胡 新，鹿 飛，李修好，江 成，陳豐照，曹文平

（1. 江蘇方正環(huán)保集團(tuán)有限公司，江蘇徐州221002； 2. 江蘇蓮洋港環(huán)保科技有限公司，江蘇徐州221003； 3. 徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇徐州221111）

隨著城市化、工業(yè)化的快速推進(jìn)，在城市污水量劇增的同時(shí)，污水成分也日趨復(fù)雜，導(dǎo)致了日趨嚴(yán)重的水污染問題。隨著《水十條》的頒布和實(shí)施，城市管網(wǎng)建設(shè)和雨污分流體系的日趨完善， 城市污水處理廠對保護(hù)生態(tài)環(huán)境發(fā)揮著越來越重要的作用。但是，目前城市污水處理廠進(jìn)水總氮（TN）普遍偏高，而常見的A2/O、氧化溝和CASS 等城市污水處理廠常見工藝均為敞口運(yùn)行，缺氧單元溶解氧偏高，以致缺氧單元反硝化效果偏低， 導(dǎo)致城市二級污水處理廠出水（簡稱尾水）TN 超標(biāo)問題時(shí)有發(fā)生〔1-2〕。 因此，對尾水進(jìn)行深度脫氮處理非常必要。

目前， 我國開發(fā)的尾水深度處理方法包括物理法、化學(xué)法和生物法〔3-4〕。 相比于物理和化學(xué)方法，生物法具有效益高、環(huán)境友好、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，成為研究的熱點(diǎn)〔5〕。 其中，基于尾水深度脫氮的生物膜處理技術(shù)〔6〕的研究非?；钴S，其包括生物反應(yīng)器研發(fā)和生物載體特性研究〔7〕。

尾水的特點(diǎn)是TN 濃度高、 有機(jī)物濃度低且難降解，屬于低C/N 污水〔8〕。 在不投加碳源的情況下，通過傳統(tǒng)的生物工藝很難去除尾水中的TN，特別是NO3--N。 近些年來，固相反硝化技術(shù)（SPD）得到了普遍關(guān)注， 緩釋碳源作為生物載體和有機(jī)碳源被用于去除地下水、飲用水和污水中的NO3--N，并取得了良好的效果〔9-12〕。常見的緩釋碳源有樹皮、角樹、松屑等天然纖維素物質(zhì)和PLA、PBS、PCL 等合成高分子材料等〔9-11，13〕。 絲竹具有良好的剛性和生物親和性，且絲竹屬于天然纖維物質(zhì)，其取材廣、成本低廉、生物量大、不存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)危害，適合作為緩釋碳源使用。 本研究內(nèi)容:

（1）以改性絲竹作為生物載體和緩釋碳源構(gòu)建生物膜脫氮反應(yīng)器， 研究該反應(yīng)器對尾水中氮素化合物的去除效果和特性；

（2）對比研究改性絲竹（一種可生物降解材料）和彈性立體填料（一種不可生物降解材料）作為生物載體的脫氮特征。

1 材料與方法

1.1 反應(yīng)器構(gòu)建與生物膜培養(yǎng)

以改性絲竹作為生物載體和緩釋碳源構(gòu)建好氧擋板式生物膜反應(yīng)器（ABBR），其總有效容積40 L，呈圓柱形（直徑40 cm，高40 cm）。 該反應(yīng)器由擋板隔成左右各為20 L 的區(qū)域，左側(cè)為降流區(qū)，右側(cè)為升流區(qū)。 ABBR 底部由小型充氧泵供氣，空氣通過微孔曝氣盤擴(kuò)散，左右兩側(cè)頂部水體DO 介于3.5～4.5 mg/L。 實(shí)驗(yàn)水溫（19.0±3） ℃。 實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

在ABBR 的降流區(qū)和升流區(qū)內(nèi)均填滿改性絲竹。 改性絲竹是將制作好的絲竹放入沸水中蒸煮1～2 h，以去除絲竹中水溶性內(nèi)含物，防止引起二次污染，同時(shí)提高絲竹表面親水性基團(tuán)數(shù)量。絲竹是由多年生毛竹制作而成。 改性絲竹尺寸15 mm ×1 mm×1 mm，截面呈長方形，孔隙率76.4%，比表面積214.8 m2/m3，密度1.72 g/cm3。

接種污泥取自某城市污水處理廠回流的好氧活性污泥，接種污泥MLSS 為8 000 mg/L，接種量為15 L， 加入到ABBR 中使MLSS 達(dá)到2 700 mg/L 左右。 經(jīng)過7 d 連續(xù)小水量掛膜，改性竹絲表面形成了較為明顯的生物膜。 將沒有黏附到絲竹表面的活性污泥倒掉。

1.2 ABBR 脫氮實(shí)驗(yàn)方法

污水塔中的尾水通過重力流流入ABBR 的降流區(qū)，從ABBR 的升流區(qū)頂部出水，水力停留時(shí)間為8 h。 尾水取自某污水處理廠一級處理單元出水，該污水處理廠一級處理單元包括機(jī)械格柵、旋流沉砂和初次沉淀池等構(gòu)筑物。 尾水水質(zhì):COD 111～145 mg/L，BOD518.7～36.2 mg/L，NH4+-N 11.4～13.6 mg/L，NO3--N 6.7 ～8.2 mg/L，NO2--N 0.67 ～1.09 mg/L，TN 22.4～25.3 mg/L，SS 8～16.5 mg/L。 連續(xù)監(jiān)測進(jìn)出水氮素化合物濃度變化，研究ABBR 的脫氮效果和特性。

1.3 改性絲竹和彈性立體填料作為生物載體去除 的特性

使用2 個(gè)250 mL 燒瓶作為平行的反硝化反應(yīng)器，燒瓶用橡膠塞密封，以保持缺氧條件。 反應(yīng)器中產(chǎn)生的氣體通過安裝在橡膠塞中的排氣管排出，排氣管口采用水封，隔絕空氣但能導(dǎo)出氮?dú)狻?shí)驗(yàn)開始前和取樣后，用氬氣吹脫2 min，使反應(yīng)器中的DO維持在0.5 mg/L 以下。 每天換水1 次， 沉淀30 min后排出其中100%的水體。 相同條件下（水溫25 ℃、搖床搖速90 r/min）連續(xù)培養(yǎng)20 d，使改性絲竹和彈性立體填料上形成穩(wěn)定的反硝化菌生物膜。

反應(yīng)器A（系統(tǒng)A）:10 g 改性絲竹，150 mL 合成廢水，50 mL 接種污泥。反應(yīng)器B（系統(tǒng)B）:若干克彈性立體填料，150 mL 合成廢水，50 mL 接種污泥。 合成廢水:初始NO3--N 100 mg/L，pH 7.0，采用NaNO3和KH2PO4配制。 對比研究系統(tǒng)A 和系統(tǒng)B 對NO3--N的去除特性和NO2--N 的積累特性，并在此基礎(chǔ)上，計(jì)算系統(tǒng)A 對NO3--N 的去除速率。

1.4 分析方法

定期采集樣品，采集后2 h 內(nèi)進(jìn)行檢測。 分析前先通過0.45 μm 膜過濾，然后取濾液進(jìn)行測定。 利用PIC-10A 離子色譜分析儀（青島普仁儀器有限公司）測定氮含量（包括NH4+-N、NO3--N、NO2--N）。采用國標(biāo)法測定TN、BOD、COD 和SS 濃度。 用Oxi300i pH和溶氧儀（德國WTW）測定pH、DO 和水溫。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫氮效果

構(gòu)建的ABBR 對尾水中氮的去除效果如圖2所示。

圖2 ABBR 對TN、NH4+-N、NO3--N 和NO2--N 的去除效果

由圖2 可知，進(jìn)水TN 為22.4~25.3 mg/L，出水TN 為5.87~7.95 mg/L，TN 去除率為66.58%~75.23%（平均值為68.85%）。 對于NH4+-N、NO3--N、NO2--N，進(jìn)水分別為11.4～13.6、6.7～8.2、0.67～1.09 mg/L， 出水分別為4.23～5.91、1.14～1.76、0.09～0.13 mg/L， 相應(yīng)的去除率分別為50.96%~66.43%（ 平均值58.29%）、50.96%~66.43%（平均值58.29%）、85.30%~87.79%（平均值為86.43%）。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最終出水TN和NH4+-N遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A 限值（分別為15 mg/L 和8 mg/L）。

2.2 其他污染物的去除效果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用構(gòu)建的ABBR 處理尾水，當(dāng)進(jìn)水COD 為111～145 mg/L（平均值為125 mg/L）時(shí)，出水COD 為14～29 mg/L（平均值為20.3 mg/L），COD 去除率為78.95%~88.89%（平均值83.94%），出水COD 達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)。 另外，經(jīng)處理后，平均DO 由進(jìn)水的3.85 mg/L 提高到5.78 mg/L。 可見，尾水經(jīng)深度處理后，出水COD 進(jìn)一步降低，DO 則升高，將其排放到受納水體后將有助于建立一個(gè)更健康的生態(tài)系統(tǒng)，改善水體自我凈化能力。

2.3 改性絲竹和彈性立體填料作為生物載體去除的特性

不同填料反硝化系統(tǒng)對NO3--N 的去除效果如圖3 所示。

圖3 2 種不同載體脫氮系統(tǒng)對NO3--N 的去除效果

由圖3 可知， 系統(tǒng)A 對NO3--N 的去除效果明顯，處理3 d 后，NO3--N 接近0。 采用改性絲竹作為生物載體，其中的竹纖維能分解釋放出電子供體，主要是低分子有機(jī)酸， 可補(bǔ)充缺氧反硝化過程中所需碳源。 而系統(tǒng)B 對NO3--N 的去除率則不高，原因是該系統(tǒng)無法提供連續(xù)可用的碳源用于反硝化過程。由圖3 還可以看出，在處理的前2 天，系統(tǒng)B 出現(xiàn)NO3--N 升高的現(xiàn)象，到第3 天NO3--N 才出現(xiàn)下降。這可能是因?yàn)樵谔荚慈狈Φ那闆r下， 老化的接種污泥細(xì)胞壁出現(xiàn)破裂，釋放出一定量的含氮有機(jī)物，含氮有機(jī)物在缺氧條件經(jīng)過水解、脫氨和硝化等過程轉(zhuǎn)化NO3--N，以致出現(xiàn)NO3--N 不降反升的現(xiàn)象。 此外，系統(tǒng)A 和系統(tǒng)B 的最終出水NO2--N 分別為0.16、0.86 mg/L， 即每去除1 g NO3--N 會產(chǎn)生NO2--N 積累量分別為1.40、6.52 mg，系統(tǒng)B 對NO2--N 的積累量是系統(tǒng)A 的4.66 倍。 碳源不足是導(dǎo)致NO2--N 積累的主要根源之一。 可見，相比于系統(tǒng)B，系統(tǒng)A 具有較高的NO3--N 去除率和較低的NO2--N 積累量。 經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)A 的NO3--N 去除速率達(dá)2.13 mg/（L·h）。

3 結(jié)論

（1）以改性絲竹作為生物載體和緩釋碳源構(gòu)建ABBR，并用其處理城市污水處理廠尾水。 結(jié)果表明，當(dāng)HRT=8 h 時(shí)，TN 去除率為66.58%~75.23%（平均值為68.85%），NH4+-N、NO3--N 和NO2--N 去除率分別為50.96%~66.43%（平均值58.29%）、50.96%~66.43%（平均值58.29%）、85.30%~87.79%（平均值為86.43%），最終出水TN 和NH4+-N 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A 限值。 以改性絲竹作為生物載體，在其表面能形成較厚的生物膜， 而較厚的生物膜會因傳質(zhì)問題使其內(nèi)部產(chǎn)生厭氧環(huán)境， 厭氧環(huán)境又促進(jìn)了竹纖維素等高分子有機(jī)物的微生物發(fā)酵過程， 而通過發(fā)酵形成的低分子有機(jī)物又通過傳質(zhì)作用釋放到尾水反硝化脫氮系統(tǒng)中，最終促進(jìn)了脫氮效果〔14〕。 因此，在溶解氧濃度較高的尾水脫氮過程中， 仍然表現(xiàn)出較高的脫氮效果。

（2）相比于彈性立體填料，改性絲竹填料反硝化系統(tǒng)具有明顯的NO3--N 去除優(yōu)勢，以及更低的NO2--N 積累量。 改性絲竹填料反硝化系統(tǒng)對NO3--N去除速率達(dá)2.13 mg/（L·h）。