摘要：通過試驗(yàn)研究了內(nèi)循環(huán)撞擊流生物膜反應(yīng)器的間歇運(yùn)行性能。結(jié)果表明，化學(xué)需氧量（COD）在反應(yīng)器啟動(dòng)后1.5 h內(nèi)下降較快，累計(jì)去除率可達(dá)80.0%，而在1.5 h后，COD去除速度明顯變慢；NH3-N的去除曲線與COD去除曲線比較相似，反應(yīng)器啟動(dòng)后1.5 h內(nèi)NH3-N累計(jì)去除率達(dá)到61.9%，反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除主要是通過同化作用來完成。連續(xù)5 d的間歇運(yùn)行試驗(yàn)表明，反應(yīng)器傳質(zhì)效果良好，運(yùn)行性能穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：內(nèi)循環(huán)撞擊流；生物膜反應(yīng)器；運(yùn)行性能

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）22-5443-03

復(fù)合式生物膜反應(yīng)器是近幾年發(fā)展較快，引起研究者極大興趣的處理工藝。它將反應(yīng)器原理與單元操作的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，極大地提高了生物膜反應(yīng)器的污染凈化能力。其中有代表性并進(jìn)行深入研究或應(yīng)用的復(fù)合式生物膜反應(yīng)器主要有序批式生物膜反應(yīng)器[1]、升流式厭氧污泥床（UASB）-厭氧生物濾池[2]、附著生長(zhǎng)穩(wěn)定塘[3]及復(fù)合式活性污泥-生物膜反應(yīng)器[4]。但對(duì)于好氧復(fù)合式生物膜反應(yīng)器普遍存在的傳質(zhì)效率低、耐沖擊負(fù)荷小的缺點(diǎn)還沒有很好的解決方法。撞擊流是一種讓氣液兩相流相向撞擊，瞬間在液相本體中造成大尺度湍動(dòng)和較高的相間相對(duì)流速來強(qiáng)化相間傳質(zhì)的混合過程[5]。本試驗(yàn)嘗試將撞擊流應(yīng)用于生物膜反應(yīng)器，自制了內(nèi)循環(huán)撞擊流生物膜反應(yīng)器，并通過模擬污水的處理試驗(yàn)考察了反應(yīng)器的間歇運(yùn)行性能，有望能為復(fù)合式生物膜反應(yīng)器的研究開發(fā)拓展思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水采用自來水添加試劑配制而成，主要成分如表1所示，并用Na2CO3調(diào)至pH 7～8。根據(jù)試驗(yàn)需求使稀釋后化學(xué)需氧量（COD）濃度為500 mg/L，氨氮為10 mg/L。

1.2 試驗(yàn)裝置和運(yùn)行條件

試驗(yàn)裝置和生物膜載體分別如圖1和圖2所示。反應(yīng)器接種九江學(xué)院第二污水廠（SBR工藝）新鮮污泥，用模擬廢水經(jīng)過25 d的曝氣反應(yīng)，成功掛膜后待用。試驗(yàn)運(yùn)行條件：氣體流量為0.1 m3/h，22 h換1次水。每次進(jìn)水后每0.5 h在反應(yīng)器出口處采樣，檢測(cè)水質(zhì)pH、COD、NH3-N，進(jìn)行4.0 h的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及方法

COD用微波消解法測(cè)定，NH3-N采用納氏試劑比色法測(cè)定；pH采用PHS-29A型pH計(jì)測(cè)定。COD或NH3-N的去除率指每0.5 h的濃度變化，其計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)器中COD隨反應(yīng)時(shí)間的變化

由圖3可知，從開始曝氣到反應(yīng)時(shí)間為1.5 h的時(shí)間段，反應(yīng)器內(nèi)COD下降較快，表明這一段時(shí)間反應(yīng)器對(duì)COD的去除速度很快；1.5 h后反應(yīng)器內(nèi)COD的去除速度明顯減慢。這可能是因?yàn)閺姆磻?yīng)器啟動(dòng)到1.5 h時(shí)間段內(nèi)水中COD含量較高，有機(jī)質(zhì)從液相主體向生物膜及向懸浮生長(zhǎng)的生物表面的擴(kuò)散速率較快，給微生物生長(zhǎng)提供了較為豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，微生物表現(xiàn)出較高的生理活性，因而COD的去除效率較高。而后，隨著反應(yīng)器內(nèi)COD濃度的降低，有機(jī)質(zhì)從液相主體向生物膜表面的傳質(zhì)速率變慢，因而COD的去除速度也隨之變慢。由圖3可以看出，連續(xù)5 d的試驗(yàn)，反應(yīng)器內(nèi)COD隨時(shí)間的變化曲線比較相似，表明反應(yīng)器的運(yùn)行性能十分穩(wěn)定。

通過測(cè)定反應(yīng)器出口處不同時(shí)間段的COD的平均去除率（表2）可知，在0.0～0.5 h時(shí)反應(yīng)器中COD的去除率為27.4%；在0.5～1.0 h時(shí)反應(yīng)器中COD的去除率最高，達(dá)到33.0%，之后反應(yīng)器中COD的去除率逐漸下降。這是因?yàn)楫?dāng)反應(yīng)器間歇運(yùn)行時(shí)，在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)反應(yīng)器的COD濃度是遞減的，0.0～0.5 h反應(yīng)器內(nèi)微生物的活性處于恢復(fù)階段，0.5 h以后微生物的活性得到了完全恢復(fù)，所以盡管0.0～0.5 h的COD濃度很高，但由于微生物的活性未完全恢復(fù)，致使該時(shí)間段COD的去除率比0.5～1.0 h的低。0.5 h后反應(yīng)器生物活性基本上完全恢復(fù)，盡管此時(shí)段反應(yīng)器內(nèi)COD的濃度比起始階段低，反應(yīng)器對(duì)底物的傳質(zhì)速率也比0.0～0.5 h低，但基質(zhì)濃度仍然能完全滿足微生物的需求，故反應(yīng)器中COD的去除率升高。此后，雖然反應(yīng)器依然能夠保持較高的傳質(zhì)效率，但底物濃度在逐漸降低，慢慢不能滿足微生物的代謝需求，微生物活性降低，故反應(yīng)器內(nèi)COD的去除率在逐步降低。在1.0 h后，反應(yīng)器中的COD還不到200 mg/L，并隨時(shí)間延長(zhǎng)COD濃度逐漸降低，當(dāng)由從液相主體向生物膜表面?zhèn)鬟f的底物量不能滿足微生物進(jìn)行必要的生理活動(dòng)時(shí)，其活性就會(huì)開始下降。這與Hurok等[6]的研究結(jié)果是一致的，表明底物的濃度對(duì)微生物的處理效率有重要影響。

2.2 反應(yīng)器中NH3-N隨反應(yīng)時(shí)間的變化

由圖4可知，間歇運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)器中NH3-N濃度隨時(shí)間遞減，與COD變化趨勢(shì)相似，但NH3-N濃度曲線比COD濃度曲線要平緩一些。在0.0～1.5 h的時(shí)間段，NH3-N濃度下降較快，表明該時(shí)間段NH3-N的去除效率比較高；而在1.5 h后，NH3-N濃度下降減慢，反應(yīng)器中NH3-N的去除效率越來越低。通常反應(yīng)器中的碳氮比（C/N）會(huì)影響到硝化效率，C/N比越高硝化效率越低[7]。本研究中的C/N約為20∶1，在反應(yīng)器啟動(dòng)后1.5 h，NH3-N的去除效率并未受到明顯的抑制，而是與COD去除趨勢(shì)基本一致，說明反應(yīng)器中的NH3-N主要用于微生物的自身合成，大部分被微生物通過酮酸的胺化作用形成谷氨酸直接被利用[8]，故該時(shí)間段反應(yīng)器中NH3-N的變化趨勢(shì)與COD的變化趨勢(shì)基本上一致。通過各時(shí)間段反應(yīng)器中NH3-N的平均去除率（表3）也能證明這一點(diǎn)。從表3可以看出，在0.0～1.5 h，反應(yīng)器中NH3-N的去除率相對(duì)較高，累計(jì)達(dá)到了61.9%；在1.5～3.5 h，NH3-N的去除率較低，僅為26.5%。對(duì)比表2和表3，可以發(fā)現(xiàn)NH3-N去除率與COD去除率存在一定差異，產(chǎn)生這些差異的原因可能是反應(yīng)器中好氧異養(yǎng)菌與硝化自養(yǎng)菌的相互抑制作用，反應(yīng)器出水口水樣中可檢測(cè)到NO3--N，最高濃度可達(dá)0.92 mg/L，說明反應(yīng)器中存在一定量的硝化細(xì)菌。在反應(yīng)器的最初運(yùn)行階段，由于COD的濃度較高（碳源充足），好氧異養(yǎng)菌的活性高，抑制了硝化自養(yǎng)菌的活性；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)器中COD濃度逐漸降低，好氧異養(yǎng)菌活性下降，對(duì)NH3-N的消耗減少；相反，硝化自養(yǎng)菌的活性逐漸升高，硝化作用越來越重要。但隨反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)器NH3-N的濃度越來越低，因而反應(yīng)器在后面的時(shí)間段NH3-N去除率是下降的。

3 結(jié)論

1）通過5 d的不同批次模擬廢水處理試驗(yàn)，結(jié)果表明反應(yīng)器啟動(dòng)后，COD去除速度在1.5 h內(nèi)較快，累計(jì)去除率可達(dá)80.0%，1.5 h后COD去除速度明顯變慢。

2）反應(yīng)器對(duì)NH3-N的去除曲線與COD去除曲線比較相似，但NH3-N的去除曲線斜率比COD的要??；反應(yīng)器啟動(dòng)1.5 h后，NH3-N累計(jì)去除率可達(dá)61.9%，NH3-N的去除主要通過同化作用來完成。

3）連續(xù)5 d間歇運(yùn)行試驗(yàn)表明，反應(yīng)器具有良好的傳質(zhì)效果，運(yùn)行性能穩(wěn)定。

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（責(zé)任編輯 呂海霞）