一个新型的去除废水中的有机物和氨氮颗粒污泥序批式反应器

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简介： 在序批式反应器（SBR）中微生物在不同N/COD比率的培养基中培养。结果，显示异养型细菌、硝化细菌和反硝化细菌可以在微生物颗粒中和平共处，然而增加培养基N/COD比率导致颗粒中三种菌种的数量重大变化。在高N/COD比率的培养基驯化提高了颗粒中硝化和反硝化菌种的活性，然而增加培养基的N/COD比率颗粒中的异养菌的数量减少。发现溶解氧[DO]浓度对微生物颗粒反硝化效率有着显著的影响。同时结果也显示提供可靠的混合动力确保在反硝化时液体和颗粒大量的迁移。它可以证明在基于SBR单一颗粒可以高效稳定去除全部的有机物和氮。第一个研究显示微生物颗粒有能力同时去除废水中的有机碳和氮。
关键字：微生物颗粒 N/COD 有机物去除 硝化反应 反硝化反应

　1、介绍

　　随着更严格的环境规定的实施，在废水中氮去除中高级的、经济有效的技术变得越来越来重要了。从废水去除氮的许多改进和方法被发展和实施。基本上，去除氮的那些工艺可以分类为悬浮污泥和固定膜培养。那些悬浮污泥系统有污泥膨胀。大容积的缺点，对负荷冲击很敏感，然而固定膜系统有生物膜相关的堵塞和脱落等等问题。同时由于硝化菌对环境的敏感型以及低生长速率，它非常困难在常规悬浮和固定培养废水处理系统中获得和维持足够的硝化生物量，然而硝化是反硝化的第一步，反硝化是转化亚硝酸盐和硝酸盐为氮气。

　　在污水处理中好氧颗粒是一个最近描述的现象和在积极的调查中潜在的生物代名词。对照常规污水处理系统，颗粒系统有几个优点。例如更大密度和更结实的微生物结构、好的沉淀能力、和高的生物量停留时间，和有能力抵抗高有机负荷率。好氧颗粒技术似乎有潜在的挑战废水氨氮的去除。因此，非常希望混合好氧颗粒有能力同时去除有机碳和氮，因为废水经常存在有机物和氮。完全氮去除包括硝化和反硝化。硝化成的亚硝酸盐和硝酸盐要求通过反硝化生成 氮气。众所周知反硝化是一个厌氧过程，它受到溶解氧[DO]影响。到目前为此，非常少的资料关于微生物颗粒同时去除有机物和氮。因此，本课题主要研究好氧颗粒在不同底物N/COD比率的发展，在单一的颗粒生物反应器同时去除有机物和氮的可行性，以及 [DO]和混合程度对微生物颗粒反硝化效率的影响。

　　2 材料和方法

　　2.1 反应器的建立和运行

　　四个有效容积为2.4L的圆柱（8厘米高，6厘米直径）用作序批式反应器（SBR），和每一个有相同的几何结构。反应器运行了一年多。340天前，反应器1－4（R1至R4）被供应空气流量2.4L/min，相当于表面上升空气速度2.4cm/min。在这个时间里，反应器中的DO浓度超过2.0mg/L。所有反应器运行一个周期为4h，以一个有顺序的方式：4分钟进水，230分钟曝气，2分钟沉淀和4分钟排水。排水端口在圆柱反应器的中部。340天以后，为了观察在不同底物N/COD比率培养的微生物颗粒的反硝化性能，SBR的循环时间增加到6h，即进水4分钟，230分钟曝气，2h厌氧或缺氧阶段，2分钟沉淀，和4分钟排水。做以下三 个试验：⑴342天后，所有反应器的DO浓度降低到0.8mg/L，通过减少空气流量至1.0L/min；⑵350天后，反应器DO进一步降低至0.5 mg/L，通过降低曝气量至0.5L/min；⑶355天后，所有的反应器停止曝气，创造一个无DO的环境。在厌氧或缺氧阶段，在反硝化阶段乙醇作为外加碳源加入反应器，其浓度为600mg/L。

　　2.2 媒介物

　　反应器1－4接种650ml新鲜活性污泥（相当于3000mg/L的悬浮固体），来自于当地市政污水处理厂的污泥。反应器初始生物量浓度为每升2000mg干重。人工底物主要是作为单一碳源的乙醇，氯化铵，重碳酸钠，和其它必要元素。乙醇化学需氧氧量固定为500mg/L,而在R1至R4中氨氮浓度从25变化到150mg/L，各自底物N/COD比率分别为5/100－30/100。为了满足硝化菌生长要求，所有反应器中的重碳酸盐与氨氮的比值保持常数值8.0mg/mg。在人工废水中微量元素在别处可以发现。反应器的pH降低到8.2－7.5的范围。试验温度控制在25℃。

　　2.3 分析方法

　　2.3.1 溶液中氨氮和氮的浓度

　　氨，亚硝酸盐，和硝酸盐浓度用一个流量注射分析器测量（），而COD浓度用标准方法测量。

　　2.3.2 生物种的氧利用率

　　异氧细菌的生物种氧利用率（SOUR）h和氨氮氧化菌及亚硝酸盐氧化菌的氨氮与亚硝酸生物种氧利用率（（SOUR）NH4和（SOUR）NO2），可以通过标准方法进行测量（APHA，1998.）。一定数量颗粒样本用自来水小心洗干净，然后放进干净的BOD瓶。接着，BOD瓶加满预先曝气的营养物和培养基溶液，带有搅拌机置的氧传感的探针立即插入BOD瓶中。间隔15S记录DO的减少量。根据整个过程中DO浓度记录可以计算出生物种的氧利用率。生物量、COD、NH4-N和NO2-N浓度分别保持为500、400、20和20mg/L常数，乙醇、NH4Cl和NaNO2各个培养基确定SOUR）h、（（SOUR）NH4和（SOUR）NO2）。SOUR试验在25℃进行。

　　2.3.3 颗粒的物理性质

　　用激光粒子尺寸分析系统（Malvern Mastersizer series 2600）或者图象分析仪（Quantimner 500 image Analyzer,Lecia Cambridge Insttuments）。悬浮固体（SS）和挥发性悬浮固体（VSS）用标准方法测量（APHA,1998）.

　　3 结果

　　3.1 不同培养基N/COD比率的好氧颗粒

　　接种污泥平均絮状尺寸为90υm。运行20天后，4个反应器的好氧颗粒形成了。好氧颗粒尺寸逐渐稳定下来。40天后，R1、R2、R3和R4的平均直径分别为1.9mm、1.5mm、0.5mm、0.4mm。在稳定状态下反应器里的生物量浓度增加超过了10gSS/L。当培养基N/COD比率从5/100增加到30/100，VSS/SS比率从0.94降到0.79。微生物观察显示4个反应器中好氧颗粒结构紧密，与接种污泥对比其外部形状有明显的球形。

　　3.2 好氧条件下COD和硝化反应关系

　　图2显示反应器R1至R4运行一个4h循环时间时COD和硝化反应关系。数据跳跃的点是：⑴几乎所有流入COD在开始30分钟去除；⑵培养基N/COD比率为5/100时反应器R1没有亚硝酸盐和硝酸盐产生，可以观察到在各个培养基N/COD比率10/100、20/100和30/100时COD和硝化反应关系；⑶COD去除后在反应器R2至R4中完全硝化反应发生；⑷在循环时间前30分钟氨氮去除是微生物生长需求氮源替代了硝化反应，因为在这个阶段既没有亚硝酸盐产生也没有硝酸盐产生；⑸就亚硝酸盐形成来说不能看到缓慢硝酸盐产物；实际上，硝化反应主要由两类细菌来完成，氨氮氧化菌负责亚硝酸盐形成，亚硝酸氧化菌转化亚硝酸盐为硝酸盐。在正常培养条件下，至少有两个因素影响硝化反应效率，在微生物种群中氨氮氧化菌与亚硝酸氧化菌的实际生长率，以及在该系统两种菌种的比率关系。

　　3.3 在没有搅拌无DO条件下的反硝化

　　图3显示在厌氧条件下反应器R2至R4中COD和反硝化关系。可以看到反应器中少量的反硝化反应发生。反应器R2至R4总的氮去除率分别为21、24和26％，但是COD去除率在这个运行条件下非常低。由于好氧颗粒对照水里有更高的实际重力，没有充分的搅拌情况下他们将沉淀到反应器底部。这将导致颗粒与培养基溶液接触不充分，结果，由于缺乏搅拌物质传质受到限制，这就是观察到反硝化效率低的原因（图3）。   

　　3.4 DO为0.5mg/L搅拌下反硝化反应

　　在这个阶段，反应器DO维持在0.5mg/L，通过控制曝气率，但确保固－液混合。图4显示反应器R2至R4中COD和反硝化关系。它显示在反应器R2至R4中完全反硝化发生。2h缺氧阶段所有硝酸盐转化为气态氮。在反应器R2至R4实际总氮去除率分别为0.42、0.85、0.91mgNg-1SSmin-1。那些值可以与常规生物处理所得数值进行比较。

　　3.5 DO为0.8mg/L搅拌下反硝化反应

　　为了研究DO对微生物颗粒反硝化的影响，通过增加曝气速率将所有反应器中的DO浓度增加到0.8mg/L。图5显示反应器R2至R4中DO浓度0.8mg/L时COD与反硝化的关系。反应器R2至R4氮的去除效率大约为40％，但是所有的反应器排出的水硝酸盐浓度依然很高，与DO浓度0.5mg/L呈现的结果（图4）相比较只发生了部分反硝化。图4和图5显示微生物颗粒中反硝化菌的活性受高浓度DO抑制。显然DO不是它们合成物质抑制剂而是充当反硝化还原酶活性抑制剂，当溶解氧浓度大于1.0mg/L时反硝化可以被忽略。

　　3.6 异养菌、硝化菌和反硝化菌的活性

　　氨氮氧化剂和亚硝酸氧化剂各自活性被实际氨氮氧利用率（SOUR）NH4和实际氮氧利用率（SOUR）NO2描述，但是异养菌的活性可以根据它的实际异养菌氧利用率（SOUR）h来量化。不同培养基N/COD比率下好氧颗粒稳态培养的（SOUR）NH4、、（SOUR）NO2和（SOUR）NO2在图6显示。图7显示了（SOUR）NH4、和（SOUR）NO2氮减少速率（qobs）。高浓度DO导致低反硝化活性，从图7中qobs可以知道，好氧颗粒反硝化菌似乎与培养基N/COD比率或者硝化菌量成正比。

　　4 讨论

　　图1显示微生物颗粒在培养基N/COD比率5/100至30/100范围内可以形成。超过95％进水COD在曝气阶段去除，同时氨完全转化为硝酸盐（图2）。在反应器R1至R4中培养的好氧颗粒的沉淀速度大于60m/h，所有反应器中的生物停留量达到9gVSS/L。常规活性污泥沉淀速率小于10m/h。与常规生物絮状比较，满意的好氧颗粒沉降速率可以确保进水生物固体容易有效分离出来，高的生物浓度意味着一个紧密的、小型的好氧颗粒污泥反应器可以研发出来。好氧颗粒污泥反应器2－4星期可以训化好，而厌氧颗粒系统（UASB等）至少需要4个月细心训化才能成熟。在本研究中，好氧颗粒污泥反应器稳定运行一年多，此时试验已经结束了。那些结果显示好氧颗粒的利用可以提高现有的污水处理厂同时去除有机物和氮能力是可行的、有益的。

　　从图2－6可知异养菌、硝化菌和反硝化菌在不同培养基N/COD比率里培养可以共存。事实上，大多数反硝化菌是特殊细菌，广泛分布于各种各样的生理和分类群体中。在好氧条

　　件下，它们利用氧作为最终电子受体。图3－5揭示了DO和搅拌对微生物颗粒反硝化效率影响。由于微生物培养的颗粒非常重，如果没有充分搅拌它们将会全部沉淀到反应器底部。结果，颗粒和溶解氮接触非常差，图3可知反硝化不能有效发生。因此在以颗粒为基本生物反应器里为了取得有效反硝化效率，一定量搅拌是必须的，确保颗粒和溶解氮好的接触。在搅拌的条件下，从图4和5可知DO小于0.5mg/L对反硝化非常有利，微生物颗粒反硝化DO浓度0.8mg/L受到抑制。事实上，反硝化酶一旦合成，好氧条件下细菌保持它，但是其功能受高浓度DO的抑制。另一方面广泛地报道在某种程度上溶解氧抑制反硝化地每一步。

　　图6显示氨氮和亚硝酸氧化菌的活性随着培养基N/COD比率增加而大大提高了，然而在好氧颗粒中异养菌的活性迅速减少了。结果显示当增加培养基N/COD比率少数硝化菌数量会逐渐超过异养菌数量，异养菌的主导地位越来越小了。相似的现象在生物膜反应器也有报道。

　　图7显示DO和培养基N/COD比率对整个微生物颗粒反硝化菌数量活性影响。早期讨论可知，反硝化细菌对生物反应器中DO浓度非常敏感。在0.5mg/L的DO下，反硝化细菌的活性比在0.8mg/L的DO活性大得多。在DO浓度0.5mg/L下，在反应器R2至R4培养的微生物颗粒的各自实际总氮去除率为0.42、0.85和0.91mgN/(gSS.min),这可以与常规反硝化处理所获得活性数据相比较。我们知道随着培养基N/COD比率增加qobs也增加，图6可知增加培养基N/COD比率导致好氧颗粒中的反硝化菌数量增加，图2显示在反应器中硝酸盐浓度

　　也增加了。Batchlor(1982)提出了描述DO和硝酸盐浓度对反硝化细菌的影响公式：

　　                         (1)

　　公式中：qNO3表示实际氮还原速率（mgNg-1SSmin-1）；

　　qNO3.MAX表示最大实际氮还原速率；

　　SNO3表示NO3-N浓度，mg/L;

　　Se表示有机培养基半反应速率常数,mg/L;

　　KO表示氧半反应速率常数，mg/L;

　　根据这个模型，增加硝酸盐浓度将导致实际硝酸盐减少速率变大，但是增加DO将会使实际硝酸盐减少速率减少。这个试验数据和这个模型预期效果相吻合。结果，从本课题可知异养菌、硝化菌和反硝化菌可以在微生物颗粒相共存，一个新型高效率基于颗粒生物反应器被希望用于同时去除有机物和氮。

　　5 结论

　　微生物颗粒在反应器SBRS不同培养基N/COD比率培养有能力同时去除有机物和氮。可知异养菌、硝化菌和反硝化菌在颗粒中能共存，在颗粒微生物数量变化与培养基N/COD比率有很大的关系。微生物颗粒在高培养基N/COD比率培养可以提高硝化和反硝化活性，同时颗粒中异养细菌的活性有降低的趋势。这就是微生物颗粒比常规活性污泥更有优势的原因，不同菌种可以在同一微生物模型共存，这提供细菌协作作用的平台。在这种情况下，一个去除有机碳和氮的更紧凑的生物反应器阿可以实现。DO浓度和搅拌两个因素影响微生物颗粒反硝化的效率。完全反硝化在DO浓度0.5mg/L可以取得，同时搅拌为了确保颗粒和溶解氮足够接触是有必要的，否则微生物颗粒反硝化非常缓慢，这篇论文打开了环境工程者进一步研发去除污水中的有机物和氮两种物质的新颖的、紧凑的和高效率基于颗粒生物处理工艺。