MBBR中HRT与pH对短程硝化反硝化的影响

李　娜，胡筱敏，李国德，姜彬慧（.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳0004；.沈阳师范大学实验中心，辽宁沈阳0034）

试验研究

MBBR中HRT与pH对短程硝化反硝化的影响

李娜1，2，胡筱敏1，李国德2，姜彬慧1
（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004；2.沈阳师范大学实验中心，辽宁沈阳110034）

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去除率的变化较小，NH4+-N去除率和出水NO2--N则随着pH的增大先增大后减小，pH在8～9时对NH4+-N的处理效果最好，出水NO2--N最高。

移动床生物膜反应器；水力停留时间；pH；短程硝化反硝化

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〔1-5〕。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〔6-8〕。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〔9-11〕。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〔12-13〕。

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〔14-15〕，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　试验工艺与方法

1.1工艺流程

试验工艺流程如图1所示。

图1　试验工艺流程

废水通过蠕动泵从进水槽连续进入反应器的底部，处理后的水则通过反应器顶部的小孔溢流而出。反应装置底部有微孔砂芯曝气头，以保证充足的溶解氧，并使附着生物膜的填料能够呈流化状态，曝气量通过转子流量计控制。反应器内在距底部曝气头和顶部出水口5 cm处都设有隔板，防止填料堵塞排污口及出水口。反应器顶部盖板上装有可调速搅拌机，装置运行过程中搅拌与曝气交替运行，通过有氧曝气与缺氧搅拌交替运行能够在MBBR中更好地实现短程硝化反硝化。该装置有温度与pH传感系统，可自动调控温度，并自动加药调控pH。

1.2测试项目与方法

COD——重铬酸钾法；NH4+-N——纳氏试剂比色法；NO2--N——N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；NO3--N——紫外分光光度法；MLSS、MLVSS——重量法；pH——仪器法。

1.3试验用水

试验用水采用模拟生活污水，以NH4Cl和葡萄糖作为氮源和碳源。配水中NH4+-N为45～60mg/L，COD为300～550mg/L。模拟污水中还含有NaHCO3（400 mg/L）、CaCl2（4 mg/L）、MgSO4·7H2O（40 mg/L）、KH2PO4（40 mg/L）以及微量元素（0.6mL/L）。微量元素组成：FeCl3（375 mg/L）、H3BO3（37.5 mg/L）、CuSO4·5H2O（7.5 mg/L）、KI（45 mg/L）、MnSO4·H2O（25.69mg/L）、ZnSO4·7H2O（30mg/L）、EDTA（2 500 mg/L）、CoCl2·6H2O（50 mg/L）、Na2MoO4·2H2O（20 mg/L）。该模拟生活污水pH在7.2左右。

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，结果如图2所示。

图2　不同HRT下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的变化

由图2可以看出，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的延长先增大后减小，当HRT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，结果如图3所示。

图3　不同HRT下COD的变化

由图3可以看出，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，结果如图4所示。

图4　不同pH下NH4+-N、NO2--N、NO3--N的变化

由图4可以看出，当pH由5增加到9时，出水NH4+-N随着pH的增大而减小，当pH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，结果如图5所示。

图5　不同pH下COD的变化

由图5可以看出，随着pH的变化，COD的去除稳定，波动较小，说明该MBBR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，结果如图6所示。

图6　生物膜中微生物的SEM图像

由图6可以看出，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的增大而减小，当pH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，波动较小，不同pH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。

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Influences ofhydraulic retention time（HRT）and pH on shortcutnitrification and denitrification in them oving bed biofilm reactor（MBBR）

LiNa1，2，Hu Xiaomin1，LiGuode2，Jiang Binhui1
（1.School of Resourcesand Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110004，China；2.Experimental CenterofShenyang NormalUniversity，Shenyang110034，China）

In order todevelop an economicaland efficientbiologicalnitrogen removing process，the research on shortcut nitrification and denitrification has been conducted in MBBR，and the influences of HRT and pH on shortcut nitrification and denitrification have been investigated.The results show that in the process of shortcut nitrification and denitrification，under the following conditions：at room temperatureand without dissolved oxygen control，the removing ratesofNH4+-N and COD increasewith the lengtheningofHRT，and effluentNO2--N increases firstand then decreaseswith the lengthening of HRT.The effluent NO2--N is the highest，when HRT is 8 h.The COD removing rate does not changemuch，when pH increases from 5 to 10.The removing rate of NH4+-N and effluentNO2--N increase firstand then decreasewith the increaseofpH.The treatmenteffecton NH4+-N is thebestand effluentNO2--N is thehighest，when pH is8-9.

moving bed biofilm reactor（MBBR）；hydraulic retention time（HRT）；pH；shortcut nitrification and denitrification

X703

A

1005-829X（2016）10-0020-04

国家科技重大专项——水体污染控制与治理（2013ZX07202-010）；辽宁省教育厅一般项目（L2014437）；沈阳市科技计划项目（F15-199-1-21）；辽宁省大型仪器设备共享服务平台能力建设基金项目（2015年）

李娜（1981—），博士，高级实验师。E-mail：lina218@ 126.com。

2016-08-11（修改稿）