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宫糖戚
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1 第卷第 5 期 016 年 5 月北京工业大学学报 JURNAL F BEIJING UNIVERSITY F TECHNLGY Vol. No. 5 May 016 气水比对曝气生物滤池 N 产生的影响刘秀红 1,, 周瑶 1, 孟雪征 1, 谷鹏超 1, 杨庆 1 1, 黄斯婷 (1. 北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室, 北京 1001;. 中国人民大学环境学院, 北京 10087) 摘要 : 针对目前有关曝气生物滤池中 N 产生与控制问题研究较少的现状, 以城市污水为研究对象, 利用曝气生物滤池, 重点研究了气水比为 9 郾 8 颐 1 5 郾 0 颐 1 和郾 5 颐 1 的条件下, 曝气生物滤池中 N 的产生与转化情况. 试验结果表明 :BAF 工艺中 NH + 鄄 N 和 TN 的去除率均随气水比的减小而减小 ; 气水比为 9 郾 8 颐 1 5 郾 0 颐 1 和郾 5 颐 1 的条件下, N 的释放量在空气中的百分比分别为 18 郾伊郾 90 6 伊 10-6 和 13 郾伊 10-6, 因此,BAF 中 N 的产生不容忽视. 在不同的气水比条件下, 溶解态 N 鄄 N 的沿程变化规律均为先增加后减小, 且溶解态 N 鄄 N 质量浓度与 N - 鄄 N 质量浓度沿程变化规律一致, 据此推测,N 可能产生于硝化反应过程. 综合考虑硝化效果 TN 去除效果以及 N 减排控制, 确定本试验条件下的 BAF 中适宜控制的气水比为 5 郾 0 颐 1. 关键词 : 城市污水 ; 曝气生物滤池 ; 硝化反应 ; 气水比 ; N 中图分类号 : U 61; TP 308 文献标志码 : A 文章编号 : (016) doi: / bjutxb Influence of Air 鄄 Water Ratio on the N Production in Biological Aerated Filter LIU Xiuhong 1,, ZHU Yao 1, MENG Xuezheng 1, GU Pengchao 1, YANG Qing 1, HUANG Siting 1 (1. Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 1001, China;. School of Environment and Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 10087, China) Abstract: Biological aerated filter ( BAF) has been widely used in treatment of wastewater and reclaimed water. To date, little research has been done to control N production in BAF. N production from municipal wastewater at different air 鄄 water ratio of 9 郾 8 颐 1,5 郾 0 颐 1, 郾 5 颐 1 respectively was investigated in biological aerated filter ( BAF). The obtained results show that NH + 鄄 N and TN removal efficiency decreases with the decrease of air 鄄 water ratio. Under the condition of air 鄄 water ratio of 9 郾 8 颐 1,5 郾 0 颐 1, 郾 5 颐 1, the percent of N emission from BAF was 18 郾 030 6, 7 郾 90 6, 13 郾伊 10-6, respectively, indicating that N production in BAF can not be ignored. N 鄄 N dissolved in the mixture at different air 鄄 water ratio increased first and then decreased along the filter layer, which was consistent with the variation of N - 鄄 N concentration. Therefore, N might be produced during nitrification. Considering nitrification efficiency, TN removal efficiency and N emission control, the optimal air 鄄 water ratio is 5 郾 0 颐 1. Key words: municipal wastewater; biological aerated filter; nitrification; air 鄄 water ratio; N 收稿日期 : 015 鄄 03 鄄 10 基金项目 : 北京市科技新星计划资助项目 (XX013006) 作者简介 : 刘秀红 (1979 ), 女, 高级工程师, 主要从事新型污水生物脱氮及其过程控制方面的研究, E 鄄 mail: lxhfei@ 163. com

2 796 北京工业大学学报 016 年曝气生物滤池 (biological aerated filter, BAF) 是 0 世纪 80 年代末在欧美发展起来的一种集过滤生物吸附生物氧化于一体的新型污水脱氮技术, 具有水力负荷高占地面积小污泥产量少能耗低等优点 [1]. 许多研究人员在采用 BAF 研究短程硝化反硝化同步硝化反硝化等新型脱氮工艺时发现, 在好氧过程中有明显的 TN 去除现象 [ 鄄 3]. TN 去除一方面是由于供氧不足和生物膜内部微环境导致同步硝化反硝化反应的发生 ; 另一方面可能是硝化过程中 N 气体的产生. 污水的生物脱氮过程是温室气体 N 的重要产生源之一, 大气中 N 的体积分数每增加 1 倍, 全球地表温度将平均上升 0 郾 3 益 []. N 体积分数增加将对地球生态系统人类生存环境等产生严重影响. 随着新型污水脱氮工艺的不断发展,N 产生量增加的问题随之产生,Zeng [5] 等在 D 质量浓度为 0 郾 5 ~ 0 郾 55 mg / L 的条件下, 实现了亚硝酸盐型同步硝化反硝化, 但 N 是 [6] 反应的主要气态终产物 ;Jia 等对同步硝化反硝化与传统硝化反硝化 N 的释放情况进行了比较, 结果表明前者 N 的释放量为后者的倍. 因此, N 的产生问题不容忽视. 随着 BAF 在污水处理中的应用越来越广泛, 污水厂及再生水厂仍有可能释放大量的 N, 而目前此方面的研究报道较少. 气水比是保证 BAF 中污染物去除的重要影响因素之一. 气水比过大时, 会造成能量的浪费, 并且气流的摩擦剪切作用容易对生物膜造成过度冲刷 ; 气水比过小时, 异养菌和硝化细菌得不到充足的氧气, 影响 BAF 对污染物的去除效果. 目前, 有关气水比对曝气生物滤池 N 产生问题的研究未见报道. 因此, 本试验采用实际城市污水, 研究不同气水比对 BAF 硝化效果和 TN 去除的影响 ; 确定不同气水比条件下,BAF 中 N 的产生与转化情况 ; 通过不同气水比条件下,BAF 硝化效果 TN 去除效果与 N 的产生情况综合比较分析, 确定本试验条件下 BAF 运行的最佳气水比, 并为 BAF 中 N 的减排控制提供依据. 1 材料与方法 1 郾 1 试验用水水质试验用水来自北京市高碑店污水处理厂初沉池出水, 水质情况见表 1. BAF 滤速为 0 郾 6 m / h, 水力停留时间为 1 郾 5 h, 试验期间平均水温为 5 ~ 8 益. 表 1 试验进水水质 Table 1 Characteristics of wastewater mg L - 1 水质指标范围平均值籽 (SCD Cr ) 7 郾 35 ~ 133 郾 0 99 郾 58 籽 (NH + 鄄 N) 31 郾 9 ~ 51 郾 5 1 郾 6 籽 (N - 鄄 N) 0 郾 00 ~ 1 郾 1 0 郾 1 籽 (N - 3 鄄 N) 0 郾 00 ~ 郾 7 0 郾 31 籽 (TN) 5 郾 0 ~ 77 郾 0 57 郾 1 1 郾试验装置与运行条件本试验采用上向流 BAF 反应器. 试验装置如图 1 所示. 滤池为内径为 0 cm 的有机玻璃柱, 总高为 m. 承托层由鹅卵石组成, 总高为 0 郾 15 m; 滤料层采用的滤料为粒径为 ~ 6 mm 的火山岩, 总高为 0 郾 75 m, 有效容积为 3 郾 6 L, 滤柱外壁设有 7 个取样口, 取样口间距为 15 cm. 火山岩滤料的主要特性见表. 形态 Table 项目图 1 Fig. 1 曝气生物滤池工艺装置 Schematic diagram of BAF 表滤料主要特性 Main characteristics of filter media 滤料特性灰黑色, 表面粗糙, 且有大量孔洞孔隙率 / % 73 ~ 8 比表面积 / (m g - 1 ) 逸 0 吸附率 / % 95 磨损率 / % 1

3 第 5 期刘秀红, 等 : 气水比对曝气生物滤池 N 产生的影响郾 3 试验分析方法 1 郾 3 郾 1 水质分析方法应用 WTW30i D ph 测定仪测定反应过程中 D ph 的变化情况. 试验中 SCD NH - 鄄 N N - 鄄 N N - 3 鄄 N 的分析方法均按照国家环境保护局发布的标准方法, TC 及 TN 使用 multin / C 3000 TC / TN 分析仪测定. 1 郾 3 郾 N 的测定 BAF 中 N 的测定包括 N 释放量和溶解态 N 两部分. 其测定方法参考刘秀红 [7] N 的测定方法. N 气体采用 Agilent 6890N 气相色谱仪进行测定 ; 色谱柱为 HP 鄄 Plot / 分子筛 (30 m 伊 0 郾 53 mm 内径伊 5 滋 m 膜 ); 色谱条件为 : 进样口 110 益, 炉温 180 益 ;EC 检测器 300 益 ; 所有气体样品均测定 3 次. N 释放量测定 :BAF 反应器整体密闭, 排出的气体经干燥除水分后, 收集于气体采样袋中. 直接用气相色谱测定气体中 N 的质量浓度. 溶解态 N 采用上部空间法测定. 在密闭条件下, 取沿程水样, 分别加入 0 郾 5 ml 质量浓度为 mg / L 的 HgCl 溶液抑制残余的微量微生物的活性. 将制好的样品放入恒温磁力搅拌器中震荡 1 h 后, 测定上部气体中 N 的质量浓度, 根据测定的 N 的质量浓度及亨利定律计算溶解态 N 的质量浓度. 1 郾试验过程 BAF 采用接种挂膜启动后, 在气水比为 9 郾 8 颐 1 的条件下连续稳定运行 30 d 后, 逐一考察气水比为 9 郾 8 颐 1 5 郾 0 颐 1 和郾 5 颐 1 的条件下, 滤池中水质参数 N 释放量和溶解态 N 的变化情况, 每个阶段的运行时间为 5 d. 试验结果与讨论郾 1 气水比对 NH + 鄄 N 和 TN 去除效果的影响图给出了整个运行过程中气水比变化对 BAF 硝化效果的影响, 图 3 给出了不同气水比条件下, BAF 对 NH + 鄄 N 和 TN 的去除情况. 气水比对 NH + 鄄 N 和 TN 的去除均有明显效果,NH + 鄄 N 和 TN 去除率均随气水比的减小而减小. NH + 鄄 N 的去除主要由硝化细菌完成, 硝化过程为好氧状态, 良好的供氧条件有利于硝化反应的顺利进行. 同时,BAF 中的生物膜存在好氧和缺氧微图气水比对 NH + 鄄 N 去除效果的影响 Fig. Influence of air 鄄 water ratio on NH + 鄄 N removal 图 3 不同气水比条件下,BAF 对 NH + 鄄 N 和 TN 去除效果 Fig. 3 NH + 鄄 N and TN removal in BAF under different air 鄄 water ratio 环境, 这为同步硝化反硝化反应的发生提供了可能 [8]. 当气水比较高时, 混合液中的溶解氧质量浓度较高, 为硝化菌提供了充足的氧气 ; 同时气水比较大时, 气流对生物膜的冲刷作用较强, 有助于老化生物膜的快速脱落, 加快了生物膜的更新速度, 使生物膜对氧的利用率增加 [9]. 当气水比为 9 郾 8 颐 1 时, 硝化效果明显,NH + 鄄 N 去除率达 91%, 由于硝化反应产生较高质量浓度的硝酸盐和亚硝酸盐, 为反硝化提供了相对充足的底物,TN 去除率较高, 可达 5%. 当气水比为 5 郾 0 颐 1 时,TN 去除率为 1%, 略有降低, 这主要是由于气水比降低导致系统溶解氧质量浓度降低, 硝化过程产生的硝酸盐和亚硝酸盐质量浓度相应降低, 为反硝化反应提供的底物质量浓度相应降低. 随着气水比的进一步降低, 混合液中的溶解氧质量浓度以及氧的传质效率均相应下降, 当气水比降低到郾 5 颐 1 时, 经测得 BAF 中 D 平均质量浓

4 798 北京工业大学学报 016 年度仅为 0 郾 1 mg / L, 由于系统中溶解氧多被异养菌利用, 硝化细菌难以获得充足的溶解氧, 致使硝化反应难以进行. 因此, 气水比为郾 5 颐 1 的条件下, 滤料层内部虽然更容易形成缺氧环境, 理论上有利于反硝化反应的进行 ; 但是由于较低的气水比同时影响了硝化反应的进行, 生成的硝酸盐或亚硝酸盐较少, 使得反硝化反应的底物不充足,TN 去除率较低. 因此,BAF 工艺中实现 NH + 鄄 N 去除的同时可实现较高的 TN 去除率. 同时, 随气水比的增加 NH + 鄄 N 和 TN 去除效果均逐渐增加. 郾不同气水比条件下 N 产生与转化情况郾郾 1 不同气水比条件下 N 的释放比例图给出了不同气水比条件下,BAF 中 N 的释放量在空气中的比例. 在气水比为 9 郾 8 颐 1 5 郾 0 颐 1 和郾 5 颐 1 的条件下,N 的释放量在空气中的比例分别为 18 郾伊郾 90 6 伊 10-6 和 13 郾伊 10-6,N 的释放量随气水比的减小而减小, 其规律与 NH + 鄄 N 和 TN 去除规律相同. 研究表明 : 好氧反应过程中 N 主要产生于硝化反应的氨及羟胺的氧化过程 [10 鄄 11] ; 缺氧反应过程中可能由于 N 还原酶合成受到抑制, 导致 N 的产生与释放. 本研究中, 当气水比减小时, 硝化效果变差,TN 去除率降低, 该结果表明 N 可能主要产生于硝化作用. 同时由于曝气量的降低, 气体吹脱的 N 的量也会减小. 因此,N 的释放量随气水比的减小而减小. Fig. 图气水比对 N 释放量的影响 Influence of air 鄄 water ratio on N emission 郾郾不同气水比条件下溶解态 N 鄄 N 的产生量图 5 给出了不同气水比条件下, 溶解态 N 鄄 N 和 N - 鄄 N 的变化情况. 在不同的气水比条件下, 溶解态 N 鄄 N 随沿程的变化情况均为先增加后减小, 并与 N - 鄄 N 的沿程变化情况一致. 在滤池内部, 氧的传质效率低, 易出现局部 N - 鄄 N 累积现象, 为了避免 N - 鄄 N 的积累, 氨氧化细菌会产生异构亚硝酸盐还原酶, 以 N - 鄄 N 作为电子受体产生 N, 这说明在 BAF 中 N - 鄄 N 是导致溶解态 N 产生的重要 [1] 因素. Kampschreur 等的研究也表明 N - 鄄 N 的产生会导致氨氧化细菌以 N - 鄄 N 和 NH + 鄄 N 分别作为电子受体和电子供体进行反硝化作用产生 N. 图 5 不同气水比条件下, 溶解态 N 鄄 N 和 N - 鄄 N 的沿程变化 Fig. 5 N 鄄 N dissolved in the mixture and N - 鄄 N along the filter under different condition of air 鄄 water 从图 5 可以看出, 气水比不同时, 沿程溶解态 N 鄄 N 出现最高质量浓度的位置以及最高浓度也不同, 并且出水溶解态 N 鄄 N 的质量浓度随气水比的减小而增加. 当气水比为 9 郾 8 颐 1 时, 在 0 ~ 0 郾 15 m, 几乎没有溶解态 N 鄄 N 的产生 ; 在 0 郾 15 ~ 0 郾 60 m, 溶解态 N 鄄 N 产生速率逐渐变大, 在层高为 0 郾 60 m 时, 溶解态 N 鄄 N 的质量浓度达最大值, 为 0 郾 mg / L; 在 0 郾 6 ~ 0 郾 9 m, 溶解态 N 鄄 N 有部分被消耗, 最终出水质量浓度为 0 郾 155 mg / L. 当气水比为 5 郾 0 颐 1 时, 在 0 ~ 0 郾 3 m, 溶解态 N 鄄 N 的产生量很低 ; 在层高为 0 郾 30 ~ 0 郾 5 m 和 0 郾 60 ~ 0 郾 75 m, 溶解态 N 鄄 N 的产生速率基本相同 ; 在 0 郾 5 ~ 0 郾 60 m, 溶解态 N 鄄 N 的产生速率有所降低 ; 在层高为 0 郾 75 m 时达到最大值, 为 0 郾 579 mg / L; 在 0 郾 75 ~ 0 郾 90 m, 溶解态 N 鄄 N 逐渐被消耗, 最终出水质量浓度为 0 郾 7 mg / L. 当气水比为郾 5 颐 1 时, 在 0 ~ 0 郾 6 m, 溶解态 N 鄄 N 的产生量很低 ; 在 0 郾 6 ~ 0 郾 9 m, 产生速率逐渐增加, 在层高为 0 郾 9 m 时, 达到最大值, 为 0 郾 31 mg / L; 最终出水质量浓度为 0 郾 9 mg / L. 上述试验结果表明, 在气水比为郾 5 颐 1 和 9 郾 8 颐 1 的条件下, 出水溶解态 N 鄄 N 的产生量分别为最高和最低 ; 原因是气水比为郾 5 颐 1 时, 曝气量低, 气体的吹脱作用微弱, 并且在层高为 0 郾 90 m 即出水区, 溶解态 N 鄄 N 的质量浓度达到最大, 没有后续的消

5 第 5 期刘秀红, 等 : 气水比对曝气生物滤池 N 产生的影响 799 耗 ; 当气水比为 9 郾 8 颐 1 时, 曝气量大, 气体的吹脱作用最强, 溶解态 N 鄄 N 的最大质量浓度出现的层高为 0 郾 6 m, 在 0 郾 6 ~ 0 郾 9 m, 是逐渐被消耗的, 这是导致出水溶解态 N 鄄 N 质量浓度低的主要原因. 在不同的气水比条件下, 溶解态 N 鄄 N 整体的变化趋势一致, 但是在不同层高之间的产生情况是不同的. 研究表明, 除了 N - 鄄 N 的抑制作用导致 N 产生外, 硝化细菌的反硝化作用及好氧反硝化菌的作用都会导致 N 的产生 [13] [1]. Wrage 等的研究表明, 当 NH + 鄄 N 被氧化为 N - 鄄 N 后, 氨氧化细菌的还原酶系统可以将其还原为 N N 和 N. [15] Yu 等利用序批式培养法培养了 Nitorsomonas europaea 来研究氨氧化细菌对低 D 及亚硝酸盐累积的反应. 结果表明 : 在低 D 条件下, 氨单加氧酶和羟胺氧化还原酶的 mrna 质量浓度更高, 低 D 条件有利于 N 的产生 ; 并且当亚硝酸盐质量浓度升高到一定程度时, 氨氧化细菌的反硝化作用会进一步加强, 产生更多的 N. 本试验进水为实际城市污水, 水质波动较大, 导致生物膜的组成情况相对复杂, 曝气生物滤池中的微生物种群丰富, 组成多样, 系统营养结构复杂 [16], 不同的代谢类型的微生物在不同部位渐次形成优势群落. 这些都会导致滤池内进行的生化反应较多, 所以 N 的产生机制可能会更加复杂, 有待进一步的研究. 郾 3 不同气水比条件下氮素转化与 N 产生的相关关系图 6 给出了去除单位质量浓度的 NH + 鄄 N 和 TN 的 N 的释放比例. 在气水比为 9 郾 8 颐 1 5 郾 0 颐 1 和郾 5 颐 1 的条件下, 去除单位质量浓度的 TN 所释放 N 量在空气中的比例分别为 13 郾 57 伊郾 60 伊 10-6 和 9 郾 05 伊由图 3 可知 : 在气水比为 9 郾 8 颐 1 5 郾 0 颐 1 和郾 5 颐 1 的条件下,NH + 鄄 N 的平均去除率分别为 91% 78% 和 5% ;N 的释放量在空气中的比例分别为 18 郾伊郾 90 6 伊图 6 去除单位质量浓度 NH + 鄄 N 和 TN 后 N 的释放量 Fig. 6 N emission per NH + 鄄 N and TN removal 10-6 和 13 郾伊经计算得当气水比从 9 郾 8 颐 1 降到 5 郾 0 颐 1 时,NH + 鄄 N 的去除率相对下降 1%, 而 N 的释放量相对下降 38% ; 气水比为郾 5 颐 1 和气水比为 5 郾 0 颐 1 的条件相比,NH + 鄄 N 的去除率相对下降 68%,N 的释放量相对下降 51%. 同时从图 5 可以看出, 在气水比为 5 郾 0 颐 1 的条件下, 去除单位质量浓度的 NH + 鄄 N, N 的释放量是最少的. 所以, 综合考虑脱氮效果和 N 减排, 本试验条件下的最佳气水比为 5 郾 0 颐 1. 3 结论 1) BAF 工艺中 NH + 鄄 N 和 TN 的去除率均随气水比的减小而减小. BAF 工艺中 N 释放量在空气中的比例随气水比的减小而减小. ) 不同气水比条件下, 溶解态 N 鄄 N 的沿程变化规律均为先增加后减小, 且溶解态 N 鄄 N 质量浓度与 N - 鄄 N 质量浓度的沿程变化规律一致. 3) 综合考虑硝化效果 TN 去除效果以及 N 减排控制, 本试验条件下 BAF 中适宜控制气水比为 5 郾 0 颐 1. 参考文献 : [1] 张敏, 黎云祥. 曝气生物滤池工艺去除氨氮影响因素分析 [J]. 甘肃科技, 011, 7(6): 73 鄄 75. ZHANG M, LI Y X. The influence factor analysis of NH + 鄄 N removal in biological aerobic filter[ J]. Gansu Science and Technology, 011, 7(6): 73 鄄 75. (in Chinese) [] 岳三琳, 刘秀红, 施春红, 等. 生物滤池工艺污水与再生水处理应用与研究进展 [ J]. 水处理技术, 013, 39 (1): 1 鄄 6. YUE S L, LIU X H, SHI C H, et al. Research and application progress of biofilter process for wastewater treatment and reuse[ J]. Technology of Water Treatment, 013, 39(1): 1 鄄 6. (in Chinese) [3] 李婷, 董文艺, 王宏杰, 等. 气水比对曝气生物滤池处理生活污水的影响 [J]. 给水排水, 011, 37: 50 鄄 5. LI T, DNG W Y, WANG H J, et al. Impact of gas 鄄 water ratio on treatment of urban domestic wastewater in biological aerated filter [ J ]. Warer & Wastewater Engineering, 011, 37: 50 鄄 5. (in Chinese) [] 王赛, 王淑莹, 巩有奎, 等. 新型生物脱氮工艺中 N 产生及释放研究进展 [J]. 水处理技术, 010, 36(3): 5 鄄 9. WANG S, WANG S Y, GNG Y K, et al. Progress of N production and emission in novel biological nitrogen removal processes [ J]. Technology of Water Treatment,

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Microsoft Word - 17--刘秀秀_new_.doc 土壤 (Soils), 2014, 46(5): 875 880 1 缺钾对油菜主序产量性状的影响及施钾效果 * ( 430070) (+K) ( K) 1 321 kg/hm 2 111% 50.1% 9.2% 33.6% 21.6% 10.3% 69.6% 41.7% 20.1% 124.4% S143.3 57.2% [1] [2] [3] [4 6] 2005