孫永明，趙曉明，葛 俊，黃天寅

（1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128；2.中國水利電力對外公司，北京 100120；3.蘇州科技學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

污染河道水質(zhì)強(qiáng)化脫氮生化工藝研究

孫永明1，趙曉明2，葛 俊3，黃天寅3

（1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128；2.中國水利電力對外公司，北京 100120；3.蘇州科技學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

應(yīng)用生化工藝對河道污染水體進(jìn)行修復(fù)是目前最經(jīng)濟(jì)的一條途徑，但其面臨的一個(gè)突出問題是在生物脫氮過程中可利用碳源不足，從而影響其處理效果。本研究采用分段進(jìn)水生物接觸氧化工藝來強(qiáng)化受污染水脫氮性能，與傳統(tǒng)單點(diǎn)進(jìn)水方式相比，兩段進(jìn)水對有機(jī)物和總氮去除率有顯著提升，CODMn平均去除率從50.6%提升到66.3%；總氮平均去除率從31.4%提升到60.9%。沿程統(tǒng)計(jì)硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量，硝化細(xì)菌主要集中在曝氣區(qū)，數(shù)量為5.58×106，反硝化細(xì)菌主要集中在非曝氣區(qū)的中后段，數(shù)量為6.49×105。同時(shí)檢測沿程溶解氧和各氮素濃度，溶解氧濃度沿程降低，最后出水僅為0.2mg/L；氨氮在曝氣區(qū)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，在非曝氣區(qū)硝態(tài)氮還原成氮?dú)?，其結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的分布特征。

生物接觸氧化；生物膜；分段配水；脫氮

1 研究背景

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，河流發(fā)展成天然納污場所，有機(jī)物、氮磷污染嚴(yán)重，尤其是流經(jīng)城鎮(zhèn)的中小河流更容易受到人類活動的影響和破壞［1］。在各種水體修復(fù)技術(shù)中，生物膜技術(shù)因其微生物群落豐富［2］、運(yùn)行性能穩(wěn)定［3］、運(yùn)行成本低［4］等特點(diǎn)，在中小河流受污染水體凈化中有較大應(yīng)用潛力［5］。生物接觸氧化是一種重要的生物膜凈化水體措施，國內(nèi)外學(xué)者主要對接觸氧化工藝中填料類型［6-7］、生物膜特征［8-9］等方面做了大量的研究。生物接觸氧化技術(shù)特別適用于低污染河水治理，在日本和歐美等國家河流修復(fù)治理中得到了廣泛應(yīng)用，據(jù)日本建設(shè)省統(tǒng)計(jì)，在日本全國實(shí)施的河流直接凈化項(xiàng)目80%采用生物接觸氧化工藝［10］。生物接觸氧化系統(tǒng)對有機(jī)物和氨氮具有較好的去除效果，總氮去除效果較差。要使生物接觸氧化工藝中達(dá)到較好的脫氮效果，其常用的措施包括改變曝氣方式、改變進(jìn)水方式和外碳源投加等。徐京等［11］通過改變曝氣時(shí)間和停曝時(shí)間的長短得出縮短曝氣時(shí)間可改善脫氮性能。李璐等［5］比較研究分段進(jìn)水和內(nèi)循環(huán)生物接觸氧化工藝得出分段進(jìn)水下的CODCr和TN去除率更高。有研究［12］指出通過外加碳源能夠達(dá)到良好的反硝化效果，但其運(yùn)行成本較高。對于有機(jī)物污染程度較輕的河流水體，碳源相對缺乏，并且微生物對碳源利用率不高，異養(yǎng)型反硝化菌的生長與富集受到抑制，這是造成脫氮效果不佳的主要原因［13］。為了強(qiáng)化生物膜的脫氮性能，僅靠曝氣方式優(yōu)化提升有限，本文考慮分段進(jìn)水來提高碳源利用率，從而增加脫氮效果。針對白鶴溪氮素污染相對較輕，C/N比較低的特點(diǎn)，試驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)兩段進(jìn)水方式的生物接觸氧化工藝來強(qiáng)化生物膜的脫氮性能。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置為自制的生物接觸氧化模擬反應(yīng)器，采用有機(jī)玻璃制成，裝置尺寸（長×寬×高）：150 cm×30 cm×40 cm，具體構(gòu)造見圖1。試驗(yàn)過程中采用天然火山巖礫石作為填料，購于云南省騰沖縣某一火山巖開采廠，其粒徑為30～50mm，孔隙率約為40%，填料床厚度為30 cm。模擬裝置分為曝氣區(qū)和非曝氣區(qū)，其容積比為1∶2。曝氣區(qū)下方鋪設(shè)曝氣管道，曝氣系統(tǒng)采用電磁式空氣泵ACO-016，通過氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量。試驗(yàn)用水經(jīng)高位水箱初沉以后，由蠕動泵（蘭格BT300-2J）控制進(jìn)水流量，泵頭規(guī)格為YZ2515x。

圖1 試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)用水試驗(yàn)用水直接取自白鶴溪流經(jīng)大理古城段受污染河水。試驗(yàn)期間ρ（CODMn）為9.59～16.62mg/L，平均值為12.91mg/L；ρ（TN）為3.44～5.07mg/L，平均值4.48mg/L；ρ（NH4+-N）為2.57～3.68mg/L，平均值3.21mg/L。

2.3 試驗(yàn)方法模擬裝置在自然掛膜方式下連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月后，開始進(jìn)行受污染河水強(qiáng)化脫氮性能研究，此時(shí)生物膜成熟，肉眼可觀察到填料表面附著一層黃褐色膜狀物。為了考察在兩段進(jìn)水工況下對污染物的去除效果，試驗(yàn)以單段進(jìn)水方式運(yùn)行為參照，其中單段進(jìn)水工況下運(yùn)行10 d，兩段進(jìn)水工況下運(yùn)行20 d。試驗(yàn)過程中，曝氣區(qū)和非曝氣區(qū)容積比1∶2，總平均停留時(shí)間為4 h，進(jìn)水流量分配比為2∶3，回流比為30%。

2.4 檢測項(xiàng)目及分析方法

2.4.1 常規(guī)指標(biāo)分析 常規(guī)指標(biāo)監(jiān)測方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》［14］。CODMn：酸性高錳酸鉀法；TN：過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；NH4+-N：水楊酸-次氯酸鹽分光光度法；NO3—N：紫外分光光度法；NO2--N：N-（1-蔡基）-乙二胺分光光度法。

2.4.2 硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌計(jì)數(shù) 硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的計(jì)數(shù)采用最大可能數(shù)計(jì)數(shù)法（most prob?able number，MPN），具體分析方法參照《土壤與環(huán)境微生物研究法》［15］。在反應(yīng)器曝氣區(qū)O、非曝氣區(qū)A1、A2分別取出適量礫石填料敲碎后放入對應(yīng)的錐形瓶中，加入適量聚山梨酯-80在振蕩器內(nèi)振蕩，使生物膜從礫石表面分離出來，最后取分離液進(jìn)行稀釋涂布常規(guī)接種測試。

（1）硝化細(xì)菌測定。①培養(yǎng)基及試劑。改良斯蒂芬遜（Stephenson）培養(yǎng)基B： NaNO2為1.0 g；K2HPO4為 0.75 g；NaH2PO4為0.25 g；MgSO4×4H2O為0.01 g；MgSO4×7H2O為0.03 g；Na2CO3為1.0 g；CaCO3為1.0 g；蒸餾水1000m L；二苯胺試劑；氨基磺酸銨溶液；格里斯試劑。

②方法和步驟。取出滅菌分裝好的各培養(yǎng)基試管，用無菌吸管接種樣品的稀釋液1m L，每個(gè)稀釋度接種3～5管，接種5個(gè)稀釋度（10-2、10-3、10-4、10-5、10-6），另取一管培養(yǎng)基接種1m L無菌水進(jìn)行對照。將接種后的培養(yǎng)液放置在振蕩恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，溫度設(shè)置25～30℃，轉(zhuǎn)速100 r/min，培養(yǎng)10 d，取出待檢。滴加濃度為200mg/L的氨基磺酸銨溶液2滴，反應(yīng)5m in以去除培養(yǎng)液中NO2-（加入格利斯若不呈紅色，證明亞硝酸鹽已完全消失）。滴加二苯胺試劑2滴，如呈藍(lán)色，則證明培養(yǎng)液中存在硝化細(xì)菌。最后，根據(jù)呈現(xiàn)藍(lán)色試管的稀釋度及其數(shù)量查MPN表確定硝化細(xì)菌數(shù)量。

（2）反硝化細(xì)菌測定。①培養(yǎng)基及試劑。KNO3為2.0 g；MgSO4×7H2O為0.2 g；K2HPO4為1.0 g；KH2PO4為1.0 g；檸檬酸鈉為5.0 g；蒸餾水1000m L；pH 7.2；二苯胺試劑；格里斯試劑。

②方法和步驟。取出滅菌分裝好的各培養(yǎng)基試管，用無菌吸管接種樣品的稀釋液1m L，每個(gè)稀釋度接種3～5管，接種五個(gè)稀釋度（10-2、10-3、10-4、10-5、10-6），另取一管培養(yǎng)基接種1m L無菌水進(jìn)行對照。將接種后的培養(yǎng)液放置在振蕩恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，溫度設(shè)置25～30℃，轉(zhuǎn)速100 r/m in，培養(yǎng)10 d，取出待檢。根據(jù)杜氏小管內(nèi)是否有氣泡出現(xiàn)，確定有無氮?dú)馍?，并用格利斯試劑I及Ⅱ檢測有無亞硝酸鹽生成，用二苯胺試劑檢測硝酸鹽，判斷反硝化作用進(jìn)行情況。根據(jù)確定存在反硝化細(xì)菌試管的稀釋度及其數(shù)量查MPN表確定反硝化細(xì)菌的數(shù)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 有機(jī)物去除效果分析比較分段進(jìn)水前后CODMn去除效果，從圖2可看出，兩段進(jìn)水工況下對有機(jī)物去除有一定的促進(jìn)作用，分段前后其CODMn平均去除率分別為50.6%和66.3%。試驗(yàn)期間進(jìn)水CODMn平均濃度為12.91mg/L，采用兩段進(jìn)水方式的裝置出水中CODMn平均濃度僅為5.45mg/L，滿足地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。有機(jī)物的去除主要是靠填料表面生物膜吸附及生物氧化降解作用，其中生物降解作用占主導(dǎo)地位，同時(shí)非曝氣區(qū)反硝化作用消耗碳源，增加了對有機(jī)物的去除。

圖2 分段進(jìn)水生物接觸氧化工藝對有機(jī)物去除效果

圖3 分段進(jìn)水生物接觸氧化工藝對TN去除效果

3.2 TN去除效果分析從圖3看出，單段進(jìn)水和兩段進(jìn)水條件下，TN平均去除率分別為31.4%和60.9%，相對來說兩段進(jìn)水生物接觸氧化工藝脫氮性能明顯提升。試驗(yàn)期間原水中總氮濃度較高，其平均濃度為4.47mg/L，屬于劣V類標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過分段進(jìn)水強(qiáng)化脫氮處理后，出水中TN整體低于地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。生物脫氮反應(yīng)主要發(fā)生在非曝氣區(qū)，非曝氣區(qū)容積大，缺氧水力停留時(shí)間長，有研究指出這可增強(qiáng)反硝化菌的富集程度和反硝化性能［16］。非曝氣區(qū)內(nèi)溶解氧隨沿程逐漸下降，其缺氧環(huán)境有利于反硝化作用。在非曝氣區(qū)設(shè)置第二點(diǎn)進(jìn)水后，有效補(bǔ)充了裝置后端反硝化作用對碳源的需求，提高了原水中碳源的有效利用率，使脫氮效率提升。

3.3 脫氮除碳過程分析

3.3.1 沿程硝化、反硝化細(xì)菌數(shù)量分布情況 通過試驗(yàn)測定，在曝氣區(qū)O內(nèi)溶解氧充足，能保證硝化細(xì)菌的良好生長，其數(shù)量最多，達(dá)到5.58×106個(gè)/克填料，反硝化細(xì)菌數(shù)量很少，其數(shù)量在796個(gè)/克填料左右，主要是通過出水回流攜帶進(jìn)O區(qū)。隨水流進(jìn)入非曝氣后，反硝化細(xì)菌數(shù)量開始快速增加，在A1區(qū)，反硝化細(xì)菌數(shù)量為8.84×104個(gè)/克填料。因曝氣區(qū)末端溶解氧隨水流部分?jǐn)y帶進(jìn)非曝氣區(qū)，A1區(qū)不能馬上達(dá)到缺氧環(huán)境［17］，此區(qū)域硝化細(xì)菌還存在1.13×103個(gè)/克填料。原水在非曝氣區(qū)內(nèi)停留時(shí)間較長，水體中殘留的溶解氧在A2區(qū)也幾乎消耗殆盡，此區(qū)域內(nèi)反硝化細(xì)菌為優(yōu)勢菌種，其數(shù)量為6.49×105個(gè)/克填料，硝化細(xì)菌僅為372個(gè)/克填料。

3.3.2 沿程溶解氧分布情況 試驗(yàn)進(jìn)水中溶解氧在2.48 mg/L左右，曝氣區(qū)溶解氧上升到接近4 mg/L，這有利于異氧菌和硝化細(xì)菌的生長。在非曝氣區(qū)溶解氧快速下降，A1區(qū)因曝氣區(qū)末端溶解氧部分?jǐn)y帶的影響，該區(qū)域溶解氧在1.2 mg/L左右，從硝化細(xì)菌數(shù)量也能側(cè)面反映出該區(qū)的溶解氧水平。在A2區(qū)溶解氧繼續(xù)下降至0.5mg/L，檢測出水溶解氧僅為0.2mg/L。

表1 沿程硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量分布

圖4 兩段進(jìn)水條件下沿程溶解氧分布情況

圖5 兩段進(jìn)水條件下沿程各氮素濃度變化情況

3.3.3 沿程氮素濃度變化情況 通過試驗(yàn)測定得到在裝置沿程濃度，其變化情況見圖5。在模擬裝置內(nèi)，沿程一直下降，硝化反應(yīng)主要發(fā)生在曝氣區(qū)，在此區(qū)內(nèi)氨氮濃度從進(jìn)水的3.18mg/L下降到1.06mg/L，后段非曝氣區(qū)氨氮去除較少，最終出水濃度為0.57mg/L，總體去除率為82.1%。濃度沿程先快速升高后降低，曝氣區(qū)內(nèi)硝化細(xì)菌數(shù)量充足，原水中和回流的氨氮通過硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為，此區(qū)域硝化液濃度達(dá)到了3.08mg/L，高濃度硝化液進(jìn)入非曝氣區(qū)，在第二點(diǎn)進(jìn)水補(bǔ)充碳源后進(jìn)行反硝化脫氮，最終出水硝態(tài)氮為1.15mg/L，比進(jìn)水濃度略高。裝置內(nèi)濃度很低，在0～0.02mg/L之間，沿程變化不大。TN的去除主要發(fā)生在非曝氣區(qū)內(nèi)，其去除率為61.1%，出水TN低于地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

（1）生物接觸氧化模擬系統(tǒng)中，采用兩段進(jìn)水方式，運(yùn)行工況較佳，其對有機(jī)物和總氮去除率相比采用單點(diǎn)進(jìn)水方式有較大提升，CODMn平均去除率從50.6%提升到66.3%，總氮平均去除率從31.4%提升到60.9%。（2）生物接觸模擬系統(tǒng)沿程中，硝化細(xì)菌主要集中在曝氣區(qū)，反硝化細(xì)菌集中在非曝氣區(qū)，但非曝氣區(qū)前段因?yàn)槠貧鈪^(qū)溶解氧攜帶部分硝化細(xì)菌，在曝氣區(qū)內(nèi)的少量反硝化細(xì)菌是由于回流攜帶所致。硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量也能側(cè)面反映沿程溶解氧分布和各氮素轉(zhuǎn)化情況。（3）生物接觸氧化法應(yīng)用于受污染水體原位修復(fù)過程中，對于低C/N河道水體，采用分段進(jìn)水方式能夠提高水體中碳源利用率，提升脫氮效率，同時(shí)工程應(yīng)用中池體容積小，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。

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Biological process for the denitrification enhancem ent of the polluted river

SUN Yongm ing1，ZHAO Xiaom ing2，GE Jun3，HUANG Tianyin3
（1.Jiang Su TaiHu Planning and Design InstituteofWater ResourcesCo.，Ltd.，Suzhou 215128，China；2.China InternationalWater&Electric Company，Beijing 100120，China；3.Suzhou Uninversity of Scienceand Technology，Suzhou 215009，China）

Biological process is one of the most econom ical methods for polluted river treatment.However, the traditional bio-denitrification efficiency is still very low due to the carbon deficiency in this process.In this work，two step-feeding contact biological process is used to treat polluted water.The average CODMn removal efficiency of two step-feeding contact biological process is improved to 66.3% comparing with that of 50.6% of regular single feeding process，while the average total nitrogen removal efficiency of two step-feeding contact biological process is 29.5%higher than that of regular single feeding process.The num?ber of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria in the reactor was counted and presented in this paper. The number of nitrifying bacteria is 5.58×106，and it is concentrated in aeration zone.Most of denitrifying bacteria is in the m idd le and last part of non-aeration zone，and its number is 6.49×105.Ammonia nitro?gen in aeration zone is transformed into nitrate nitrogen in aeration zone，while nitrate nitrogen is denitri?fied into nitrogen in anoxic zone，which further proves the distribution of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria.The dissolved oxygen and nitrogen concentration in the different zone of the reactor are also moni?tored.The oxygen concentration in the reactor decreased gradually along the flow direction，and it is only 0.2 mg/L in the effluent.Therefore，two phase step-feeding process is illustrated to be more effective in or?ganic and nitrogen removal than regular single feeding process.

biological contact oxidation process；biofilm；step-feeding；denitrification

X522

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.04.009

1672-3031（2015）04-0295-05

（責(zé)任編輯：韓 昆）

2015-01-29

孫永明（1976-），男，江蘇鹽城人，高級工程師，主要從事水環(huán)境與水工結(jié)構(gòu)研究。E-mail：thysym@126.com