为了开发经济高效的生物脱氮工艺，在MBBR中进行了短程硝化反硝化的研究，考察了水力停留时间HRT与pH对短程硝化反硝化的影响。结果表明，在短程硝化反硝化过程中，在室温、不控制溶解氧的条件下，NH4+-N与COD去除率随着HRT的延长而增大，出水NO2--N随着HRT的延长先增大后减少，当HRT为8 h时出水NO2--N最高；当pH由5增加到10时，COD去除率的变化较�。琋H4+-N去除率和出水NO2--N则随着pH的增大先增大后减�。琾H在8～9时对NH4+-N的处理效果最好，出水NO2--N最高。


随着中国经济的迅猛发展，水资源受到了严重污染，水体富营养化问题尤为突出，废水脱氮日益受到人们的重视。而传统的生物脱氮工艺能耗高，反应时间长，污泥产量高，针对目前的水污染状况，开发经济高效的生物脱氮工艺迫在眉睫。与传统的全程硝化反硝化工艺相比，短程硝化反硝化具有诸多优点，它能耗低，可节省25%的耗氧量，污泥产量少，可节省碳源和占地面积。短程硝化反硝化是一种新型的可持续发展的脱氮工艺，是目前国内外生物脱氮工艺研究的热点。


移动床生物膜反应器（moving bed biofilm reactor，MBBR）工艺具有占地少、动力消耗低、运行操作管理简单等优点，本研究将MBBR工艺与短程硝化反硝化相结合，在自制的MBBR中研究了HRT与pH对短程硝化反硝化的影响。


1、Unisense微电极系统的应用


使用Clarktype微电极(Unisense，丹麦)测量整个生物膜深度内溶解N2O和溶解氧(DO)浓度剖面，并连接皮安表(Unisense，奥尔胡斯，丹麦)进行数据采集。氧气微电极和N2O微电极的尖端直径分别为50um和25um。在使用微电极测试生物膜之前，对每个微电极进行了校准。微操作器和微电极使用Sensor Trace Pro软件精确控制微电极插入生物膜的位置(Unisense，丹麦)。在假定稳态条件下，利用菲克第二扩散定律，估算了各浓度分布下的平均CDO、N2O去除率。

2结果与讨论


2.1反应器的挂膜与启动


本试验所用填料为大连宇都改性生物悬浮填料，填充率为50%。采取快速排泥法进行填料的挂膜，接种污泥取自沈阳南部污水处理厂，驯化后装入反应器开始运行。经过20 d的稳定运行，填料上长出一层褐色的生物膜，此时反应器对COD的平均去除率达到85%，对NH4+-N的平均去除率达到65%，表明填料挂膜成功。试验保持进水水质不变，通过调控溶解氧实现短程硝化反硝化，待系统稳定运行后对溶解氧不进行控制。


2.2HRT对短程硝化反硝化的影响


2.2.1不同HRT时三氮的变化


在进水pH为7.2左右的条件下，考察了不同HRT下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的变化，结果：出水NH4+-N随着HRT的延长而减少，当HRT为8 h时，平均NH4+-N去除率由HRT为6 h时的82.16%增加到96.69%；HRT为10 h时，平均NH4+-N去除率为98.23%，可以看出HRT为8 h和10 h时的平均NH4+-N去除率变化不大。出水NO2--N随着HRT的延长先增大后减�。盚RT为8h时，出水NO2--N最高，平均为19.68mg/L，亚硝态氮积累率均值为75.15%；当HRT增加到10 h时，出水NO2--N反而减少，平均为16.33mg/L，亚硝态氮积累率均值为69.53%。出水NO3--N随着HRT的延长而增加，当HRT由4 h增加到10 h时，平均出水NO3--N由2.62mg/L增加到6.26mg/L。


从实验结果来看，HRT对短程硝化反硝化有着一定的影响。HRT越长，亚硝化菌氧化的NH4+-N总量就越多，产生的NO2--N也越多，所以亚硝氮的积累率随着HRT的延长而增加。但当NH4+-N去除率达到一定值后，再继续增加HRT，出水NO2--N呈下降趋势，这是因为此时进水中的NH4+-N已在系统能力范围内由亚硝化菌氧化掉，此时再增加HRT只能将更多的NO2--N氧化为NO3--N。


2.2.2不同HRT时有机物的去除情况


在进水pH为7.2左右的条件下，考察了不同HRT下COD的变化。COD去除率随着HRT的延长而提高，HRT为4 h时，平均COD去除率为63.89%，出水COD平均为150.12mg/L；HRT为6 h时，平均COD去除率上升到75.59%，出水COD平均为104.42mg/L；HRT为8 h时，平均COD去除率继续上升到88.3%，出水COD平均为55.31mg/L；HRT为10 h时，平均COD去除率达到92.03%，出水COD平均为36.79mg/L。HRT为8 h和10 h时的出水COD分别达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B标准和一级A标准，说明反应器内有机物去除情况良好。在MBBR中，较长的HRT有利于有机底物向生物膜表面传递，进而使COD去除率随着HRT的延长而增加。


2.3pH对短程硝化反硝化的影响


2.3.1不同pH时三氮的变化


在HRT为8 h的条件下，考察了不同pH下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的变化，结果当pH由5增加到9时，出水NH4+-N随着pH的增大而减�。眕H在8～9时出水NH4+-N最小，仅为0.1mg/L，平均NH4+-N去除率达到了97.68%；当pH在9～10时，出水NH4+-N有所提高，平均为11.82mg/L，平均NH4+-N去除率降到76.22%。出水NO2--N随着pH的增加先增大后减小，当pH为8～9时出水NO2--N最大，平均为19.6 mg/L，当pH为9～10时，平均出水NO2--N降到3.62 mg/L。


亚硝化菌的底物为游离氨，硝化菌以亚硝氮为基质，随着pH的提高，游离氨浓度逐渐提高，因此要提高亚硝氮积累率，需要控制适宜的pH，使游离氨浓度控制在亚硝化菌和硝化菌的抑制浓度之间。pH在8～9时，NH4+-N的去除效果最好，说明亚硝化菌在该pH范围内活性最高，比增长速率也最大。pH在5～6时，亚硝化菌活性受到严重抑制，pH在9～10时，碱性环境则抑制了微生物的生长。


2.3.2不同pH时有机物的去除情况


在HRT为8 h的条件下，考察了不同pH下COD的变化，随着pH的变化，COD的去除稳定，波动较�。得鞲肕BBR短程硝化脱氮体系在去除有机物方面独具优势，其抗pH冲击能力较强，不同pH范围平均COD去除率达到了83%，平均出水COD均在100mg/L以下，低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的二级标准。


2.4反应器内的生物相


在电子显微镜下对MBBR中的生物相进行了观察，结果表明，填料上的生物膜絮体密实，含有大量微生物菌胶团。


2.5生物膜电镜扫描


在短程硝化反硝化启动初期，以及最佳HRT及最佳pH下的稳定运行阶段，对MBBR中的生物膜进行了SEM表征，与启动初期相比，当HRT为8 h和pH为8～9时，生物膜中菌落数量明显升高，生物膜中微生物排列紧密。


3结论


（1）HRT对短程硝化反硝化的影响试验表明，出水NH4+-N随着HRT的延长而减少，但NH4+-N去除率在HRT为8 h和10 h时相差不大，平均分别为96.69%和98.23%。出水NO2--N随着HRT的延长先增大后减少，HRT为8 h时出水NO2--N最高，平均为19.68 mg/L；当HRT增加到10 h时出水NO2--N反而减少，平均为16.33mg/L。COD去除率随着HRT的延长而提高，HRT为8 h和10 h时的出水COD分别达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B标准和一级A标准。


（2）pH对短程硝化反硝化的影响试验表明，当pH由5增加到9时，出水NH4+-N随着pH的增大而减�。眕H在8～9时NH4+-N处理效果最好，平均NH4+-N去除率达到了97.68%；当pH在9~10时，平均NH4+-N去除率降到76.22%。出水NO2--N随着pH的增加先增大后减小，pH为8～9时出水NO2--N最大，平均为19.6mg/L；当pH为9～10时，平均出水NO2--N降到3.62mg/L。随着pH的变化，COD的去除稳定，波动较�。煌琾H范围平均COD去除率达到了83%，平均出水COD均在100 mg/L以下，低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的二级标准。


（3）观察发现，反应器运行稳定后填料上的生物膜絮体密实，含有大量微生物菌胶团；SEM表征结果表明，与运行初期相比，HRT为8 h和pH为8～9时生物膜中的菌落数量明显升高，生物膜中微生物排列紧密。