生物转盘同步去除化学需氧量和氮的实验研究

李 芳，崔红梅 ，吕炳南

（1东北石油大学土木建筑工程学院给水排水工程专业，黑龙江 大庆163318；2黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室，黑龙江 大庆163318；3哈尔滨工业大学市政环境工程学院市政工程系，黑龙江 哈尔滨150090）

研究开发

生物转盘同步去除化学需氧量和氮的实验研究

李 芳1，2，崔红梅1，2，吕炳南3

（1东北石油大学土木建筑工程学院给水排水工程专业，黑龙江 大庆163318；2黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室，黑龙江 大庆163318；3哈尔滨工业大学市政环境工程学院市政工程系，黑龙江 哈尔滨150090）

采用单轴三级生物转盘（RBC），进行了生物转盘同步去除化学需氧量和氮的试验研究。水温度15 ℃，进水COD浓度为400mg/L左右时，转盘对化学需氧量的去除率达到85%左右。控制适宜的碱度，转盘系统氨氮的硝化率在75%左右、总氮（TN）的去除率在50%左右。增设硝化液回流系统后，总氮的去除率显著提高，特别是回流比为200%时，TN去除率在低温下可达73.87%。实验表明生物转盘对化学需氧量和氮有较好的同步去除效果。

生物转盘；总氮的去除率；化学需氧量的去除率；回流比

生物转盘法是一种膜生物处理技术，起步于20世纪50～60年代[1]。因其具有净化效率高、耗能低、进水负荷高和易管理等优点[2]，在生活污水[3]和有机废水[4]、含酚废水[5]、石化废水[6-7]等工业废水处理领域得到了广泛的应用。它除被用于去除水中的含碳化合物外，也可以用于脱氮。美国和日本等国，近年来对生物转盘的运用已扩大到污水的脱氮工艺中。Gupta等[8-9]采用多级生物转盘系统对合成废水及城市污水中的碳、氮同步去除进行了研究，取得了较好的效果。但是国内在这方面尚未展开较系统的应用研究。本文应用三级生物转盘，对污水的同步去除碳和氮进行系统研究，为生物转盘在污水同步去除碳和氮的工程应用提供有价值的参考。

1 实验部分

1.1 实验装置

本实验采用单轴三级生物转盘装置，转盘的盘片为孔隙率96%的特殊网状载体，有利于微生物的附着生长。主要技术参数见表1。

装置见图1。水箱内的水经蠕动泵打入第一级氧化槽的首端，依次流经二、三级生物转盘，最后进入二沉池，进行泥水分离。

表1 生物转盘的主要技术参数

图1 生物转盘实际装置图（启动阶段）

1.2 实验用水水质

实验用水水质见表2。

表2 实验用水水质

1.3 水质分析方法及主要试剂

实验中水质分析方法及主要试剂见表3。

1.4 实验启动

启动开始，每天向反应器内投加一定量的污泥（取自大庆市东城区污水处理厂）。进水COD为400 mg/L左右，水力停留时间24 h，进行生物膜的培养。7天后COD的去除率可达到46%左右，15天达到66%左右。17天后，水力停留时间改为10 h，进水有机物浓度不变，26～36天，COD的去除率保持在75%～85%，生物转盘启动成功。

表3 水质分析方法及主要试剂及仪器

2 实验结果和讨论

2.1 COD的处理效果

水力停留时间调整为 8 h，转盘转速 5～15 r/min，水温15 ℃左右。此时转盘各级均好氧运行。各级溶解氧见表4。

表4 生物转盘各级溶解氧浓度

生物转盘对COD有较好的去除效果。见图2。

在进水COD浓度为400 mg/L左右时，COD去除率均值85%，起主要有机物降解作用的是第一级转盘。该转盘盘片采用新型网状材料，盘片与传统盘片相比具有较大的比表面积和孔隙率，有利于微生物的附着、生长与繁殖，单位面积的网状盘片上的生物量是普通盘片的2～3倍。虽然水温较低但生物量大，COD的去除效果较好。

2.2 氨氮的处理效果

由图3可见，此时氨氮的硝化率一般在60%左右。硝化细菌的生长除了对营养物质的需求外，还需要一定的外界环境条件。主要原因有两个：首先运行温度偏低。温度是影响细菌生活的重要环境条件之一。硝化细菌属于中温菌，最适生长温度为25～30 ℃[10]。而运行中的温度只有15 ℃。这大大影响了细菌的生长繁殖速率，进而影响了氨氮的硝化率。其次碱度过低。采集水样测定碱度，1、2、3级转盘内的碱度分别为 92 mg/L、20.1 mg/L、3.1 mg/L（以CaCO3计）。

配水时加入NaHCO3为25 g/300L调节碱度。氨氮的去除效果见图4。

加入碳酸氢钠调节碱度后，1、2、3级的碱度分别为104.6 mg/L、50.5 mg/L、22 mg/L。如图4所示调节碱度后，氨氮的去除率有所上升，即硝化率提高了，由原来的60%左右升高到75%左右。

2.3 硝酸盐氮的变化

由图5可见未外加碱度时生物转盘1、2、3级硝酸盐氮的浓度分别在4 mg/L、5 mg/L、9 mg/L左右，硝化率较低。由图6可见调节碱度后第三级出水硝酸盐氮含量大幅度提高，出水值在20 mg/L左右。硝化反应过程生成一定量的酸，会使系统的碱度不断下降，抑制了硝化反应的进行，加入碱后，中和一部分生成的酸，提高了系统的硝化率。所以氨氮的去除率上升，硝酸盐氮的含量增加。

2.4 亚硝酸盐氮的变化

在生物转盘的整个运行过程中亚硝酸盐氮的含量一直很低，图7所示。通常各级亚硝酸盐氮的浓度均在0.5 mg/L以下。原因是温度过低，高温更有利于亚硝化细菌的生长繁殖[10]。调解碱度后亚硝酸盐氮的浓度亦无较大变化。可能是由于生物转盘具有同步硝化反硝化的功能，一部分生成的亚硝酸盐被还原成氮气，所以碱度调节前后亚硝酸盐氮的变化不大。

2.5 总氮的处理效果

由图8可见：温度15 ℃左右时，系统对总氮的去除率在50%左右。去除的氮量超过了生物自身生长繁殖所需要的氮量，证明了生物转盘有一定的除氮功能。起主要脱氮作用的是第一级转盘，原因是第一级转盘内由于进水有机物含量较高，微生物生长繁殖较快，转盘的生物膜厚度大，膜内的厌氧、缺氧环境范围大，为反硝化菌的生长繁殖提供了一定的空间，反硝化脱氮的效果较好。另外由图6可知第一级转盘出水硝酸盐氮的含量低于原水硝酸盐氮的含量，减少的部分被反硝化菌还原为氮气，而二、三级转盘的硝酸盐氮含量是逐渐增加的，也说明了第一级转盘起主要脱氮作用。但是出水总氮浓度仍然较高，在20～25 mg/L左右。

2.6 增设回流系统的实验结果和讨论

由于转盘出水硝酸盐氮含量较高，说明反硝化效果不好。增加了硝化液回流系统，出水由二沉池上部回流至进水口，同时调节转速至5 r/m in，以减小氧化槽内的溶解氧浓度，更有利于反硝化反应的进行。不同的回流比时，生物转盘约运行21天。

表5 不同回流比时总氮的去除效果

由表5可知，增加回流后，总氮的去除率提高。在回流比为100%、200%、300%时，总氮的去除率分别为58.53%、73.87%、66.30%。

RBC的转速降低，各级溶解氧的浓度随之下降，生物膜内部缺氧环境范围扩大。硝化液回流至反应器前端，为系统的反硝化反应又提供了足够的反应底物，有利于各级内反硝化菌的生长、繁殖。所以增加了硝化液循环系统后，总氮的去除率显著提高。

随着回流比的增加，TN和COD的去除率均有增加。在回流比为200%，TN去除效果好于100%和300%。这是因为回流比小时DO浓度过低，生物絮凝体内微环境倾向于向缺氧或厌氧状态发展，提高了系统的反硝化能力，但会对一部分硝化菌产生抑制作用，影响了硝化反应。硝化率下降，反硝化反应没有足够的底物，导致整体的脱氮率不高。所以回流比为100%，总氮的去除率仅为58.53%。回流比继续增加，使氧化槽内的溶解氧值随之增大。回流比为200%，总氮的去除率为73.87%。回流比继续增加到300%，DO浓度也继续增加，氧的穿透能力增强，使得生物膜内部缺氧和厌氧区域范围缩小，有利于提高NH+4-N的去除率，但却大大降低了系统的反硝化能力，进而降低了对 TN的去除率[11]。所以回流比为 300%时，去除率降低到66.30%。

3 结 论

（1）转盘系统由于生物量较大除碳效果较好，水力停留时间8 h，温度15 ℃，在进水COD浓度为400 mg/L左右时，COD去除率均值85%。

（2）氨氮的硝化率一般在60%～70%之间，系统运行时应注意添加碱防止硝化率的下降。

（3）总氮的去除率在 50%左右。增设硝化液回流系统后，总氮的去除率显著提高，特别是回流比为200%时，TN去除率可达73.87%.

（4）装置在15 ℃对C和N仍有较好的同步去除效果，所以生物转盘在气温较低地区有一定的应用前景。

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COD and nitrogen removal w ith rotating biological contactor

LI Fang1,2，CUI Hongmei1,2，LÜ Bingnan3
（1Department of Water Draining and Supply，School of Civil Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，Heilongjiang，China；2Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention，M itigation and Protection Engineering，Daqing 163318，Heilongjiang，China；3School of Municipal & Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，Heilongjiang，China）

A 3-stage rotating biological contactor was used to study simultaneous removal of COD and nitrogen. When temperature was 15 ℃ and influent COD concentration was about 400mg/L，removal rate of COD was about 85% . Through controlling proper alkalinity nitrification rate of ammonia was about 75% and removal rate of TN was about 50%. After addition of a nitrification liquid circulation system，removal rate of TN，at reflux ratio of 200% increased to 73.87 %. Experimental results showed good effect of rotating biological contactor on removing COD and nitrogen.

rotating biological contactor；removal rate of total nitrogen；removal rate of COD；reflux ratio

X 703

A

1000–6613（2012）–07–1615–05

2012-02-10；修改稿日期：2012-02-24。

及联系人：李芳（1979－），女，硕士，讲师，主要研究方向为污水及含油污泥处理。E –mail lif1216@163.com。