胡國威 黃瑞敏 張碗林 陳 磊

(華南理工大學環(huán)境與能源學院， 廣東 廣州 510006)

缺氧/三級好氧移動床生物膜反應器對印染廢水的脫氮效果研究

胡國威 黃瑞敏#張碗林 陳 磊

(華南理工大學環(huán)境與能源學院， 廣東 廣州 510006)

采用缺氧/三級好氧移動床生物膜反應器(MBBR)處理印染廢水，考察了水力停留時間和混合液回流比對脫氮效果的影響，并對沿程好氧生物膜的硝化菌群落和氮形態(tài)變化進行了分析。結(jié)果表明，在最佳水力停留時間10h、最適混合液回流比200%的條件下，出水氨氮、總氮濃度均能達到《紡織染整工業(yè)水污染物排放標準》(GB4287—2012)中對新建企業(yè)的直接排放標準限值要求。在三級MBBR的好氧1區(qū)，生物膜上以異養(yǎng)菌為主，主要進行有機物的氧化降解；在好氧2區(qū)和好氧3區(qū)，氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌增多，硝化作用增強，氨氮主要在這兩個階段得到去除。

移動床生物膜反應器 比耗氧速率 氮形態(tài)變化 脫氮 印染廢水

從2013年開始，我國實施了《紡織染整工業(yè)水污染物排放標準》(GB 4287—2012)，與1992版相比，對印染廢水的脫氮提出了更嚴格的要求。含有印花工藝的印染企業(yè)在生產(chǎn)過程中使用大量尿素作為助劑，產(chǎn)生的印染廢水氨氮、總氮濃度偏高。同時，由于這類印染廢水碳氮比偏低，采用傳統(tǒng)生物脫氮法處理時的脫氮效果差[1]。因此，這類印染廢水的脫氮問題是亟待解決的難題。

移動床生物膜反應器(MBBR)在活性污泥的基礎(chǔ)上投加懸浮填料，從而富集污泥齡長的硝化菌，其生物膜可實現(xiàn)同步硝化和反硝化，已在生活污水[2]、養(yǎng)殖場廢水[3]、垃圾瀝濾液[4]等廢水脫氮中得到應用。MBBR用于印染廢水處理，對COD、色度和部分染料均具有良好的去除效果[5-6]，但單級MBBR存在水力停留時間過長[7]、出水氨氮和總氮仍不能達到GB 4287—2012[8-9]等問題。本研究采用缺氧/三級好氧MBBR對含有印花工藝的印染廢水進行強化脫氮，考察不同水力停留時間和混合液回流比下的脫氮效果，并對沿程好氧生物膜的硝化菌群落和氮形態(tài)變化進行解析，以期為這類印染廢水中氮的深度脫除及其脫除機理的揭示提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗裝置由原水水箱、缺氧/三級好氧MBBR以及沉淀區(qū)組成，其示意圖如圖1所示。缺氧區(qū)有效容積8 L，內(nèi)填尺寸為10 mm×10 mm×10 mm、密度為0.24 g/cm3、孔隙率為92%的聚氨酯填料，填充率60%(體積分數(shù))。好氧區(qū)3格串聯(lián)，三級好氧分別記為好氧1區(qū)、好氧2區(qū)、好氧3區(qū)，有效容積均為8 L，共24 L，內(nèi)填尺寸為Φ25 mm×10 mm、密度為0.96 g/cm3、孔隙率為96%的聚丙烯填料，填充率40%。沉淀區(qū)有效容積為8 L，下部開有排泥孔進行污泥回流。實驗過程中維持好氧3區(qū)末端DO質(zhì)量濃度為2～3 mg/L，混合液懸浮固體(MLSS)質(zhì)量濃度為2 500～3 500 mg/L。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.2 接種污泥與實驗原水

接種污泥取自東莞市某含有印花工藝的大型針織印染廠二沉池，MLSS質(zhì)量濃度為32.4 g/L，混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)質(zhì)量濃度為17.6 g/L。

實驗原水取自該廠厭氧水解池出水，COD質(zhì)量濃度為350～450 mg/L，總氮質(zhì)量濃度為43.5 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度為36.6 mg/L，硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為0.8 mg/L，亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為0.1 mg/L。

1.3 實驗方法

1.3.1 掛膜啟動

采用快速排泥法進行掛膜[10]。出水水質(zhì)穩(wěn)定，COD、氨氮去除率分別在76%、90%以上，掛膜成功。

1.3.2 水力停留時間對系統(tǒng)脫氮的影響

維持混合液回流比為200%，調(diào)節(jié)原水水箱的進水流量使得水力停留時間分別為6、8、10、12 h，穩(wěn)定運行3 d后進行采樣分析，連續(xù)采樣14 d，考察水力停留時間對系統(tǒng)脫氮的影響。

1.3.3 混合液回流比對系統(tǒng)脫氮的影響

維持水力停留時間為10 h，調(diào)整混合回流比分別為100%、150%、200%、250%，穩(wěn)定運行3 d后進行采樣分析，連續(xù)采樣14 d，考察混合液回流比對系統(tǒng)脫氮的影響。

1.3.4 沿程好氧生物膜的硝化菌群落和氮形態(tài)變化分析

維持水力停留時間為10 h、混合液回流比為200%，系統(tǒng)穩(wěn)定運行30 d 后，取樣分析沿程好氧生物膜的硝化菌群落和氮形態(tài)變化。

1.4 實驗測試分析

水質(zhì)分析：COD采用重鉻酸鉀快速密閉消解法；氨氮采用納氏試劑分光光度法；硝酸鹽氮采用紫外分光光度法；亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；總氮采用堿性過硫酸鉀—紫外分光光度法；DO濃度采用便攜式溶解氧儀測定；MLSS和MLVSS采用重量法測定[11]。有機氮通過總氮減去氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮計算得到。生物膜生物量用MLVSS表征。

異養(yǎng)菌、氨氧化細菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)的比耗氧速率測定參考文獻[12]，用于分析硝化菌群落變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 水力停留時間影響

不同水力停留時間下氨氮、總氮的去除特性如圖2所示。由圖2可知，隨著水力停留時間的延長，氨氮、總氮去除率呈現(xiàn)同步上升的趨勢。當水力停留時間為6 h時，系統(tǒng)氨氮、總氮平均去除率較低，分別僅為79.1%、57.7%，這是因為較短的水力停留時間導致污水中的氮沒有充分的時間與生物膜上的硝化菌群接觸，同時進水流量過大容易把填料上的生物膜沖刷下來導致硝化菌流失，從而硝化反應不能得到充分進行[13]。當水力停留時間為10 h時，氨氮、總氮都得到高效去除，平均去除率分別為90.6%、69.1%，出水氨氮、總氮平均值分別為3.4、13.4 mg/L。當水力停留時間繼續(xù)延長至12 h時，氨氮、總氮平均去除率雖均有所增加，但增加幅度不大，分析原因可能是進水中可利用的有機碳源不足。綜合考慮系統(tǒng)脫氮效率及反應時間的長短，系統(tǒng)最佳的水力停留時間為10 h。

圖2 不同水力停留時間下氨氮、總氮的去除特性Fig.2 Ammonia nitrogen and total nitrogen removal characteristics under different hydraulic retention time

2.2 混合液回流比影響

不同混合液回流比下氨氮、總氮的去除特性如圖3所示。由圖3可知，在不同混合液回流比下，氨氮平均去除率均在90.3%以上，出水氨氮平均值在4.4 mg/L以下，差別不大，說明混合液回流比對系統(tǒng)的氨氮影響較小?；旌弦夯亓鞅葟?00%增加到250%，總氮平均去除率從55.4%增加到了71.1%，出水總氮平均值從19.3 mg/L降到了12.9 mg/L，說明增加混合液回流比，在一定程度上能提高總氮去除率。但是當混合液回流比從200%增大到250%時，總氮去除率的增幅不明顯，原因是高混合液回流所攜帶的DO破壞了缺氧環(huán)境，導致反硝化作用減弱[14-15]。因此，混合液回流比為200%較合適。

圖3 不同混合液回流下氨氮、總氮的去除特性Fig.3 Ammonia nitrogen and total nitrogen removal characteristics under different mixture recycling ratio

在最佳水力停留時間10 h、最適混合液回流比200%的條件下，出水氨氮和總氮濃度均能達到GB 4287—2012中對新建企業(yè)的直接排放標準限值(氨氮和總氮分別為10、15 mg/L)要求。

2.3 沿程好氧生物膜硝化菌群變化

由圖4可見，三級好氧MBBR的生物膜生物量沿程逐級降低，好氧1區(qū)至好氧3區(qū)的MLVSS分別為3 217、3 084、2 804 mg/L，這是因為好氧1區(qū)至好氧3區(qū)的COD、氨氮濃度逐級降低，底物濃度限制了微生物的生長。在好氧1區(qū)，MBBR生物膜上異養(yǎng)菌、AOB、NOB的比耗氧速率分別為26.65、4.59、2.76 mg/(g·h)，以異養(yǎng)菌為主，主要進行有機物的氧化降解。到好氧2區(qū)和好氧3區(qū)，AOB和NOB的比耗氧速率上升，說明生物膜上AOB和NOB增多，氨氮的去除作用增強。汪君暉等[16]研究發(fā)現(xiàn)，隨著三級好氧MBBR沿程碳氮比的減小，生物膜厚度和生物量逐漸減少，但生物膜的硝化速率卻逐漸增大，與本研究的結(jié)果一致。

圖4 沿程好氧生物膜的生物量及比耗氧速率Fig.4 Biomass and specific oxygen uptake rate along the aerobic biofilm

2.4 沿程氮形態(tài)轉(zhuǎn)化

由圖5可見，有機氮從原水的6.0 mg/L下降至出水的2.0 mg/L，減少了66.7%(質(zhì)量分數(shù))，原因是有機氮發(fā)生氨化反應轉(zhuǎn)化為氨氮[17]；原水氨氮占總氮的質(zhì)量分數(shù)為84.1%，在缺氧區(qū)氨氮濃度出現(xiàn)降低主要是由于混合液回流的稀釋作用，氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮在好氧區(qū)才發(fā)生，出水硝酸鹽氮占總氮的質(zhì)量分數(shù)為50.8%，硝化作用主要在好氧2區(qū)和好氧3區(qū)進行，因為好氧2區(qū)和好氧3區(qū)的有機物含量相對較低，生物膜上占優(yōu)勢的菌種為AOB和NOB，與沿程好氧生物膜硝化菌群落變化的分析相吻合；亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度始終在1.3 mg/L以下，說明系統(tǒng)沒有發(fā)生亞硝酸鹽氮積累。好氧區(qū)總氮也有部分去除，原因可能是發(fā)生了同步硝化反硝化反應[18-20]。

圖5 沿程氮形態(tài)轉(zhuǎn)化Fig.5 Changes of nitrogen transformation along the process

3 結(jié) 論

(1) 在最佳水力停留時間10 h、最適混合液回流比200%的條件下，出水氨氮、總氮濃度均能達到GB 4287—2012中對新建企業(yè)的直接排放標準限值要求。

(2) 在好氧1區(qū)，MBBR生物膜上以異養(yǎng)菌為主，主要進行有機物的氧化降解；在好氧2區(qū)和好氧3區(qū)，AOB和NOB增多，硝化作用增強，氨氮主要在這兩個階段得到去除。

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Nitrogenremovalfortheprintinganddyeingwastewaterbyanoxic/threestageaerobicMBBRprocess

HUGuowei，HUANGRuimin，ZHANGWanlin，CHENLei.

(SchoolofEnvironmentandEnergy，SouthChinaUniversityofTechnology，GuangzhouGuangdong510006)

The anoxic/three stage aerobic moving bed biofilm reactor (MBBR) process was used to treat the printing and dyeing wastewater. The influence of the hydraulic retention time and the mixture recycling ratio on nitrogen removal was investigated. The variations of nitrifying bacteria fraction and the nitrogen transformation along the process were also analyzed. Results showed that under the best condition of hydraulic retention time 10 h and mixture recycling ratio 200%,effluent ammonia nitrogen and total nitrogen could meet “Discharge standards of water pollutants for dyeing and finishing of textile industry” (GB 4287-2012) on new company’s direct discharge. In MBBR aerobic stage 1,heterotrophic bacteria were dominant,degradading organic compounds. In MBBR aerobic stage 2 and stage 3,ammonia oxidizing bacteria and nitrite oxidizing bacteria increased,resulting in nitrification enhanced and ammonia nitrogen removed.

moving bed biofilm reactor; specific oxygen uptake rate; nitrogen transformation; nitrogen removal; printing and dyeing wastewater

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.020

胡國威，男，1990年生，碩士研究生，研究方向為水污染控制技術(shù)與凈水技術(shù)。#

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2016-10-17)