1、用四段曝气生物滤池系统对低碳氮废水进行脱氮摘要：在这篇论文中，提议用四段曝气生物滤池(BAF)系统处理低碳氮比的市政废水，以加强对氮的去除。实验室实验在两种不同的水力停留时间下进行操作，也就是 3h 和6h。BAF 系统长期的运行结果显示，若忽略 HRT 的不同，其对全部氨氮去除的性能稳定，去除效率平均达 95%-96%。在反硝化作用中观察 BAF 的效力。在总化学需氧量 (TCOD)和总凯氏氮(TKN)的比值为 3:6 时，反硝化柱出水的 NO3-N 浓度为 2.7mg/L。由此得出结论，在这次研究中提出的 BAF 系统在脱氮方面的性能非常优秀，分别通过吸附，硝化作用，反硝化作用和净化四种机
2、能来完成。关键词 脱氮 曝气生物滤池 低碳氮比 反硝化 市政废水 水力停留时间1.绪论曝气生物滤池(BAF)开发于欧洲，然后因为其相对于其它系统的优点，作为一种新奇的废水处理系统广泛地应用于全世界 1。通常来讲，BAF 是一种淹没介质废水处理反应器，它把好氧生物滤池和通过深度过滤分离生物量结合在一起 2。它采用粒状介质作为细菌生物膜的支撑，同时也提供深度过滤反应。BAF 为传统好氧处理法提供了可替代的选择，它能够在相对于滴滤器和传统活性污泥法较高的生化需氧量负荷条件下运行。在 BAF 的单元操作中能够完成含碳 BOD 的去除、固体过滤和硝化作用 3。另外，BAF 能够通过介质上的附加生物量，对
3、难降解废水，如纺织废水、油田废水进行处理 4,5。虽然 BAF 系统有许多的优点，但是它在对含有高浓度的悬浮颗粒物的未经预处理的原废水的处理仍有困难。因为这个原因，BAF 主要应用于废水处理的核心处理工艺，或者是单独作为市政废水的三级处理 6-8。用 BAF 系统处理原废水，必须降 SS 适当地从废水中去除，因为进水中的 SS 会通过妨碍氧和生物膜底层的传质使 BAF 的性能恶化。Westerman 等人 9开始在屠宰废水的处理中使用 BAF 处理法，废水首先通过沉淀池收集，且将沉淀池的溢流作为 BAF 的进水。然而需要注意废水的预处理对 SS 的去除可能引起有机物的降低然后降低了废水的碳氮比
4、。必须有充足的碳以保证将在硝化脱氮过程中形成的氮完全去除 10。在全面的预硝化研究中 11，发现在 COD/TKN 的比值小于 1.5 时发生了不完全的反硝化。因此改良现有的 BAF 系统，提高它在低碳氮比废水的处理中的反硝化性能。在我们的知识当中，只有少数的论文论述关于 BAF 系统除氮方面的问题。然而，因为进水的碳氮比较低，脱氮的效率也很低 12,13。为了解决脱氮问题，一些研究者提出了传递反硝化曝气生物滤池法，使用甲醇作为外部碳源以提高碳氮比 14,15。然而这也会增加经济负担。Chiou 和 Ouyang16选择性地提出了两段反硝化/ 硝化生物过滤器系统，最初的进水中的碳源用于反硝化反
5、应以代替附加的碳源。然而它的反硝化效率即使在进水 SCOD/TKN的比值较高为 6:7 的情况下，也不足够高因此并不够有效。因此，需要投入更多的注意力以使 BAF 系统在处理低碳氮比的废水方面能够成功地应用。尤其是，在韩国迫切地需要适合处理低碳氮比市政废水的 BAF 系统，因为未经处理的市政废水有很低的碳氮比( 碳氮比年均值为 3:4)。为了这个目的，我们提出了四段曝气生物滤池法，能够将硝化作用和反硝化作用合为一体。图 1 显示了该论文中提出的有两步周期的四段曝气生物滤池法的操作概念。每步都按照图 1 所示的流程依次完成。在第一个缺氧柱内，进水中的部分基质被介质上的附加生物量吸收并且在细菌细胞
6、内积聚，时富氨液流能够进入下一个柱内。没有干扰有机物质的快速硝化反应于是将在有氧条件下发生在下一个柱(好氧柱 )内。最终，最后的好氧柱(第 2个好氧柱) 运行进行净化。当开始流程 (第 2 步)时，先前在介质上(第 1 步中的第 1 个缺氧柱) 被吸收的含碳物质将作为反硝化反应的基质。在流程中的第一和第二个缺氧柱内用于反硝化被生物吸附的含碳基质的作用在本论文中提出的四段 BAF 系统是一个很重要的区别。另外，异养生物和异养生物的分离能够引发独立的硝化反应。尽管提出的四段 BAF 系统相比于其它现有的 BAF 系统，如两段生物滤池不够经济，但是它能使氮的的去除率最大化。在这种方法中设计实验计划以
7、评价在这篇论文中提出的该方法的性能。在两种不同的水力停留时间(HRTs) 下完成对系统除氮的评价。在系统硝化反应的运行周期中通过观察微生物群体结构对系统的效力进行检验。2. 材料和方法2.1 系统的启动和运行这次研究准备了一个实验室规模的 BAF 系统( 图 2)。系统的主要部分由四个串连的上流生物过滤柱构成。每个柱高 1.90m，直径 0.08m，有效容积为 12.1L。柱内填满了膨胀的聚苯乙烯(EPS)介质(直径大约为 2-3mm，明确的表面积平均超过 2000m2/m3)，深度大约为0.95m。填装介质的密度为 15kg/m3。在好氧柱内，通过柱底部的扩散器向柱内提供空气以将溶解氧(DO
8、) 的浓度维持在 50.5mg/L。相反，不向缺氧柱内提供 DO。系统基于进水流按照两步周期运行，也就是步骤 1 和步骤 2(见图 2)。每一步骤的持续时间设定为 45min，也就是说两步周期在 90min 内完成。运行周期通过打开进水流进行重复。从 Cheongju 市政废水处理厂的好氧池内获得的活性污泥作为操作中的接种污泥。为了去除过度的生物量和积聚在介质上的固体微粒，需要用 BAF 系统的最终出水对每个柱以 12h 为时间间隔，用逆流的方法对其进行反冲洗。反冲洗的每个步骤持续1min。反冲洗的顺序包括气冲洗，然后是气水联合反冲洗。水和气反冲洗的比率分别设定为 10L/min 和 12L/
9、min。系统在室温 18.3至 25.1，平均为 21.30.1下运行。应用的水流速度为 38.66m3/d19.33m3/d，相应的 HRT 分别为 3h 和 6h。2.2 市政废水的特征在坐落在韩国 Cheongju 的污水处理厂收集市政废水。原废水的特性列于表 1。注意进水的 TCOD/TKN 为 4:3。参照水污染控制联盟 11的报告，进水 TCOD/TKN 的值不足以完成反硝化作用。2.3 分析步骤按照标准方法描述的步骤对样品进行化学分析 17。分析样品的 SS(标准码：2540D)，TCOD&SCOD(标准码：5220D)，TKN(标准码：4500-N B)，PO 4-P(标准码：
10、4500-P E)，NO2-N(标准码： 4500-NO2 B)，NO 3-N(标准码：4500-NO 3 B)。NH 4-N 用 HACH Nessler 法检测。电子扫描显微镜(SEM)分析用于在 BAF 系统第一个好氧柱运行前后对 EPS 介质表面进行观察和分析。EPS 介质在 BAF 系统运行前后被分割成 0.5cm 左右。在进行 SEM 分析之前，将被分割的介质冻干以保持 EPS 介质的结构并将其储存在干燥器内。将干燥的介质用电子扫描显微镜能量分散 X 射线分光计进行分析(SEM ，Philips) 。2.4 群落结构分析通过 T-RFLP 法对第一个好氧柱内的群落结构进行分析。将图
11、 2 所示的每个步骤中第一个好氧柱的介质和出水收集起来用于分析。用珠打程序( 极端清洁 TM DNA 净化工具，美国首都航空公司 Solana 海滩 Mo Bio 实验室)按照 Miler 等人的研究对 DNA 进行萃取 18。完成针对细菌 16s 核糖体 RNA(rRNA)基因的聚合酶连锁反应(PCR)。27F(E.大肠杆菌编号8-27:50-AGAGTTTGATCMTGGCTCAG-30)和 785R(E.大肠杆菌编号 785-804:50-ACTACCRGGGTATCTAATCC-30)用于细菌底漆。PCR 反应混合剂包含一个 PCR 缓冲器，1.5mM MgCl2，160M 脱氧核苷三
12、磷酸盐(dNTP) ，每个底漆 0.3M，大约 10ngDNA 模板，容积为 50L 的 1.5U Ex Taq DNA 聚合酶。PCR 在一个热反应器中完成。在变性步骤中温度 95下进行扩大 3min，然后是在 95进行 30s 的 30 个变性周期，在 52下退火30min 且在 72下延长 10min。使用 PCR 净化工具对副 PCR 反应混合物进行聚合。Hhal(TaKaRa，日本)用作限制酶。用 BaseStationTM DNA 片段分析器( 美国 MJ 研究)运行。3. 结果和讨论3.1 全部工作特性BAF 系统在 HRT 分别为 6h 和 3h 时显示了对 SS 相当高的去除
13、率。我们发现进水中的 SS 在 HRT 为 6h 时在 0.7-6.7mg/L 范围内( 平均为 3.4mg/L)，SS 的平均去除率大约为95%。HRT 为 3h 时，SS 的平均去除率为 94%，出水 SS 在 1.3-7.1 mg/L 范围内( 平均为 4.2 mg/L)，这些高 SS 去除率的性能归因于通过淹没的介质完成的生物过滤作用，这些介质有两个作用：通过大的支撑介质表面上的生物量完成的有机物的生物转化，和通过深滤床的过滤完成的悬浮粒子的物理停留。BAF 系统的出水 NH4-N 浓度如图 3 所示。出水平均氨氮浓度在 HRT 为 6h 和 3h 时分别为 1.1 mg/L 和 1.
14、4 mg/L。相对应地，在 HRT 为 6h 和 3h 氨氮的去除效率分别为 96.3%和 95.4%，显示了系统对氨氮高的去除率。这个现象可用附加生物相对于悬浮生物的应用显示了较高的性能这个事实来解释。在其它的研究中发现在相同的氮负荷下，附加生物法(AGP)的硝化速率要比悬浮生物法(SGP)的硝化速率高得多 19，20 。另外，在柱 2 独立的硝化作用有其特有的 BAF 系统结构，并且它是造成 BAF 系统在短的 HRT 使硝化能力提高的原因。最终出水的 NOx-N 浓度在 HRT 为 6 h 和 3h 时分别为 18.7mg/L 和 13.8mg/L，如图4。注意大部分出水的 NOx-N
15、为硝酸盐( 亚硝酸盐浓度几乎为 0)，进水的 TCOD/TKN 在HRT 为 6h 和 3h 时分别为 3:4 和 5:2。在四段 BAF 系统的运行中，出水的低 NOx-N 浓度相比于其它现有的 BAF 系统使其在预反硝化结构方面更好。将四段 BAF 系统与 Chiou 和Ouyang 提出的两段预反硝化/ 硝化生物过滤系统 16相比，尽管用作两段预反硝化/硝化生物过滤系统进水的综合废水的 SCOD/TKN 高达 6:7，但四段 BAF 系统的最终出水浓度比两段反硝化/硝化生物过滤系统低得多。他们发现最终出水 NOx-N 浓度平均为 28mg/L。我们推测四段 BAF 系统突出的脱氮性能是由
16、于原市政废水原含碳基质的有效使用。在四段 BAF系统中通过有效安排好氧段和缺氧段对柱 1 和柱 3 进水中的可用碳源进行的生物吸附，和流向的转换将被最佳化。因此，四段 BAF 系统非常适合低 C/N 比废水，碳的缺乏会影响营养物的去除效率。在 HRT 为 3h 时 NOx-N 更好的性能是因为提高了进水的 C/N 比。为了达到除氮的目的，通过改变进水流向和使用四个圆柱来达到 BAF 系统的效力。每个柱都有其特定的功能。如图 5 所示步骤 1 中的每个功能柱的 COD 浓度和氮浓度都不相同。系统中每个柱具体的功能在下边的部分进行介绍。在 107 天的运行周期内，BAF 系统内被消耗的回流污泥的平
17、均数量为 0.33SS/(m3d)。3.2 作为第 1 个缺氧反应器的柱 1在用于生物吸附的第一个柱内，出水的 TCOD 浓度比进水低得多( 图 5)。平均进水 75%的TCOD 在 45min 的运行期内被生物吸附，且将被用步骤 2 中反硝化反应的基质。大部分的氨氮没有被去除，且柱 1 中的 NO2-N 和 NO3-N 浓度几乎为 0。3.3 作为第 1 个好氧反应器的柱 2在柱 2 也就是第 1 个好氧反应器中，进水中的 NH4-N 几乎完全转化成硝酸盐，效率平均为 96.1%(图 5)。我们推断柱 2 中的硝化细菌占优势，然后增强硝化作用。通过群落结构分析(T-RFLP 分析)对介质上的
18、优势菌群进行识别，如图 6 所示。观察 565bp，364bp 和205bp 的终端限制片段(T-RF) 。说明优势群体是包括亚硝化单胞菌和 Nitrosolobus 在内的氨氧化细菌，对该柱出水中的群落进行识别。151bp 的 T-RF 也证明了阳基环球菌才能在于菌落中。众所周知，阳基环球菌时革兰氏阴性细菌，防止污泥在活性污泥系统中膨胀 21。柱 2 中增强的硝化作用涉及 3.1 节中提到的 AGP 法。如图 7 所示的 SEM 的结果，AGP 中富集的微生物粒子可使硝化效率提高。然而，我们认为高硝化速率和柱 2 中硝化细菌的优势缘于柱 1 生物吸附对有机基质的去除。它降低了柱 1 中出水的
19、 C/N 比，并且引发了柱 2 中自养微生物和异养微生物生长竞争中硝化细菌的优势。一些作者报道了 C/N 比和硝化性能之间的关系。Carrera 等人 22在改良的 Ludzack-Ettinger 实验工厂结构的研究指出，当进水 COD/N 提高时硝化速率呈指数增长。同样，Komorowska-Kaufman 等人 23指出在Bardenpho 模式反应器，当 COD/N 低时硝化过程稳定。先前研究和应用的 BAF 反应器为一段式，同时去除有机物和氨氮 3,24。然而，因为它的硝化作用依赖于进水碳氮比而在实际应用中受到限制。这个问题可以通过四段 BAF 系统来解决。3.4 作为第 2 个缺氧
20、柱的柱 3如图 5 所示柱 2 中产生的用于硝化作用的硝酸盐几乎在柱 3 中被全部去除。柱 3 出水的硝氮浓度大约平均为 2.7mg/L。相反，出水的 COD 和 NH4-N 浓度很高。这是由于子之前的步骤中的运行周期内，对柱内介质上的有机物和 NH4-N 的生物吸附。被生物吸附的TCOD 将作为反硝化反应的基质。因此出水的 TCOD 浓度随着时间升高因为那些基质将被局部限制在柱内。这可以解释脱氮性能在柱 3 也就是第 2 个缺氧柱内提高的现象。考虑到原废水的低碳氮比(C/N=3:6)，在图 5 中观察到的结果与其它的 BAF 系统 12-16和水污染控制联盟发表的结果 11相比是值得注意的，
21、在其中全面的反硝化研究中推荐进水的 COD/N 比应高于 1.5。3.5 作为第 2 个好氧柱的柱 4注意到最终出水的 NOx-N 浓度相对较高很重要。在图 5 中，柱 4 在 HRT 为 3 实验周期中出水的 NOx-N 浓度平均为 17.5mg/L。将最后一个柱即柱 4 维持在好氧条件下，且从前面的柱即柱 3 中得到相对较高浓度的 NH4-N，在柱 4 中发生部分硝化反应。然而，原来执行净化机能的柱 4 排出浓度相对较低的 COD 和总氮。3.6 进水负荷对有机物和氮去除的影响四段 BAF 系统在 HRT 为 6h 和 3h 时去除的 TCOD，NH 4-N，TKN 和 TN 对它们的负荷
22、速率如图 8。数据的线性回归也表明了趋势。TCOD 的施加负荷从 0.3kgTCOD/(m3d)至 1.4 kgTCOD/(m3d)不同。在这样的高碳负荷下，BAF 系统在 HRT 为 6h 和 3h 时 TCOD的去除率分别为 76%和 80%。在氨负荷达 0.29kg NH4-N/(m3d)时平均的氨氮去除率一直保持 95%-96%。先前的研究报道回归线显示外加负荷在 0.05-0.8 kg NH4-N/(m3d)范围内 NH4-N 的去除率增加 7,12。大部分的外加 TKN 负荷从 0.12kg TKN/(m3d)到 0.33kg TKN/(m3d)间变化，TKN 的去除百分率在 HR
23、T 为 6h 和 3h 时分别为 89%-90%。T-N 的去除随外加负荷的线性回归，在 HRT 为 6h 和 3h 时 R2 分别为 0.32和 0.53。T-N 的去除性能随 T-N 负荷的增加而增强。4. 结论对为提高低 C/N 比市政废水的氮去除率提出的四段 BAF 系统进行评价。基于实验测试的结果得出下面的结论：(1)本论文中提出的 BAF 系统能够有效地去除氨氮，效率约为 95%。(2)该系统在进水 TCOD/TKN 比低时非常有效。这显示该系统能使有机损失最小化，且使用于反硝化反应而被生物吸附的有机物的使用最大化。(3)总之，通过改变进水流向和吸附、硝化、反硝化、净化四个功能柱来提高氮的去除性能。
