活性污泥包埋固定化在氨氮废水处理中的特性分析

刘大伟 张燕 陈瑶 甘琦 于洋

摘要：水体富营养化是当前比较关注的一个环境问题，而引起水体富营养化的原因主要就是氨氮。由于城镇化进程和社会经济发展，氮、磷等营养元素过度排放到环境中，不仅引起水体富营养化，而且水体中的氨氮通过电离平衡转化成游离氨，对水生生物和人体造成严重影响，因此，如何去除废水中的氨氮成了研究的重点。采用聚乙烯醇包埋硝化驯化后的活性污泥制备固定化颗粒，可达到去除废水中氨氮的效果。

关键词：活性污泥;包埋固定化;氨氮;废水处理

中图分类号：X703            文献标识码：A

1 氨氮废水概述

氨氮废水主要来源于化工、冶金等行业，一般的氨氮废水中的氮主要包括两种，一种是有机氮，一种是无机氮[1]。其中，无机氮包括氨态氮和硝态氮。有机氮在废水中主要以蛋白质、尿素的形式呈现，通过氨化作用可以生产氨氮。

含有大量氨氮的废水对环境和人体健康都会造成较大的影响。一方面废水中的氨氮是造成水体富营养化和环境污染的重要物质，易引起水中藻类及其他微生物大量繁殖，使得自来水处理厂运行困难，造成饮用水异味，严重时会使水中溶解氧下降，鱼类大量死亡，甚至会导致湖泊的干涸[2]。另一方面，氨氮还会使给水消毒和工业循环水杀菌处理过程中增大用氯量;对某些金属（铜）具有腐蚀性;当污水处理后再利用时，再生水中氨氮可以促进输水管道和用水设备中微生物的繁殖，形成生物垢，堵塞管道和用水设备，并影响换热效率。其次，氨在硝化细菌的作用下氧化为亚硝酸盐及硝酸盐，硝酸盐由饮用水而诱发婴儿的高铁血红蛋白症，而亚硝酸盐水解后生成的亚硝胺具有强烈的致癌性，直接威胁着人类的健康。

近年来，我国富营养化的湖泊、河流的比例不断增加，尤其是沿海更是不断发生赤潮、蓝藻大规模爆发等状况，因此，有效处理含氨氮有机废水对于保护环境和人类生态健康具有重要意义。

2 活性污泥包埋固定化处理氨氮废水

当前，处理氨氮废水的方法多种多样，而活性污泥包埋固定化作为一种生物处理方法具有良好的处理效率，该技术可以将具有硝化功能的微生物固定在载体内部，在保持一定浓度的同时，也可以进一步降低对环境的影响，提高其抗干扰能力。本文主要就活性污泥包埋固定化处理氨氮废水进行详细的探讨。

2.1 材料制备

包埋固定化颗粒的制备主要包括活性污泥驯化，制备颗粒，系数测定这几个过程。第一步，污泥驯化。污泥驯化主要就是对已经培养成熟的污水活性污泥采用一定的处置手段，将其转化为具有处理特定工业废水能力的过程[3]。本研究选取污水处理厂生化池的活性污泥作为接种活性污泥，采用含有大量氨氮的废水作为处理对象，控制进入氨氮浓度、COD、pH。同时采用间歇运作的方式进行污泥驯化。在将污泥间歇培养十五天之后，污泥的氨氧化速度达到0.06 mg（g·min）-1，这时的污泥具有良好的硝化性能。第二步，制备包埋颗粒。选取海藻酸钠、氧化铝、聚乙烯醇按比例进行混合，并将混合物进行超声处理，然后将经过处理后的混合物和驯化后的污泥混合。向混合后的污泥滴入适量的硼酸溶液，形成颗粒，将其放入一定温度下的冰箱中进行交联固化。半个小时之后，将颗粒取出放入0.5 mol·L-1的硫酸钠溶液中储存。两个小时后，将颗粒去除并用生理盐水进行清洗，在一定温度下的去离子水中进行保存。第三步，系数测定。这一步骤主要是对氨和氧两种物质的扩散系数进行测定。首先，先对氨传质进行测定。将制成的颗粒放入清水中进行曝气，从而将颗粒中含有的氨氮去除。在烧杯中配制一定浓度的模拟废水（模拟废水的组成成分见表1），废水和颗粒的体积比为一比四，同时要对pH进行调节，避免颗粒发生硝化反应。

2.2 实验方法

本实验在SBR反应器中进行，将含有氨氮的废水通入SBR反应器中，废水在反应器中依次进行曝气、沉淀、静置等工序，然后将上清液排出。在初始氨氮浓度的条件下，分别投入装有颗粒、污泥、污泥和颗粒混合的反应器，同时保持三个反应器处于相同的环境状态。

NH4+——N采用纳氏试剂光度法，NO3-——N采用紫外分光光度法，DO采用便携式溶解氧仪进行测定，NO2-——N采用N——（1-萘基）-乙二胺光度法。

2.3 分析讨论

2.3.1 活性污泥包埋颗粒的驯化

在實验正式开始前，因为活性污泥包埋颗粒处于初期的保存状态，因此呈现发黑、气味发臭的状态。其中，厌氧和兼性氧细菌占主要的优势。经过一段时间的驯化，包埋颗粒才呈现出较好的硝化活性，颜色呈现红棕色，这表明驯化完成。驯化初期，氨氮的浓度维持在40 mg/L左右，当硝化程度不断增大时，也不断提高驯化基质浓度，这时的微生物因为不能很好地适应浓度环境而迅速变少，但是后期慢慢又会恢复到最多。低浓度的驯化时间比高浓度的驯化时间长，微生物已经适应底物浓度同时呈现出较高的活性，之后再提高浓度也会呈现较强的适应性和硝化能力。此外，在驯化过程中pH也会对颗粒的硝化活性产生影响。在驯化初期，较高的pH产生的游离氨会抑制微生物的硝化活性。随着硝化率的增加pH会降低，提高浓度时微生物的硝化活性会突然降低而pH升高，然后又呈现下降的趋势，这说明硝化过程产生的酸和投入的碱发生了中和反应，使整个溶液处于适于微生物生长的pH环境。

2.3.2 污水中氮浓度的变化

当初始氨氮浓度不同时，不同氮形态含量也呈现不同的变化。当初始氨氮浓度为50 mg/L和100 mg/L时，氨氮分别在4.5 h和6.5 h内实现全部去除。在末期，氨氮的去除率逐渐降低，同时还发现亚硝酸氮比硝酸氮含量高，这说明AOB对氨氮的氧化速率始终大于NOB对亚硝化氮的氧化速率。在初始条件下，周期内总氮去除率主要维持在12%左右，这表明氨氮浓度较高的时候，总氮去除效率的差别就不太明显，这可能是因为高浓度氨氮比较容易在弱碱性条件下发生氨气逸出。

2.3.3 污泥包埋微生物硝化活性的间歇实验

在氧气传递和氨氮浓度不受限制的条件下，硝化过程属于零级反应，也就是在整个反应过程中，基质浓度的变化只和反应时间相关[6]。本实验分别取浓度为100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L、500 mg/L、600 mg/L、700 mg/L的模拟氨氮废水对颗粒硝化活性进行实验。最后结果表明，氨氮的浓度随着时间的增长不断减少，并且反应速率的变化和初始浓度是无关的，这和零级反应的特征是相符合的。在降解过程中，亚硝酸氮的浓度只在1 h处有一个微峰就下降，这表明经过驯化后的包埋颗粒内有足够的硝化细菌，使反应过程中的亚硝酸进一步氧化成为硝酸盐而不至于积累。

综上所述，一方面，固定化技术提高了硝化细菌的生物借截流量，大大提高了生物停留的时间，另一方面，常温下，氨氮废水的消化速率远远大于游离菌的硝化速率。和传统处理氨氮废水的方法相比，活性污泥包埋法具有较好的处理效率，无须污泥回流，节省了基础建设投资，具有较大优势。

参考文献

[1] 赵昕燕.包埋活性污泥实现短程硝化微生物结构特点[J].节能与环保，2019，38（6）：53-55.

[2] 宋佳强，李军，陈光辉，等.pH值对包埋固定化技术反硝化脱氮的影响[J].中国给水排水，2019，35（3）：78-82.

[3] 侯连刚，李军，陈光辉，等.微生物菌体包埋固定化技术在废水处理中的应用[J].水处理技术，2019，45（1）：1-5.

[4] 孙洪伟，尤永军，赵华南，等.游离氨对硝化菌活性的抑制及可逆性影响[J].中国环境科学，2015，35（1）：95-100.

[5] 刘少敏，储磊，朱敬林.固定化硝化细菌去除生活污水中的氨氮[J].环境工程学报，2014，35（10）：4261-4266.

[6] 王静萱，李军，张振家，等.固定化包埋颗粒对二级出水深度脱氮特性研究[J].环境科学学报，2013，34（2）：389-394.

[7] 李婧，党志，郭楚玲，等.复合固定化法固定微生物去除芘[J].环境化学，2012，31（7）：1036-1042.