污染河道水质强化脱氮生化工艺研究

孙永明，赵晓明，葛 俊，黄天寅

（1.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215128；2.中国水利电力对外公司，北京 100120；3.苏州科技学院，江苏 苏州 215009）

污染河道水质强化脱氮生化工艺研究

孙永明1，赵晓明2，葛 俊3，黄天寅3

（1.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215128；2.中国水利电力对外公司，北京 100120；3.苏州科技学院，江苏 苏州 215009）

应用生化工艺对河道污染水体进行修复是目前最经济的一条途径，但其面临的一个突出问题是在生物脱氮过程中可利用碳源不足，从而影响其处理效果。本研究采用分段进水生物接触氧化工艺来强化受污染水脱氮性能，与传统单点进水方式相比，两段进水对有机物和总氮去除率有显著提升，CODMn平均去除率从50.6%提升到66.3%；总氮平均去除率从31.4%提升到60.9%。沿程统计硝化细菌和反硝化细菌数量，硝化细菌主要集中在曝气区，数量为5.58×106，反硝化细菌主要集中在非曝气区的中后段，数量为6.49×105。同时检测沿程溶解氧和各氮素浓度，溶解氧浓度沿程降低，最后出水仅为0.2mg/L；氨氮在曝气区转化为硝态氮，在非曝气区硝态氮还原成氮气，其结果进一步证实了硝化细菌和反硝化细菌的分布特征。

生物接触氧化；生物膜；分段配水；脱氮

1 研究背景

近年来，随着我国城镇化进程的不断推进，河流发展成天然纳污场所，有机物、氮磷污染严重，尤其是流经城镇的中小河流更容易受到人类活动的影响和破坏［1］。在各种水体修复技术中，生物膜技术因其微生物群落丰富［2］、运行性能稳定［3］、运行成本低［4］等特点，在中小河流受污染水体净化中有较大应用潜力［5］。生物接触氧化是一种重要的生物膜净化水体措施，国内外学者主要对接触氧化工艺中填料类型［6-7］、生物膜特征［8-9］等方面做了大量的研究。生物接触氧化技术特别适用于低污染河水治理，在日本和欧美等国家河流修复治理中得到了广泛应用，据日本建设省统计，在日本全国实施的河流直接净化项目80%采用生物接触氧化工艺［10］。生物接触氧化系统对有机物和氨氮具有较好的去除效果，总氮去除效果较差。要使生物接触氧化工艺中达到较好的脱氮效果，其常用的措施包括改变曝气方式、改变进水方式和外碳源投加等。徐京等［11］通过改变曝气时间和停曝时间的长短得出缩短曝气时间可改善脱氮性能。李璐等［5］比较研究分段进水和内循环生物接触氧化工艺得出分段进水下的CODCr和TN去除率更高。有研究［12］指出通过外加碳源能够达到良好的反硝化效果，但其运行成本较高。对于有机物污染程度较轻的河流水体，碳源相对缺乏，并且微生物对碳源利用率不高，异养型反硝化菌的生长与富集受到抑制，这是造成脱氮效果不佳的主要原因［13］。为了强化生物膜的脱氮性能，仅靠曝气方式优化提升有限，本文考虑分段进水来提高碳源利用率，从而增加脱氮效果。针对白鹤溪氮素污染相对较轻，C/N比较低的特点，试验过程中设计两段进水方式的生物接触氧化工艺来强化生物膜的脱氮性能。

2 材料与方法

2.1 试验装置试验装置为自制的生物接触氧化模拟反应器，采用有机玻璃制成，装置尺寸（长×宽×高）：150 cm×30 cm×40 cm，具体构造见图1。试验过程中采用天然火山岩砾石作为填料，购于云南省腾冲县某一火山岩开采厂，其粒径为30～50mm，孔隙率约为40%，填料床厚度为30 cm。模拟装置分为曝气区和非曝气区，其容积比为1∶2。曝气区下方铺设曝气管道，曝气系统采用电磁式空气泵ACO-016，通过气体转子流量计计量。试验用水经高位水箱初沉以后，由蠕动泵（兰格BT300-2J）控制进水流量，泵头规格为YZ2515x。

图1 试验装置

2.2 试验用水试验用水直接取自白鹤溪流经大理古城段受污染河水。试验期间ρ（CODMn）为9.59～16.62mg/L，平均值为12.91mg/L；ρ（TN）为3.44～5.07mg/L，平均值4.48mg/L；ρ（NH4+-N）为2.57～3.68mg/L，平均值3.21mg/L。

2.3 试验方法模拟装置在自然挂膜方式下连续运行3个月后，开始进行受污染河水强化脱氮性能研究，此时生物膜成熟，肉眼可观察到填料表面附着一层黄褐色膜状物。为了考察在两段进水工况下对污染物的去除效果，试验以单段进水方式运行为参照，其中单段进水工况下运行10 d，两段进水工况下运行20 d。试验过程中，曝气区和非曝气区容积比1∶2，总平均停留时间为4 h，进水流量分配比为2∶3，回流比为30%。

2.4 检测项目及分析方法

2.4.1 常规指标分析 常规指标监测方法参照《水和废水监测分析方法》［14］。CODMn：酸性高锰酸钾法；TN：过硫酸钾氧化紫外分光光度法；NH4+-N：水杨酸-次氯酸盐分光光度法；NO3—N：紫外分光光度法；NO2--N：N-（1-蔡基）-乙二胺分光光度法。

2.4.2 硝化细菌和反硝化细菌计数 硝化细菌和反硝化细菌的计数采用最大可能数计数法（most prob⁃able number，MPN），具体分析方法参照《土壤与环境微生物研究法》［15］。在反应器曝气区O、非曝气区A1、A2分别取出适量砾石填料敲碎后放入对应的锥形瓶中，加入适量聚山梨酯-80在振荡器内振荡，使生物膜从砾石表面分离出来，最后取分离液进行稀释涂布常规接种测试。

（1）硝化细菌测定。①培养基及试剂。改良斯蒂芬逊（Stephenson）培养基B： NaNO2为1.0 g；K2HPO4为 0.75 g；NaH2PO4为0.25 g；MgSO4×4H2O为0.01 g；MgSO4×7H2O为0.03 g；Na2CO3为1.0 g；CaCO3为1.0 g；蒸馏水1000m L；二苯胺试剂；氨基磺酸铵溶液；格里斯试剂。

②方法和步骤。取出灭菌分装好的各培养基试管，用无菌吸管接种样品的稀释液1m L，每个稀释度接种3～5管，接种5个稀释度（10-2、10-3、10-4、10-5、10-6），另取一管培养基接种1m L无菌水进行对照。将接种后的培养液放置在振荡恒温培养箱中进行培养，温度设置25～30℃，转速100 r/min，培养10 d，取出待检。滴加浓度为200mg/L的氨基磺酸铵溶液2滴，反应5m in以去除培养液中NO2-（加入格利斯若不呈红色，证明亚硝酸盐已完全消失）。滴加二苯胺试剂2滴，如呈蓝色，则证明培养液中存在硝化细菌。最后，根据呈现蓝色试管的稀释度及其数量查MPN表确定硝化细菌数量。

（2）反硝化细菌测定。①培养基及试剂。KNO3为2.0 g；MgSO4×7H2O为0.2 g；K2HPO4为1.0 g；KH2PO4为1.0 g；柠檬酸钠为5.0 g；蒸馏水1000m L；pH 7.2；二苯胺试剂；格里斯试剂。

②方法和步骤。取出灭菌分装好的各培养基试管，用无菌吸管接种样品的稀释液1m L，每个稀释度接种3～5管，接种五个稀释度（10-2、10-3、10-4、10-5、10-6），另取一管培养基接种1m L无菌水进行对照。将接种后的培养液放置在振荡恒温培养箱中进行培养，温度设置25～30℃，转速100 r/m in，培养10 d，取出待检。根据杜氏小管内是否有气泡出现，确定有无氮气生成，并用格利斯试剂I及Ⅱ检测有无亚硝酸盐生成，用二苯胺试剂检测硝酸盐，判断反硝化作用进行情况。根据确定存在反硝化细菌试管的稀释度及其数量查MPN表确定反硝化细菌的数量。

3 结果与讨论

3.1 有机物去除效果分析比较分段进水前后CODMn去除效果，从图2可看出，两段进水工况下对有机物去除有一定的促进作用，分段前后其CODMn平均去除率分别为50.6%和66.3%。试验期间进水CODMn平均浓度为12.91mg/L，采用两段进水方式的装置出水中CODMn平均浓度仅为5.45mg/L，满足地表水Ⅲ类标准。有机物的去除主要是靠填料表面生物膜吸附及生物氧化降解作用，其中生物降解作用占主导地位，同时非曝气区反硝化作用消耗碳源，增加了对有机物的去除。

图2 分段进水生物接触氧化工艺对有机物去除效果

图3 分段进水生物接触氧化工艺对TN去除效果

3.2 TN去除效果分析从图3看出，单段进水和两段进水条件下，TN平均去除率分别为31.4%和60.9%，相对来说两段进水生物接触氧化工艺脱氮性能明显提升。试验期间原水中总氮浓度较高，其平均浓度为4.47mg/L，属于劣V类标准，经过分段进水强化脱氮处理后，出水中TN整体低于地表水Ⅴ类标准。生物脱氮反应主要发生在非曝气区，非曝气区容积大，缺氧水力停留时间长，有研究指出这可增强反硝化菌的富集程度和反硝化性能［16］。非曝气区内溶解氧随沿程逐渐下降，其缺氧环境有利于反硝化作用。在非曝气区设置第二点进水后，有效补充了装置后端反硝化作用对碳源的需求，提高了原水中碳源的有效利用率，使脱氮效率提升。

3.3 脱氮除碳过程分析

3.3.1 沿程硝化、反硝化细菌数量分布情况 通过试验测定，在曝气区O内溶解氧充足，能保证硝化细菌的良好生长，其数量最多，达到5.58×106个/克填料，反硝化细菌数量很少，其数量在796个/克填料左右，主要是通过出水回流携带进O区。随水流进入非曝气后，反硝化细菌数量开始快速增加，在A1区，反硝化细菌数量为8.84×104个/克填料。因曝气区末端溶解氧随水流部分携带进非曝气区，A1区不能马上达到缺氧环境［17］，此区域硝化细菌还存在1.13×103个/克填料。原水在非曝气区内停留时间较长，水体中残留的溶解氧在A2区也几乎消耗殆尽，此区域内反硝化细菌为优势菌种，其数量为6.49×105个/克填料，硝化细菌仅为372个/克填料。

3.3.2 沿程溶解氧分布情况 试验进水中溶解氧在2.48 mg/L左右，曝气区溶解氧上升到接近4 mg/L，这有利于异氧菌和硝化细菌的生长。在非曝气区溶解氧快速下降，A1区因曝气区末端溶解氧部分携带的影响，该区域溶解氧在1.2 mg/L左右，从硝化细菌数量也能侧面反映出该区的溶解氧水平。在A2区溶解氧继续下降至0.5mg/L，检测出水溶解氧仅为0.2mg/L。

表1 沿程硝化细菌和反硝化细菌数量分布

图4 两段进水条件下沿程溶解氧分布情况

图5 两段进水条件下沿程各氮素浓度变化情况

3.3.3 沿程氮素浓度变化情况 通过试验测定得到在装置沿程浓度，其变化情况见图5。在模拟装置内，沿程一直下降，硝化反应主要发生在曝气区，在此区内氨氮浓度从进水的3.18mg/L下降到1.06mg/L，后段非曝气区氨氮去除较少，最终出水浓度为0.57mg/L，总体去除率为82.1%。浓度沿程先快速升高后降低，曝气区内硝化细菌数量充足，原水中和回流的氨氮通过硝化反应转化为，此区域硝化液浓度达到了3.08mg/L，高浓度硝化液进入非曝气区，在第二点进水补充碳源后进行反硝化脱氮，最终出水硝态氮为1.15mg/L，比进水浓度略高。装置内浓度很低，在0～0.02mg/L之间，沿程变化不大。TN的去除主要发生在非曝气区内，其去除率为61.1%，出水TN低于地表水Ⅴ类标准。

4 结论

（1）生物接触氧化模拟系统中，采用两段进水方式，运行工况较佳，其对有机物和总氮去除率相比采用单点进水方式有较大提升，CODMn平均去除率从50.6%提升到66.3%，总氮平均去除率从31.4%提升到60.9%。（2）生物接触模拟系统沿程中，硝化细菌主要集中在曝气区，反硝化细菌集中在非曝气区，但非曝气区前段因为曝气区溶解氧携带部分硝化细菌，在曝气区内的少量反硝化细菌是由于回流携带所致。硝化细菌和反硝化细菌数量也能侧面反映沿程溶解氧分布和各氮素转化情况。（3）生物接触氧化法应用于受污染水体原位修复过程中，对于低C/N河道水体，采用分段进水方式能够提高水体中碳源利用率，提升脱氮效率，同时工程应用中池体容积小，抗冲击负荷能力强。

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Biological process for the denitrification enhancem ent of the polluted river

SUN Yongm ing1，ZHAO Xiaom ing2，GE Jun3，HUANG Tianyin3
（1.Jiang Su TaiHu Planning and Design InstituteofWater ResourcesCo.，Ltd.，Suzhou 215128，China；2.China InternationalWater&Electric Company，Beijing 100120，China；3.Suzhou Uninversity of Scienceand Technology，Suzhou 215009，China）

Biological process is one of the most econom ical methods for polluted river treatment.However, the traditional bio-denitrification efficiency is still very low due to the carbon deficiency in this process.In this work，two step-feeding contact biological process is used to treat polluted water.The average CODMn removal efficiency of two step-feeding contact biological process is improved to 66.3% comparing with that of 50.6% of regular single feeding process，while the average total nitrogen removal efficiency of two step-feeding contact biological process is 29.5%higher than that of regular single feeding process.The num⁃ber of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria in the reactor was counted and presented in this paper. The number of nitrifying bacteria is 5.58×106，and it is concentrated in aeration zone.Most of denitrifying bacteria is in the m idd le and last part of non-aeration zone，and its number is 6.49×105.Ammonia nitro⁃gen in aeration zone is transformed into nitrate nitrogen in aeration zone，while nitrate nitrogen is denitri⁃fied into nitrogen in anoxic zone，which further proves the distribution of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria.The dissolved oxygen and nitrogen concentration in the different zone of the reactor are also moni⁃tored.The oxygen concentration in the reactor decreased gradually along the flow direction，and it is only 0.2 mg/L in the effluent.Therefore，two phase step-feeding process is illustrated to be more effective in or⁃ganic and nitrogen removal than regular single feeding process.

biological contact oxidation process；biofilm；step-feeding；denitrification

X522

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.04.009

1672-3031（2015）04-0295-05

（责任编辑：韩 昆）

2015-01-29

孙永明（1976-），男，江苏盐城人，高级工程师，主要从事水环境与水工结构研究。E-mail：thysym@126.com