BAF的同步硝化和反硝化工艺研究
近年来，随粉对曝气生钧滤池工艺研究的深入，国内外都有试验和报道证明：在有氧条件下。曝气生物滤池在运行过程中，存在着同步硝化和反硝化现象(simultaneous nitrifica-tion a nd denitrification，SND)。
一、同步硝化和反硝化的理论
关于同步硝化和反硝化机理的研究，目前国内外比较一致认同的理论有以下三种。
(1)微环境理论；该理论认为：微生物的体积非常小，因此微生物个体所处的环境也是微小的，微环境直接决定微生物个体的活动状态，但由于微生物的代谢活动和相互间的作用，微环境所处的状态是可变的；宏观环境的变化往往导致微环境的急剧变化和不均匀分布，从而影响微生物群体的活动状态，并在某种程度上出现所谓的表里不一的现象。氧传递和硝态氮传递的不均匀性，曝气状态下菌胶团内液可存在一定比例的缺氧微环境，因此在曝气状态下的硝化过程中也可以出现某种程度的反硝化，这就是所谓的同步硝化反硝化现象。
(2)好氧反硝化菌理论；近年来，硝化和反硝化的理论有了新的重要发现，即许多异养菌也能完成有机氮和无机氮(氨氮)的硝化过程，而且在很多的生态系统中，还比自养菌占优势。异养硝化菌同时也是反硝化菌，因而能在好氧条件下把氨氮直接转化成气态最终产物。另外，还发现一些其他细菌也能耗氧反硝化，如生丝微菌属(Hyphomicrobium X)。
(3)中间产物理论；关于硝化作用的生物化学机制。目前已初步搞清楚是按以下途径进行：NH3→H2N→OH-→N2→N2O→NO→NO-2→NO-3。因为好氧硝化或好氧反硝化产生了中间产物N2O作为气体逸出，构成了好氧条件下一部分总氮的去除。
二、BAF的同步硝化和反硝化工艺研究
近年来，对BAF的同步硝化和反硝化工艺进行了研究，在基于试验的基础上，主要研究和考察了BAF同步硝化反硝化工艺对城市生活污水的处理效果及规律，并对同步硝化反硝化工艺与前置反硝化工艺进行比较。
研究选用”预处理+BAF的组合工艺“，以有效去除有机物、氮，并研究其去除规律。
具体研究内容如下：①同步硝化反硝化工艺对COD、NH3-N、TN的去除规律；②不同的曝气强度(即气/水比)对出水水质的影响；③不同的有机负荷、水力负荷对出水 水质的影响；④考察水温、pH值、DO对出水水质的影响。
1.研究方法
(1)试验装置；本试验采用上向流曝气生物滤池结构，柱体材料为有机玻璃，具体结构尺寸见图5-4，从滤池底部至进气口1为承托层，从测压孔1至测压孔2为滤料层。同步硝化反峭化工艺中反应器有效体积V=78.5L。试验装置外形见图5-5。
上向流曝气生物滤池中采用的滤料为马鞍山市华棋环保科技发展有限公司自行研制的轻质陶较，该陶粒外表为球状多孔型，其陶粒性能指标见表3-4(其性能参数来自于建设部水处理滤料质量检测中心的检测报告)。
试验中采用的工艺流程见图5-6。该流程同时考虑了前置反 硝化的研究。其主要组成部分包括提升泵、沉淀池、加压泵、循环泵、空压机、反冲泵。
提升泵将生活污水从化粪池取得，为了避免将过多的杂质进入沉淀池和BAF，从而缩短工艺运行周期，故在取水管上设置滤网。提升泵将生活污水打入沉淀池，同时将混凝剂投入沉淀池进行搅拌，在沉淀池中实现物化除磷，在不考虑除磷的情况时，可省去混凝剂，直接进行搅拌沉淀即可。经过预处理的水，经过流量计，而后进入BAF底部，空压机1将空气经过流量计鼓入BAF内，循环泵将硝化后的水经流量计与原水混合进行反硝化，而后出水排放。在运行一个周期后。反冲洗水冲底部反冲口进入，同时打开空压机2将反冲空气经过流量机从BAF底部鼓入，出水流入沉淀池。工作时打开空压机1、润1、阀4，关闭空压机2、阀2；反冲洗时打开空压机2、阀2、阀3，关闭空压机1、阀1、阀4。
(2)试验水质及运行控制；试验用水取自某大院内的生活污水，其水源主要来自以下三个方面：①办公大楼内的粪便废水；②招待所内的粪便污水、淋浴废水以及洗涤废水。③大院食堂排放的污废水。试验平均水质状况见表5-4。整套试验装置采用24h不间断连续流运行。
试验平均水质状况 表5-4
| 水质指标 |
进水水质范围 |
平均值 |
水质指标 |
进水水质范围 |
平均值 |
| COD/(mg/L) |
80.5-320 |
200 |
TN/(mg/L) |
35-58.1 |
46.6 |
| BOD5/COD |
0.41-0.53 |
0.47 |
TP/(mg/L) |
1.41-4.43 |
2.92 |
| NH3-N/(mg/L) |
20.1-45 |
32.6 |
pH值 |
7.08-8.59 |
7.84 |
(3)分析监侧项目与方法；试验中所涉及的分析监测项目包括COD、BO D、NH3-N、TKN、NO2-N及NO3-N、TN、TP、pH值、DO、MLSS以及微生物镜检。
2.微生物的培养
BAF中微生物培养主要指接种挂膜。接种污泥取自污水厂曝气池的活性污泥(MLSS为2500mg/L)，试验进水为化粪池的污水。挂膜开始时，将污水及污泥注满试验装置，并在BAF装置内进行闷曝。连续闷曝3d后改成小流量进水(进水流量Q约为10L/h，停留时间约为8h)，使微生物逐渐适应进水水质，待出水变清澈后，逐渐增加进水量。
在整个挂腆期间，每天对进水的有机物浓度(以CODcr为指标)进行监测。接种挂膜过程中，进水COD在80.5-180.6mg/L之间变化，出水稳定在40mg/L以下，COD去除率整体上呈上升趋势，当COD去除率达到83.3%，表明BAF接种挂膜已经成功。挂膜后的滤料见图5-7。
3.同步硝化反硝化工艺试验条件与方法
同步硝化反硝化试验；用试验柱采用气水同向运行，污水从装置底部的进水口进入，出水在上部出水口排出，空气由填料底部的进气口1进入。有效填料高度为2.5m，反应器容积V=78.5L，水力负荷选择1. 1m/h、1.59m/h、2.39m/h三种工况。主要考察不同水力负荷和填料高度对COD、NH3-N、TN等水质指标的去除规律。
4.试验结果
同步硝化反硝化工艺试验工况及主要水质指标处理结果见表5-5。
同步硝化反硝化工艺试验工况及主要水质指标处理结果 表5-5
| 水质指标 |
7月28日-29日 |
7月30日 |
7月31日-8月2日 |
| 流量/(L/h) |
35 |
50 |
75 |
| 水力负荷/(m/h) |
1.1 |
1.59 |
2.39 |
| 停留时间/h |
2.27 |
1.57 |
1.05 |
| COD负荷/[kg/(m3·d)] |
1.47 |
2.26 |
3.76 |
| 温度/℃ |
34 |
36 |
36 |
| pH值 |
7.21 |
7.48 |
7.81 |
| 出水溶解氧/(mg/L) |
6.2 |
6.8 |
6.1 |
| 气水比 |
3:1 |
3.5:1 |
3：1 |
| CODcr |
进水/(mg/L) |
137 |
148 |
164 |
| 出水/(mg/L) |
20.2 |
18.9 |
29.5 |
| 去除率/% |
85.3 |
87.2 |
82.0 |
| NH3-N |
进水/(mg/L) |
25.3 |
27 |
28.9 |
| 出水/(mg/L) |
2.2 |
3.5 |
4.3 |
| 去除率/% |
91.3 |
87.0 |
85.1 |
| TN |
进水/(mg/L) |
35.2 |
36.5 |
38 |
| 出水/(mg/L) |
24.5 |
25.1 |
26 |
| 去除率/% |
30.4 |
31.2 |
31.6 |
5.同步硝化反硝化工艺对COD、NH3-N、TN的去除分析
(1)COD随滤料高度的变化规律；试验中COD去除率与滤料高度的关系见图5-8。
 
从图5-8可以看出，COD的去除同填料高度成正相关，最下层的50cm厚的滤料对COD的去除效率最高，当水力负荷为1.1m/h、1.59m/h、2.39m/h时分别达到62.22%、53.45%、56.83%。填料超过50cm后去除率逐步上升，但速率变慢，尤其是当滤料超过137cm厚度后，COD的去除不明显，这主要是由于此时COD已经降至30mg/L左右，由于浓度太低，使得生物处理效果降低。当水力负荷从1.1m/h上升到2.39m/h时，COD的出水浓度以及去除率只有轻微的变化，甚至当水力负荷从1.1m/h上升到1.59m/h，COD去除效果非但没有降低，反而有轻微的上升。可能是由于水力负荷提高后，水流加大了对生物膜的冲剧，使微生物保持较强的活性。文献报道，Metcalf.Eddy以及M.F.Hamoda分别在RBC反应器以及ASFF反应器中都发现类似的现象。
(2)NH3-N随填料高度的变化规律；NH3-N去除率与滤料高度的关系见图5-9。从图5-9可以看出，NH3-N的去除同填料高度的关系，当水力负荷为1.1m/h、1.59m/h、2.39m/h时，NH3-N在最下层50cm厚的滤料的去除率分别为46.3%、38.2%、37.7%。在反应前期NH3-N出现较大的去除率，表明该滤层内存在较多数量的硝化菌。因为硝化菌具有生长在固体表面的习性；同时由于生物膜泥龄较长，有利于硝化菌的增殖，所以在初期滤层内可以存在较多数量的硝化菌。据文献报道。有一些硝化菌喜欢较高的C/N。在三个不同的水力负荷下，NH3-N总的去除率最低的为85.12%，并且出水浓度都在5mg/L以下，当水力负荷为1.1m/h时，出水浓度为2.2mg/L，去除率高达91.30%，说明去除效果良好。当滤料层超过87cm时NH3-N的去除效率随滤床高度逐步增加，但增加速率明且减慢。当水力负荷增加时，出水浓度由2.2mg/L上升到4.3mg/L，总的去除率由91.30%下降到85.12%，由此可以看出水力负荷的增加对NH3-N的去除有一定的负面影响。
 
(3)TKN随填料高度的变化规律；本次试验中仅检测了当水力负荷为1.1m/h时的TKN，TKN去除率与填料高度的关系见图5-10。在好氧(缺氧)条件下，TKN中的有机氮被异养菌转化成氨氮。但因为该试脸污水中TKN的主要成分为氨氮，因此TKN随填料高度的去除规律与NH3-N随填料高度的去除规律相似。
(4)TN随填料高度的变化规律；TN去除率与填料高度的关系见图5-11。从图可知TN浓度随填料高度有一定的下降。但是下降不明显，在三个水力负荷下TN的出水浓度都在25mg/L左右，去除效率在30%左右，表明同步硝化反硝化效果不很理想。可能原因为：①滤层中的缺氧微环境不充分，不能满足反硝化需要；②好氧反硝化菌较少；③停留时间短，来不及进行内源呼吸反硝化。
图5-12表示出了NO-2-N+NO-3-N浓度变化与填料高度的关系。从中也可发现NO-2-N+NO-3-N的浓度随着填料的升高逐步增加。这表明经过硝化的NH3-N没有得到及时的反硝化。而据文献报道，李汝琪等在下向流BAF工艺中，取得了较为理想的同步硝化反硝化效果，其结果与本试验结果有差异，分析原因可能是：①清华大学试验中其填料挂膜后可以 获得较好的缺氧微环境。②水力负荷较低，仅为0.53m/h，停留时间较长，可以获得一定的内源呼吸反硝化。
6.结论
(1)水力负荷为1.1m/h、1.59m/h、2.39m/h；停留时间分别为2.27h、1.57h、1.05h时，同步硝化反硝化工艺对COD、NH3-N有较好的去除效果，出水COD、NH3-N分别在30mg/L、5mg/L以下；工艺中同步硝化反硝化脱氮效果不理想，TN去除效率只有30%左右。
(2)同步硝化反硝化工艺对COD、NH3-N的去除效率随填料高度的增加而下降。根据实验结果，建议填料高度不低于1.5m，即可满足COD、NH3-N达标排放。
(3)同步硝化反硝化工艺中，水力负荷在2.39m/h以下时，水力负荷的变化对COD、NH3-N去除的影响较小。
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