步生物脫氮工藝中，C/N比過高會增加異養(yǎng)好氧菌的活性及其對水中DO的競爭，抑制硝化細(xì)菌活性，影響硝化效果，甚至引起污泥膨脹. 過低的C/N比又會導(dǎo)致反硝化不完全，脫氮效果受到限制. 頻繁調(diào)整C/N比會增加運(yùn)行費(fèi)用和操作難度. 如何增大反應(yīng)器的C/N比適用范圍，在不調(diào)整碳源的條件下，實(shí)現(xiàn)低C/N比廢水高效脫氮和高C/N比廢水穩(wěn)定脫氮，是目前同步脫氮在應(yīng)用中面臨的難題. BAC以活性炭作生物載體，利用活性炭的多孔結(jié)構(gòu)創(chuàng)造不同的溶解氧條件，為生物多樣性提供可能. 本研究擬采用BAC填料反應(yīng)器處理不同C/N比廢水，與SBR反應(yīng)器運(yùn)行效果比較，考察BAC對廢水同步脫氮效果的影響，以期為推動(dòng)廢水同步脫氮的應(yīng)用提供理論支撐.

 1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

　　實(shí)驗(yàn)采用人工配制廢水，向自來水中加入NH4Cl，配制進(jìn)水NH4+-N質(zhì)量濃度為100~120 mg·L-1，添加KH2PO4補(bǔ)充微生物生長必須的P元素，用NaHCO3調(diào)節(jié)pH至8.0±0.1，以甲醇做外加碳源，通過調(diào)整碳源加入量分別配制進(jìn)水C/N比為3、 5、 8和10.

　　實(shí)驗(yàn)所用污泥經(jīng)馴化后對COD和NH4+-N的去除率均達(dá)到90%以上. BAC培養(yǎng)階段活性污泥由懸浮狀態(tài)逐漸與活性炭接觸附著生長，經(jīng)過20 d左右BAC填料反應(yīng)器對NH4+-N和COD的去除率趨于穩(wěn)定，均達(dá)到90%以上，BAC培養(yǎng)完成. 初始污泥MLSS為3 367 mg·L-1，SV30為20%. 使用柱狀活性炭(granular activated carbon，GAC)，碳粒直徑4 mm，堆積密度600 g·L-1.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行工藝

　　實(shí)驗(yàn)在室溫條件(4月1日~7月6日)(15~27℃)下運(yùn)行，兩反應(yīng)器分別編號SBR反應(yīng)器和BAC反應(yīng)器，活性污泥投加量均為1 L，BAC反應(yīng)器另投加活性炭300 g，兩反應(yīng)器同步運(yùn)行，操作條件相同.

　　反應(yīng)器用有機(jī)玻璃制作，見圖 1. 兩個(gè)反應(yīng)器外形和體積完全相同，高50 cm，內(nèi)徑9 cm，有效容積3L. BAC反應(yīng)器下部安裝孔徑1 mm，間距3 mm的圓形篩板用來承托活性炭. 兩反應(yīng)器均通過安裝在底部的曝氣裝置進(jìn)行曝氣，以空氣流量計(jì)控制曝氣量為0.009 m3·(L·h)-1，各反應(yīng)器初始平均DO質(zhì)量濃度為2～3 mg·L-1，并在底部設(shè)排水口. 實(shí)驗(yàn)采取序批式運(yùn)行方式，單周期12 h，進(jìn)水0.25 h，曝氣8 h，沉淀0.5 h，排水0.25 h，閑置3 h.

圖 1 BAC填料反應(yīng)器裝置示意

1.3 分析方法

　　NH4+-N采用納氏試劑分光光度法; NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法; NO3--N采用麝香草酚分光光度法; COD采用快速消解法; pH由pH-2603酸度計(jì)測定; MLSS按國家環(huán)境保護(hù)局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法測定.

　　反應(yīng)器內(nèi)DO由JPB-607A溶解氧儀測定，在單周期運(yùn)行開始前，將DO測定儀探頭分別埋入各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，讀取同一時(shí)間不同監(jiān)測點(diǎn)的DO質(zhì)量濃度.

　　有機(jī)物脫氮容量按照以下公式計(jì)算:

　　上式中，有機(jī)物脫氮容量為反應(yīng)器中消耗單位量有機(jī)物能夠去除氮素的量(N/COD)，mg·mg-1; 氮的去除量為TN去除量，mg; 有機(jī)物消耗量為COD表示的有機(jī)物去除量，mg.

2 結(jié)果與討論

2.1 BAC對不同C/N比廢水脫氮效果的影響

　　為探究BAC對不同進(jìn)水C/N比廢水同步脫氮帶來的影響，設(shè)計(jì)進(jìn)水C/N比分別為3、 5、 8和10這4個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)，每天兩個(gè)周期，連續(xù)運(yùn)行120個(gè)周期，COD、 TN和NH4+-N去除效果如圖 2所示.

圖 2 不同進(jìn)水C/N條件下各反應(yīng)器污染物去除效果

2.1.1 BAC對低C/N比廢水脫氮效果的影響

　　由圖 2可知，當(dāng)進(jìn)水C/N比為3時(shí)(第1~20周期)，BAC反應(yīng)器TN平均去除率達(dá)44.88%，NH4+-N和COD平均去除率分別保持在96.17%和92.88%; SBR反應(yīng)器TN平均去除率為23.50%，NH4+-N和COD平均去除率分別為95.81%和92.27%. 增加進(jìn)水C/N比為5時(shí)(第21~60周期)，BAC反應(yīng)器TN平均去除率達(dá)58.07%，NH4+-N和COD平均去除率分別保持在93.70%和95.98%; SBR反應(yīng)器TN平均去除率為34.80%，NH4+-N和COD平均去除率分別為95.18%和91.17%. 可以看出，C/N比為3和5時(shí)，兩反應(yīng)器NH4+-N和COD去除率基本相同，但是，BAC反應(yīng)器TN去除效果較SBR反應(yīng)器有明顯提高. 為了分析這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，監(jiān)測了C/N比為5且運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)BAC反應(yīng)器和SBR反應(yīng)器單周期內(nèi)有機(jī)物和氮素的轉(zhuǎn)化過程，如圖 3所示.

圖 3 SBR和BAC反應(yīng)器單周期COD及氮素隨時(shí)間變化曲線

　　由圖 3可知，進(jìn)水NH4+-N質(zhì)量濃度為115.61 mg·L-1，TN質(zhì)量濃度為121.29 mg·L-1. 經(jīng)過1h曝氣后，SBR和BAC反應(yīng)器NH4+-N質(zhì)量濃度分別降至56.22 mg·L-1和39.71 mg·L-1，TN質(zhì)量濃度分別降至85.28 mg·L-1和46.73 mg·L-1. BAC反應(yīng)器內(nèi)NH4+-N和TN的含量明顯低于SBR反應(yīng)器. 分析原因，BAC反應(yīng)器內(nèi)活性炭的微孔結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了缺氧環(huán)境，且活性炭對進(jìn)水有機(jī)物具有吸附作用，這兩點(diǎn)抑制了BAC反應(yīng)器內(nèi)異養(yǎng)好氧菌的生長繁殖及其活性，減少了其對DO的競爭，同時(shí)，BAC填料促使氣水接觸更加充分，因此BAC反應(yīng)器氨氧化更加徹底; 反硝化過程中，反硝化菌利用BAC吸附的碳源和氧化生成的NO2--N和NO3--N在缺氧區(qū)反應(yīng)完成脫氮. 而在SBR反應(yīng)器中，由于DO在污泥絮體中的擴(kuò)散較BAC容易，所以反應(yīng)器處在較高的DO條件下，好氧異養(yǎng)菌占據(jù)優(yōu)勢地位，在消耗有機(jī)物的同時(shí)還與硝化菌爭奪氧，致使SBR反應(yīng)器硝化和反硝化反應(yīng)均受到抑制. 因此曝氣初期BAC反應(yīng)器脫氮效果優(yōu)于SBR. 從反應(yīng)的第2 h開始至反應(yīng)結(jié)束，SBR內(nèi)TN質(zhì)量濃度基本保持不變，BAC反應(yīng)器TN質(zhì)量濃度由44.52 mg·L-1緩慢降至41.15 mg·L-1. 反應(yīng)結(jié)束時(shí)SBR和BAC反應(yīng)器出水NH4+-N質(zhì)量濃度均非常低，去除率分別為99.89%和99.22%，TN去除率分別為19.61%和52.95%，說明兩反應(yīng)器均硝化完全，但由于SBR反應(yīng)器缺乏有機(jī)碳源導(dǎo)致反硝化受阻，而BAC反應(yīng)器中反硝化反應(yīng)進(jìn)行得較為順利，推測原因是活性炭對有機(jī)物的吸附解吸為反硝化提供了部分碳源. 綜上，BAC的加入提高了低C/N比條件下的脫氮效果.

2.1.2 BAC對高C/N比廢水脫氮效果的影響

　　同步脫氮過程中，通常在一定范圍內(nèi)C/N比越高脫氮效果越顯著，但是碳源加入量過多不僅會對TN的去除產(chǎn)生不利影響，而且在可溶解性有機(jī)物含量較高的情況下還容易發(fā)生污泥膨脹.

　　如圖 2，當(dāng)進(jìn)水C/N比繼續(xù)提升至8時(shí)(第61~94周期)，BAC反應(yīng)器TN平均去除率達(dá)66.90%，NH4+-N和COD平均去除率分別保持在89.27%和95.86%; SBR反應(yīng)器TN平均去除率為37.45%，NH4+-N和COD平均去除率分別為82.56%和93.41%. 此階段，BAC反應(yīng)器TN去除效果顯著高于SBR反應(yīng)器，NH4+-N去除效果也略高于SBR反應(yīng)器，而COD去除率基本與SBR反應(yīng)器持平. 分析原因，隨著碳源的增加SBR反應(yīng)器中好氧異養(yǎng)菌活性增大并占據(jù)優(yōu)勢地位，消耗了大量的有機(jī)碳，并與硝化菌爭奪氧，抑制了脫氮的順利進(jìn)行; BAC反應(yīng)器中活性炭內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)阻礙了氧的傳遞，抑制了好氧異養(yǎng)菌的生長繁殖，對硝化系統(tǒng)起到了保護(hù)作用. 繼續(xù)提升進(jìn)水C/N比至10時(shí)(第95~120周期)，BAC反應(yīng)器TN平均去除率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，并逐漸穩(wěn)定在63.65%，NH4+-N去除率降低至67%左右，COD去除率仍保持在95.86%. 而SBR反應(yīng)器在進(jìn)水C/N比增加的第3個(gè)周期時(shí)便出現(xiàn)了嚴(yán)重的污泥膨脹，SV30由20%增至80%，出水水質(zhì)變差，NH4+-N、 TN和COD去除率均出現(xiàn)明顯下降. 這與已報(bào)道的，污水中懸浮固體少，溶解性和易降解的有機(jī)物組分較多時(shí)容易發(fā)生非絲狀菌性污泥膨脹的研究結(jié)果相符. 引起這一現(xiàn)象的原因是過高的污泥負(fù)荷使細(xì)菌攝取了大量營養(yǎng)物，高粘性多糖類物質(zhì)大量積累，污泥中結(jié)合水異常增多，從而引起污泥膨脹. 取消進(jìn)水碳源運(yùn)行數(shù)天后SBR反應(yīng)器脫氮能力逐漸恢復(fù)，污泥膨脹得到解決. 而BAC反應(yīng)器中活性炭對有機(jī)物的吸附減少了細(xì)菌對營養(yǎng)物質(zhì)的攝取，另外活性炭的加入避免了微生物的粘黏，因此BAC反應(yīng)器在高C/N比高DO條件下仍可以保持脫氮的穩(wěn)定運(yùn)行.

2.2 廢水脫氮過程中BAC作用分析

　　綜上，BAC反應(yīng)器不僅在低C/N條件下(C/N=3、 C/N=5)可以實(shí)現(xiàn)較好的脫氮效果，而且，在高C/N比條件下(C/N=8、 C/N=10)BAC反應(yīng)器還能有效避免碳源過多引起的污泥膨脹，實(shí)現(xiàn)了脫氮的穩(wěn)定運(yùn)行. 前面的分析認(rèn)為，BAC的加入對同步脫氮的影響主要有兩個(gè)方面: ①BAC為微生物提供了多樣的DO環(huán)境; ②BAC對進(jìn)水中有機(jī)物的吸附/解吸作用為脫氮提供了穩(wěn)定的碳源條件. 為了驗(yàn)證以上推論，開展了以下實(shí)驗(yàn)研究.

2.2.1 BAC反應(yīng)器DO分布測定

　　為了驗(yàn)證分析①，測定了C/N比為5時(shí)兩反應(yīng)器單周期內(nèi)DO分布情況，見圖 4. 經(jīng)測定，BAC反應(yīng)器上部水體中平均DO為3.64 mg·L-1，活性炭填料層與水體接觸面平均DO為2.57 mg·L-1，活性炭填料層內(nèi)部平均DO為0.68 mg·L-1; SBR由于混合均勻，因此選取SBR反應(yīng)器中部為監(jiān)測點(diǎn)，結(jié)果顯示該監(jiān)測點(diǎn)平均DO質(zhì)量濃度為3.74 mg·L-1. 與BAC反應(yīng)器上部水體中(圖 4中曲線a)DO質(zhì)量濃度基本相同. 其原因是: BAC反應(yīng)器中活性炭的堆積，共生微生物的附著，以及活性炭豐富的微孔結(jié)構(gòu)，使DO由水體擴(kuò)散至活性炭填料層內(nèi)時(shí)形成氧質(zhì)量濃度梯度，為硝化和反硝化的實(shí)現(xiàn)提供了各自所需要的場所; 而SBR反應(yīng)器中DO在活性污泥混合液中擴(kuò)散較容易，張可方等研究表明反應(yīng)器內(nèi)部DO環(huán)境整體處于較高的水平，缺氧環(huán)境受限，反硝化受到抑制.

圖 4 BAC反應(yīng)器和SBR內(nèi)DO分布

　　由此說明，活性炭的加入在同一反應(yīng)器中創(chuàng)造了不同的DO環(huán)境，為同步硝化反硝化脫氮提供了更加適宜的條件.

2.2.2 BAC吸附/解吸有機(jī)物

　　為了驗(yàn)證分析②，設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn): 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后(120周期)，從BAC反應(yīng)器中取出100 g活性炭，加入1 L自來水中，加以攪拌，間隔取樣，測定水體中COD的質(zhì)量濃度，確定BAC反應(yīng)器中有機(jī)物是否發(fā)生了解吸，監(jiān)測結(jié)果如圖 5所示. 從中可知，在進(jìn)水無外加碳源的情況下，隨著攪拌的進(jìn)行，水中COD質(zhì)量濃度緩慢上升后達(dá)到平衡，平衡時(shí)水中COD質(zhì)量濃度達(dá)127.56 mg·L-1. 由此說明BAC對水中有機(jī)物存在吸附作用，且吸附的有機(jī)物在水中碳源缺乏的情況下會得到解吸.

圖 5 BAC有機(jī)物解吸

　　由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，BAC在同步脫氮的過程中，不僅為硝化菌、 反硝化菌提供了好氧、 缺氧環(huán)境，而且其對碳源的吸附/解吸作用保證了反應(yīng)器的脫氮效果. 低C/N比條件下，BAC吸附的有機(jī)物得到解吸，有利于反硝化的進(jìn)行，為同步脫氮提供了保障; 當(dāng)進(jìn)水C/N比過高時(shí)，BAC對有機(jī)碳源的吸附減輕了微生物的有機(jī)負(fù)荷，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

2.3 有機(jī)物脫氮容量比較

　　有機(jī)物脫氮容量指生物脫氮反應(yīng)結(jié)束時(shí)，氮的去除量與反應(yīng)器中有機(jī)物的消耗量之比. 碳源在生物脫氮系統(tǒng)中的作用有3點(diǎn): 其一為反硝化脫氮的電子供體; 其二用于微生物的生長; 其三用于脫氧. 由于理論上單位質(zhì)量有機(jī)物可去除的氮素為定值，因此在反應(yīng)器中碳源用于脫氮的比重越大，有機(jī)物脫氮容量越大，表明反應(yīng)器脫氮能力越強(qiáng). 通過對有機(jī)物脫氮容量的分析，可以更加直觀地了解反應(yīng)器脫氮能力.

　　SBR反應(yīng)器與BAC反應(yīng)器各階段進(jìn)水水質(zhì)相同，根據(jù)公式(1)計(jì)算不同C/N比條件下兩反應(yīng)器的有機(jī)物脫氮容量，計(jì)算結(jié)果見表 1.

　　表 1 有機(jī)物脫氮容量

 　　由表 1，隨著進(jìn)水C/N比的提高，SBR與BAC反應(yīng)器有機(jī)物脫氮容量均有所減小，說明碳源加入量越大，反應(yīng)器去除的有機(jī)物中用于脫氮的比重越小. 其原因是: 增加進(jìn)水有機(jī)物質(zhì)量濃度只能增加有機(jī)物去除量，去除一定量氮素所消耗的有機(jī)物量是一個(gè)定值，有機(jī)物用于脫氮的比重必定隨之減小; 另外，在曝氣條件下隨著進(jìn)水C/N的增加，異養(yǎng)好氧菌活性逐漸增大，有機(jī)物更容易被好氧異養(yǎng)菌消耗，進(jìn)一步減小了有機(jī)物用于脫氮的比重. 比較不同C/N比條件下，SBR與BAC兩反應(yīng)器的有機(jī)物脫氮容量可知，BAC反應(yīng)器有機(jī)物脫氮容量遠(yuǎn)高于SBR反應(yīng)器，說明BAC反應(yīng)器提高了有機(jī)物用于脫氮的比重，其原因是活性炭對有機(jī)物的吸附解吸作用為反硝化提供了部分碳源，且BAC內(nèi)部存在好氧和厭氧區(qū)，異養(yǎng)好氧菌生長及活性受到抑制，從而減少了異養(yǎng)好氧菌消耗的有機(jī)物量，更多的有機(jī)物被用于生物脫氮. BAC反應(yīng)器較高的有機(jī)物脫氮容量表明BAC的加入提高了有機(jī)物用于脫氮的比重，BAC反應(yīng)器可以更有效地利用已有碳源充分進(jìn)行脫氮.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1) 在低C/N比條件下，BAC反應(yīng)器中活性炭對有機(jī)物的吸附解吸作用，為反硝化提供了部分碳源，提高了低C/N比條件下的脫氮效果.

　　(2) 進(jìn)水C/N比較高的情況下，BAC反應(yīng)器中活性炭的加入抑制了好氧異養(yǎng)菌的生長繁殖，對硝化系統(tǒng)起到保護(hù)作用.

　　(3) BAC在廢水同步脫氮的過程中，不僅為硝化菌、 反硝化菌提供了好氧、 缺氧環(huán)境，而且為反硝化反應(yīng)提供了碳源的貯存場所，有助于同步脫氮的進(jìn)行.

　　(4) BAC的加入提高了有機(jī)物的脫氮容量，擴(kuò)大了反應(yīng)器同步硝化反硝化脫氮的廢水C/N比適用范圍.