反硝化生物滤池的挂膜与启动
第２２卷第３期２００９年６月
环境科技
ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０１．２２Ｎｏ．３
Ｊｕｎ．２００９
反硝化生物滤池的挂膜与启动
周碧波１，
（１．河海大学环境科学与工程学院，
江苏
操家顺１，
徐哲明２
浙江
杭州
３１００１２）
南京２１００２４；２．浙江省环境监测中心，
摘要：研究了反硝化生物滤池的挂膜与启动过程．为反硝化生物滤池的挂膜过程提供理论依据。在滤速１．２
ｎｄａ
（ＨＲＴ＝２０ｍｉｎ）时，当反硝化生物滤池运行到第２５天时，进水硝态氮质量浓度由５０ｍｇ／Ｌ左右下降到２５ｍｇ／Ｌ左右时，硝态氮去除负荷由１．１８ｋｇ／（ｍ３．ｄ）Ｔ降到１．１０ｋｇ／（ｍ３・ｄ１。负荷变化很小，说明挂膜成功。在反硝化生物滤池中，氨氮主要由
反硝化细菌的合成作用去除．去除率不高。在碳源和硝态氯浓度都充足的情况下，反硝化反应遵循零级反应动力学规
律．反硝化速率与污染物浓度无关。只与反硝化茵的数量有关。关键词：
反硝化；挂膜；同化作用；动力学文献标识码：Ｂ
文章编号：１６７４—４８２９（２００９）０３—０００５—０３
中图分类号：Ｘ２
ＢｉｏｆｉｌｍＡｃｃｒｅｔｉｏｎａｎｄＳｔａｒｔｕｐｏｆＤｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎＢｉｏ脚ｔｅｒ
ＺＨＯＵ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂｉｏｆｉｌｍａｃｃｒｅｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅ
ｐｒｏｃｅｓｓ
Ｂｉ—ｂｏ。
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ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ．Ｂｉｏｆｆｌｍａｃｃｒｅｔｉｏｎ；
Ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ；
Ｋｉｎｅｔｉｃｓ
０引言化生物滤池形成良好生物膜的前提．也是反硝化生物滤池稳定运行的基础。
挂膜是生物膜处理系统中膜状微生物的培养和驯化过程．是具有新陈代谢活性的微生物污泥在滤料上固着生长的过程。填料的挂膜有自然富集培菌挂膜和人Ｔ接种挂膜２种方式。当前对于反硝化生物滤池的挂膜还没有成功经验可供借鉴，如何挂膜、如何判断挂膜成功都还处于摸索阶段。
通过分析挂膜过程中反硝化生物滤池对ＮＯｆ－Ｎ的去除负荷。并以此作为反硝化生物滤池是否挂膜成功的标志．为反硝化生物滤池的挂膜提供理论依据。１材料与方法
１．１
２００６年太湖蓝藻爆发引发无锡水危机以来．太湖流域的二级城市污水处理厂就面Ｉ临着升级改造的压力。在太湖流域污水处理厂升级改造的过程中。碰到的主要难题是：由于硝态氮（Ｎ０３－－Ｎ）过高而引起的总氮（ＴＮ）超标。寻求经济合理的反硝化脱氮工艺是目前的一项技术难题。反硝化生物滤池因其高生物量、反硝化速率快和占地少等优点。是升级改造脱氮的首选工艺。
反硝化生物滤池处理污水的本质是利用填料上各种微生物的代谢活动来吸收、降解污染物质，达到净化水质的目的。生物膜是整个水处理构筑物的核心．生物膜的好坏、活性的高低对有机废水生物处理效果起着决定性的作用．而填料的挂膜过程是反硝
收稿日期：２００９一０２—２４
基金项目：江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２００７１８１）：２００８年度
高等学校科技创新重大培育资金资助项目（７０８０４７）；国家科技支撑计划（２００６ＢＡＣｌ９８０１）．
作者简介：周碧渡（１９８０－）。男，湖北天门人，硕士研究生．主要从事水处理
技术的研究．
试验装置试验采用①８０
ｍｉｌｌ×ｌ
ｍ的有机玻璃柱作为滤
池主体．试验装置见图１。滤柱填料采用生物陶粒，填料层高度为４００ｍｍ．陶粒粒径为３～５ｍｉｌｌ，清水区和承托层各高１５０ｍｍ．上部进水区１５０ｍｍ，淹没式进水，超高１００
ｌｌｌｍ。
万方数据
６
环
缱挂膜阶段用砂烧结曝气头曝气，挂膜成功后将曝气头取出：下部穿孔管用于反冲洗曝气，ＤＮｌ５出水管兼用作反冲洗进水管。
ＤＮｌ５溢流管反冲出水管
砂结曝气头
ＤＮ８取样口间距８０
ｒｍ
陶粒滤料层
厚４００ｌｍ
卵石承托层
厚１５０ｍ
滤板开孔率１．５％清水区高１５０
ｍ
ＤＮｌ５ｊｌ；水管反冲进水管放空阀ＤＮｌ５
垄銮苎
丝
图１
反硝化生物滤柱试验装置
１．２试验用水
试验用水采用人丁配水，配制药品为：三甘醇、甲醇、硝酸钾、硫酸铵、多微磷酸二氢钾、碳酸氢钠和硫酸镁。
其中多微磷酸二氢钾中除含有约８５％质量分数的磷酸二氢钾外。还含有钙、硫、镁、铁、锌、硼、铜、锰等多种微量元素。
挂膜期间的主要水质指标见表ｌ。
表１
挂膜期间主要水质参数
ＩＩｌｇ・Ｌ－Ｉ
１．３
水质分析项目及方法
试验检测项目及测试方法见表２：
表２水质检测项目及方法
２试验进程
试验从２００８年５月１ｔ３。２００８年５月３０日，以甲醇为碳源，在滤速１．２ｍ／ｈ（ＨＲＴ＝２０ｒａｉｎ），Ｖ（气）：ｙ（水）为２：１—０：１的条件下运行，运行期间，各污染物浓度逐渐降低，挂膜期间运行工况见表３。
万方数据
群技
２００９年６月
表３挂膜期间运行工况
Ｕ期
水质指标
，（月．日）ｐ（ＣＯＤ）ｐ（Ｎ０３－－Ｎ）ｐ（ＮＨｒＮ）
ｐ０＂Ｐ）
＇，（气）：ｙ（水）
５．１—５．６５００１０５４＂／１２２：ｌ５．７—５．１２４００９０４Ｉ６ｌ：ｌ５．１３～５．１８３００７５３３４Ｏ．５：ｌ５．１９—５．２４
２００５０２３３Ｏ５．２５—５．３０
１００
２５
１２
２
０
注：表巾数值为设计值，实际值由于配水的误差，在设计值左彳了渡动。
连续运行约１周左右．肉眼可见反应器进水端
１００
ｍｍ的陶粒表面泛白。１５ｄ左右在０～１００
ｍｍ
之间的陶粒表面出现薄的灰褐色生物膜。２５ｄ左右灰褐色生物膜范围扩展到进水端３００ｍｍ。从第２６天开始停止曝气．生物膜逐渐布满滤柱。污染物去除率到达稳定．滤柱上有少量微小气泡析出，主要集中在上部１００ｍｍ范围内。到第３０天后。再稳定运行
５
ｄ．此时滤柱中有大量气泡析出。水头损失逐渐增
加．但未达到设定的水头损失，至此认为挂膜完成。３试验结果与分析
３．１
挂膜期间ＮＯ，－一Ｎ的变化
反硝化生物滤池的主要目的是使反硝化细菌成
为优势菌群．达到反硝化脱氮的目的。因此，研究系统中ＮＯ，一＿Ｎ的变化即能反映系统中微生物的产生和变化情况。
图２反应了挂膜期问ＮＯ，．＿Ｎ的变化情况。
７０６０
；１０∞０５０曼６０
４０薹４加０
３０２０ｉ
１０
０Ｏ
ｌ
３
５
７
９
ｌｌ
１３
１５１７
１９
２ｌ
２３
２５
２７
２９
＋进水ＮＯ，－－Ｎ
＋出水ＮＯｊ－－Ｎｄｄ
＋去睬事
图２挂膜期间Ｎ０３－－Ｎ的变化
从图２中可以看出．在启动初期进、出水的ＮＯ，－－Ｎ的质量浓度几乎没有变化．去除率增长非常缓慢。ＮＯ，－＿Ｎ去除率直到第５天才有一次小的“飞跃”，这说明反硝化菌的增殖速率开始有强劲的上升趋势．但随后这种趋势由于进水浓度的降低而受到抑制，在第９～１３天，去除率稳定在１０％左右。停止曝气后，进水Ｎ０３－一Ｎ质鼍浓度为５０ｍｇ／Ｌ左右．系统对ＮＯ，－＿Ｎ的去除率最终稳定在３０％左右：而当进水Ｎ０３－－Ｎ质量浓度降低到２５ｍｇ／Ｌ左右时．系统对Ｎ０３－－Ｎ的去除率一直稳定在６０％左右．这说明在此期间系统内反硝化细菌数量基本没有净增殖。对ＮＯ，－＿Ｎ的去除率不受浓度变化的影响．反硝化微生态结构稳定。
第２２卷第３期周碧波等反硝化生物滤池的挂膜与启动
７
为了进一步了解在挂膜过程中系统的反硝化能力．对启动过程中系统的Ｎ０３－－Ｎ负荷进行了研究。启动过程中ＮＯｆ－Ｎ负荷的变化见图３。
ｆ
令
０暑
、●
ｔ？
糖ｇ雕谁
图３挂膜期间Ｎ０３－－Ｎ负荷的变化
从图３可以看出，在前６ｄ当ｙ（气）：ｙ（水）为２：ｌ时，ＮＯ，－＿Ｎ负荷一直呈上升趋势。当其比为ｌ：１时．ＮＯ，一－Ｎ负荷最终稳定在０．６８ｋｇ／（ｍ３・ｄ），当Ｖ（气）：ｙ（水）为０．５：ｌ时ＮＯ，一＿Ｎ负荷最终稳定在０．８８ｋｇ／（ｍ３・ｄ），停止曝气后系统ＮＯ，－－Ｎ负荷达到１．１８
ｋｇ／
（ｍ３・ｄ），这说明气水体积比例越高反应器对Ｎ０３－－Ｎ的去除负荷越低。这是因为．溶解氧会抑制细菌中还原硝酸盐的酶系统的合成．而且溶解氧可以充当电子受体，从而竞争性地阻碍了ＮＯ，－＿Ｎ的还原。此外．反应器出水的ＮＯｆ－Ｎ浓度一直维持在较低的水平，这说明当有较低浓度的溶解氧存在时，硝酸盐的还原受到溶解氧的抑制．且增大Ｎ０３－－Ｎ浓度并不能减小抑制作用，但ＮＯ，－＿Ｎ的还原不受此的抑制…。３．２挂膜期间氨氮（ＮＨ，一Ｎ）的变化
在反硝化脱氮系统中．ＮＨ３－Ｎ并不是首要去除目标，但微生物的同化反应必须有ＮＨ，Ｎ参与。ＮＨ３－Ｎ的消耗能够间接反映反硝化系统中微生物的数量。
图４反应了挂膜期间ＮＨ厂Ｎ的变化情况。
５０
３０÷４０２５
曼３０
２０堡
１５舡
气２０
差ｌｏ
１０鬟
５ｑ
０
０
ｒｉｄ
＋进木ｐ（ＮＨ广Ｎ）一出水“ＮＨ广Ｎ）＋去除事图４挂膜期间ＮＨ３一Ｎ的变化
从图４中可以看出．挂膜初期ＮＨ３－Ｎ的去除几乎没有变化，在曝气期间ＮＨ，一Ｎ的去除率一直在１０％以下，呈上升趋势。这是因为。硝化菌是自养细菌，高有机物浓度对硝化菌有抑制作用。曝气时，ＮＨ，一Ｎ的去除量和去除率一直呈上升趋势，但停止曝气后，当浓度变化时，ＮＨ３一Ｎ的去除量几乎没有变化。这是因为大部分ＮＨ，一Ｎ是通过反硝化菌的同化作用去除的．去除量很少。
３．３进水浓度对反硝化能力的影响
在生物膜反硝化过程中．外加有机碳源和硝酸盐氮浓度都可能成为微生物增殖率限制的因素．都
万方数据
会影响反硝化反应的速度。当外加碳源及硝酸盐氮浓度都比较高．反硝化反应受传质过程影响小，反应动力学表现为零级反应。论文的研究似乎也支持这种观点。在图３中当反应器停止曝气后，进水Ｎ０３－．Ｎ质量浓度由５０ｍｇ／Ｌ左右下降到２５ｍｇ／Ｌ左右时．ＮＯｆ－Ｎ负荷由１．１８ｋｇ／（ｍ３・ｄ）Ｔ降到１．１０ｋｇ／（ｍ３・ｄ），两者几乎相等。这说明当外加有机碳源充足时．硝化速率与硝酸盐浓度无关．只与反硝化细菌的数量有关．即反硝化动力学级数呈零级［２１。我国著名的水处理专家顾夏声１３】则认为．在缺氧条件下就ＮＯ，一．Ｎ浓度而言。反硝化反应遵循零级反应动力学规律。此
外．也有人在研究深床反硝化生物滤池时Ｍ。认为反
硝化动力学呈１／２级反应：而范荣桂等［０３的研究表明。在在反硝化的开始阶段．由于外加碳源及硝酸盐氮浓度都比较高．反硝化反应受传质过程影响小。初期的反应动力学表现为零级反应：但很快由于外加碳源及硝酸盐氮的消耗．传质过程的影响越来越显著．且迅速波及到生物膜内的反硝化反应。反硝化中反应物向生物膜内的扩散传质是由零级向一级的转变过程。４结果与讨论
（１）当反硝化生物滤池运行到第２５天时，进水ＮＯ，一＿Ｎ质量浓度由５０ｍｇ／Ｌ左右下降到２５ｍｇｒＬ左右时．ＮＯ，－＿Ｎ负荷由１．１８ｋｆｆ（ｍ３・ｄ）下降到１．１０ｋｓ／（ｍ３・ｄ），负荷变化很小，说明挂膜成功。
（２）在反硝化生物滤池中，氨氮主要靠反硝化细菌的合成作用去除．去除率不高。
（３）当外加有机碳源充足时，硝化速率与硝酸盐浓度无关，只与反硝化细菌的数量有关，即反硝化动力学级数呈零级。
【参考文献】
监测分析方法ｆＭｌ．第４版．北京：中国环境科学出版社，
２００２．
Ｄ，ＲＯＷＥＪＪ．Ｏｘｙｇｅｎ
ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ
ｏｆｎｉｔｒａｔｅ
ｕｐｔａｋｅｉｎ
ｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇＰｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ
ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ【Ｊ】．Ａｐｐｌｉｅｄ
ａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ
Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，１９８７，５３（４）：７４５—７５０．
社．１９９３．
８一１２．
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ
ｏｆ
ｐｏｒｅ
ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｔｏｆｉｌｔｅｒ
ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｅａｔｉｏｎ【Ｊ】．ＪｏｕｒｎａｌＷＰＣＦ，１９７６，４８（２）：３７７—３８８．
彬，栾兆坤．深床过滤中的生物反硝化动力
学实验研究【Ｊ】．湖南科技大学学报（自然科学版），２００７，２２（２）：１１９—１２２．
（责任编辑朱鼎一）
【１１国家环保总局《水和废水监测分析方法》编委会．水和废水
【２】ＨＥＲＮＡＮＤＥＺ【３】顾夏声．废水生物处理数学模式【Ｍ】．北京：清华大学出版
【４】徐亚同．废水反硝化除氮叨．上海环境科学，１９９４，１３（１０）：
［５】ＨＡＲＲＭＯＥＳ．Ｔｈｅ
ｆ６１范荣桂。范