溶解氧对生物接触氧化+生物流化床联合脱氮效果的影响*

许德超 朱婷婷 阳立平 张 巧 尹 雪 谢帮蜜 彭盛华

(深圳市环境科学研究院，国家环境保护饮用水水源地管理技术重点实验室(深圳)，深圳市水环境中新型污染物检测与控制重点实验室，广东 深圳 518001)

生物接触氧化法兼具活性污泥法与生物膜法的特点，是目前研究的热点[1-2]。生物流化床具有微生物相多样化、微生物浓度高、耐冲击负荷等优点[3]4140，也得到了广泛研究和应用[4-6]。研究者曾将不同工艺联合以提升处理性能，如生物接触氧化与人工湿地联合[7-8]，生物流化床与生物滤池联合[9]，生物流化床与膜生物反应器联合[3]4140，均取得了较好的处理效果。目前生物接触氧化法与生物流化床法联合处理生活污水的研究很少。

生物膜反应器可在生物膜内形成氧浓度梯度，为亚硝化菌、厌氧氨氧化菌和反硝化菌生长提供适宜的生长环境[10]7331,[11]1998,[12]754，实现氨氮和TN的同步去除。当溶解氧(DO)浓度较高时亚硝化菌活性增强，同时厌氧氨氧化菌活性受到抑制，而当DO浓度较低时亚硝化菌活性受到抑制，氨转化速率下降[13-14]。适宜工况下亚硝化菌、厌氧氨氧化菌和反硝化菌可在一个反应器中实现TN和有机物的去除[15]。此外，生物曝气约占污水处理厂总能耗的50%～70%[16]，优化曝气可降低能耗。可见，DO浓度是重要的运行参数，但是DO浓度对生物接触氧化+生物流化床联合脱氮效果的影响不得而知。

本研究采用生物接触氧化法+生物流化床联合处理污水，设置不同DO浓度考察两种生物膜法的氨氮氧化、反硝化、厌氧氨氧化等过程，研究不同DO浓度对脱氮效果的影响，为后续研究和应用提供指导。

1 材料与方法

1.1 污水来源

本研究采用的污水来自化粪池，为实际生活污水，水质特点见表1。

表1 污水水质

1.2 中试设备与运行设计

本研究采用中试设备(运行工艺见图1)处理实际污水，规模为2 t/d，连续进出水，运行参数见表2。污水首先进入有组合填料的生物接触氧化池，处理后进入生物流化床。生物流化床填料为内含海绵块的多孔塑料球壳，直径80 mm，曝气时呈流化态。污水经处理后进入沉淀池固液分离，污泥沉淀后通过排泥泵输送至贮泥池。控制生物接触氧化池和生物流化床的曝气量可实现DO浓度调控。实验分3个运行阶段，每阶段运行30 d。第Ⅰ阶段生物接触氧化池和生物流化床的DO分别控制为(1.5±0.4)、(1.6±0.4) mg/L。第Ⅱ阶段仅将生物接触氧化池DO提高至(2.8±0.6) mg/L，后者曝气量不变。第Ⅲ阶段进一步将生物接触氧化池DO提高至(4.6±0.8) mg/L，后者曝气量不变。检测生物接触氧化池和生物流化床内各形态氮、COD的浓度，分析脱氮效果。

图1 运行工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of operation process

表2 运行参数

1.3 分析方法

从进水和中试设备反应池采集水样检测各指标，水样以0.45 μm膜过滤后检测。COD采用重铬酸钾法检测，TN采用过硫酸钾氧化法检测，氨氮采用水杨酸-次氯酸分光光度法检测，硝酸盐氮采用紫外分光光度法检测，亚硝酸盐氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法检测。

2 结果与讨论

2.1 第Ⅰ阶段脱氮效果

第Ⅰ阶段生物接触氧化池和生物流化床的DO分别控制为(1.5±0.4)、(1.6±0.4) mg/L。生物接触氧化池氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮变化见图2。由图2可知，经生物接触氧化池处理后氨氮由(20.4±4.1) mg/L降至(8.3±1.9) mg/L，去除率为59.8%±4.4%。硝酸盐氮和亚硝酸盐氮质量浓度分别由进水的(2.80±1.61)、(0.20±0.17) mg/L升至(3.83±1.43)、(1.05±0.56) mg/L。氨氮浓度降低而硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度升高，可见氨氮被氧化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。TN和COD变化见图3。经生物接触氧化池处理后TN由进水的(24.4±3.6) mg/L降至(13.7±2.2) mg/L，去除率为43.5%±4.6%。可见虽没有专门设置缺氧段，生物接触氧化池仍有一定的脱氮效果。COD由进水的(99.2±12.1) mg/L降为(44.4±3.9) mg/L，去除率为54.6%±6.7%。COD去除效果不理想，可能是DO浓度较低，影响好氧微生物活性，不利于有机物氧化分解。

污水由生物接触氧化池进入生物流化床进一步处理，DO为(1.6±0.4) mg/L。各形态氮和COD的去除效果见图4。氨氮由(8.3±1.9) mg/L降至(3.6±1.1) mg/L，去除率为57.2%±7.1%，同时硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度也降低。这说明生物流化床存在脱氮反应(反硝化或厌氧氨氧化)。因此，TN质量浓度也降低，由(13.7±2.2) mg/L降至(6.2±1.2) mg/L，去除率为53.1%±13.0%。COD质量浓度降低，由(44.4±3.9) mg/L降至(22.9±3.7) mg/L，去除率为48.2%±8.9%。经过生物接触氧化池和生物流化床联合处理，TN去除率为73.7%±6.9%，本研究未设缺氧段但取得了较好的脱氮效果。

图2 第Ⅰ阶段生物接触氧化池的各形态氮去除效果Fig.2 Removal of various forms of nitrogen by biological contact oxidation tank in stage Ⅰ

图3 第Ⅰ阶段生物接触氧化池的TN和COD去除效果Fig.3 Removal of TN and COD by biological contact oxidation tank in stage Ⅰ

图4 第Ⅰ阶段生物流化床的各形态氮和COD去除效果Fig.4 Removal of various forms of nitrogen and COD by biological fluidized bed in stage Ⅰ

2.2 第Ⅱ阶段脱氮效果

第Ⅱ阶段将生物接触氧化池的DO调高为(2.8±0.6) mg/L。生物接触氧化池氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮变化见图5。经生物接触氧化池处理后氨氮由进水的(19.6±3.9) mg/L降至(2.1±0.3) mg/L，去除率为88.9%±2.4%，较第Ⅰ阶段明显改善，而硝酸盐氮和亚硝酸盐氮分别由(2.69±1.59)、(0.29±0.20) mg/L升至(4.66±1.03)、(2.44±0.67) mg/L，均比第Ⅰ阶段高。TN和COD变化见图6。TN由进水的(23.2±3.6) mg/L降至(10.2±1.5) mg/L，去除率为55.4%±5.5%，高于第Ⅰ阶段相应的去除率。COD由进水的(98.1±13.5) mg/L降至(34.1±3.8) mg/L，去除率为64.7%±5.7%，高于第Ⅰ阶段相应的去除率。

污水随后进入生物流化床处理，该池曝气强度不变，DO为(1.5±0.5) mg/L，与第Ⅰ阶段相当。各形态氮和COD的变化情况见图7。氨氮由(2.1±0.3) mg/L降低至(0.8±0.2) mg/L，去除率为59.9%±10.3%。硝酸盐氮和亚硝酸盐氮分别由(4.66±1.03)、(2.44±0.67) mg/L降至(2.97±0.83)、(1.81±0.26) mg/L，发生了反硝化脱氮反应。TN由(10.2±1.5) mg/L降至(6.5±0.9) mg/L，去除率为36.3%±8.4%。COD由(34.1±3.8) mg/L降至(14.2±3.4) mg/L，去除率为57.9%±10.9%。经生物接触氧化池和生物流化床联合处理，最终TN去除率为72.0%±2.1%。

图5 第Ⅱ阶段生物接触氧化池的各形态氮去除效果Fig.5 Removal of various forms of nitrogen by biological contact oxidation tank in stage Ⅱ

图6 第Ⅱ阶段生物接触氧化池的TN和COD去除效果Fig.6 Removal of TN and COD by biological contact oxidation tank in stage Ⅱ

图7 第Ⅱ阶段生物流化床的各形态氮和COD去除效果Fig.7 Removal of various forms of nitrogen and COD by biological fluidized bed in stage Ⅱ

2.3 第Ⅲ阶段脱氮效果

第Ⅲ阶段将生物接触氧化池DO进一步提高至(4.6±0.8) mg/L，生物流化床曝气量与第Ⅰ、Ⅱ阶段相同。连续运行30 d，运行结果统计见表3。第Ⅲ阶段生物接触氧化池氨氮降至(1.2±0.3) mg/L，去除率为94.0%±1.9%，硝酸盐氮和亚硝酸盐氮大幅增加，且COD去除率为66.1%±5.8%，均高于第Ⅰ、Ⅱ阶段，而TN去除率为39.5%±7.2%，均低于第Ⅰ、Ⅱ阶段。第Ⅲ阶段中由于大部分氨氮已在生物接触氧化池中被氧化，进入生物流化床的氨氮浓度很低，氨氮去除率为43.8%±19.0%，均低于第Ⅰ、Ⅱ阶段，同时TN去除率仅为19.4%±6.8%，明显低于第Ⅰ、Ⅱ阶段。

2.4 DO对脱氮效果的影响

第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段进水水质相当，但生物接触氧化池的DO浓度依次升高，而生物流化床的DO浓度相当。硝化菌和亚硝化菌为好氧菌，更高的DO浓度更有利于氨氮氧化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。第Ⅱ阶段生物接触氧化池TN去除率为55.4%±5.5%，而第Ⅰ阶段TN去除率为43.5%±4.6%，可见DO提高至(2.8±0.6) mg/L并没有损害脱氮效果。CEMA等[17]1009取得了相似的研究结果，DO为2.5 mg/L时生物膜反应器的TN去除性能良好。生物膜内可形成氧浓度梯度，为亚硝化菌和反硝化菌提供适宜的生长环境[10]7331,[11]1998,[12]754，在曝气条件下实现氨氮和TN的同步去除。与第Ⅰ阶段相比，第Ⅱ阶段生成硝酸盐氮和亚硝酸盐氮更多，为反硝化提供更多的氧化态氮，有利于脱氮，因而TN去除率更高。此外，也可能发生厌氧氨氧化反应。亚硝化菌倾向于生长在生物膜外表面，厌氧氨氧化菌倾向于生长在生物膜内部[18]。生物膜表面的亚硝化菌和异养菌对DO的消耗有助于维持生物膜内部较低DO，且生物膜对DO传质的阻碍可为生物膜内部厌氧氨氧化菌创造有利的厌氧环境[19]。研究表明，生物膜工艺可以有效缓解DO对厌氧氨氧化菌的抑制作用[17]1009,[20]。另外，厌氧氨氧化菌和反硝化菌对亚硝酸盐氮的半饱和常数比硝化菌更低，因而对亚硝酸盐氮的亲和能力比硝化菌更强，有助于抑制硝化菌活性[21]。第Ⅲ阶段中生物接触氧化池DO进一步提高至(4.6±0.8) mg/L时，TN去除率均比第Ⅰ、Ⅱ阶段低，可能是DO较高不利于生物膜内部的厌氧反应，抑制了同步硝化/反硝化或厌氧氨氧化反应。因此，在生物接触氧化池DO较低时有利于TN的去除，其原因可能是促进了同步硝化/反硝化或厌氧氨氧化反应。

第Ⅰ、Ⅱ阶段生物流化床COD质量浓度减少量相当，然而第Ⅱ阶段生物流化床TN质量浓度减少量明显低于第Ⅰ阶段。可见，在相当的COD消耗量情况下，第Ⅰ阶段生物流化床TN去除量更大。这可能是由于第Ⅰ阶段生物流化床中部分TN的去除不依赖反硝化反应，即可能发生了厌氧氨氧化反应，提高了TN去除率。第Ⅱ阶段生物流化床难以发生厌氧氨氧化反应的原因为：第Ⅱ阶段生物接触氧化池因DO更高而使大部分氨氮已被去除，随后生物流化床中氨氮浓度低，难以通过厌氧氨氧化反应脱氮。反之，第Ⅰ阶段生物接触氧化池DO较低，更多氨氮进入生物流化床，根据上文分析，在低DO条件下有利于厌氧氨氧化反应的发生，因而TN去除效果更好，最终脱氮效果好于第Ⅱ阶段。这在第Ⅲ阶段得到进一步验证。虽然第Ⅲ阶段生物流化床DO与第Ⅰ、Ⅱ阶段相当，但由于第Ⅲ阶段生物接触氧化池DO较高，大部分氨氮被氧化，进入生物流化床的氨氮浓度很低，很难通过厌氧氨氧化反应去除TN，且大部分COD也在生物接触氧化池被消耗，难以在随后的生物流化床中驱动反硝化脱氮反应的进行。因此，第Ⅲ阶段生物流化床TN去除效果相对较差。CandidatusKuenenia[22]和CandidatusBrocadia[23]为厌氧氨氧化污泥的特征微生物，被认为是最常见的厌氧氨氧化菌[24]，可能为本系统厌氧氨氧化的功能微生物，当DO浓度高造成生物流化床中的氨氮浓度低时，必然不利于厌氧氨氧化脱氮反应的进行。

表3 第Ⅲ阶段污染物去除效果

最终，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段的TN去除率分别为73.7%±6.9%、72.0%±2.1%和51.4%±5.6%。可见，生物接触氧化池DO偏高反而会弱化TN去除效果。同时使生物接触氧化池和生物流化床DO处于较低水平时，可提升系统的同步硝化/反硝化和厌氧氨氧化脱氮性能，最终优化整体脱氮效果。总体上既节省曝气，又提高了TN去除率。

3 结 语

(1) 不设缺氧池时，生物接触氧化+生物流化床联合处理实际生活污水有一定的脱氮效果，但生物接触氧化池的DO浓度会对脱氮效果产生影响。

(2) 生物接触氧化池的DO浓度升高会影响整体脱氮效果，DO浓度逐渐升高时，整体TN去除率逐渐降低。

(3) 以DO浓度为调控参数，可优化生物接触氧化+生物流化床联合脱氮效果，同时降低曝气能耗，具有实践意义。