張小玲,彭黨聰,王志盈,袁林江
(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西西安　710055)

　　摘　要： 利用生物紊動床在低溶解氧(DO)和有機(jī)物存在的條件下研究了氨氮的亞硝化、硝化和有 機(jī)物氧化的規(guī)律,分析了異養(yǎng)菌與自養(yǎng)菌競爭的特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，DO為2～3mg/L、有機(jī)物濃度(TOC)為200mg/L、C/N=1∶1.5時對硝化作用影響不大；DO為0.5～1mg/L、TOC≥100mg/L、C/N=1∶3時硝化系統(tǒng)即受到破壞。
　　關(guān)鍵詞：生物紊動床;有機(jī)物；硝化;DO
　　中圖分類號：X703
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)05-0010-04

Influence of Organic Matters on Nitrification at Low DO in Biological Turb ulent Bed Reactor

ZHANG Xiao?ling,PENG Dang?cong,WANG Zhi?ying,YUAN Lin?jiang?
(School of Environmental and Municipal Engineering,Xi‘a(chǎn)n University of Arc hitectural? Science and Technology,Xi‘a(chǎn)n 710055,China)

　　Abstract：Study was made on nitrification and organic matter oxidation under t he condition of low?DO and existence of organics in biological turbulent bed reactor,and analysis was conducted on the competition between heterotrophic and autotrophic bacteria.The test results show that under the conditions of DO = 2～3 mg/L,TOC=200 mg/L,and C/N=1∶1.5,there is less impact on nitrificatio n;However,nitrification system is destroyed with?DO=0.5～1mg/L,TOC≥100 mg/L and C/N=1∶3.
　　Keywords:biological turbulent bed reactor;organic matters;nitrification;DO

　　DO和有機(jī)物是影響生物硝化的兩個重要因素。由于亞硝酸菌的氧飽和常數(shù)(0.2～0.4mg /L)小于硝酸菌的氧飽和常數(shù)(1.2～1.5 mg/L)，因此當(dāng)穩(wěn)定硝化系統(tǒng)中DO降低時可能引發(fā)這兩類細(xì)菌對氧的競爭，導(dǎo)致其增殖不平衡，從而發(fā)生硝化過程的動力學(xué)選擇。有機(jī)物是 生物脫氮系統(tǒng)中氮還原必需的電子供體，同時又是氮氧化(硝化)時電子受體的爭奪者，有機(jī)物的存在可能降低硝化速率，從而影響整個系統(tǒng)的脫氮能力，因此研究DO和有機(jī)物濃 度對硝化過程的單獨(dú)影響和綜合影響，對開發(fā)高氨、低碳源廢水的低耗、高效處理工藝和生物脫氮系統(tǒng)的運(yùn)營管理有著重要意義。焦化、石化、化肥、垃圾滲濾液及煤氣廢水等都屬于 高氨、低碳廢水，采用A/O工藝處理此類廢水時，缺氧池中NO₂-N濃度增加，表明缺氧池中碳源不足，反硝化也不完全，部分NO₃-N僅轉(zhuǎn)化為NO₂-N而沒有成為N₂，而這部分NO₂-N在好氧池中又被氧化成NO₃-N，如此循環(huán)增加了碳源和氧的消耗量，而對總氮的去除率 并未提高。若按亞硝化—反硝化運(yùn)行則有望解決此類問題。?

1 試驗(yàn)方法

1.1　 試驗(yàn)裝置及材料
　　 試驗(yàn)裝置見圖1。

　　 所用的生物紊動床是20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來的一種膜法處理新技術(shù)，它采用輕質(zhì)載體，以氣體作為提升動力。紊動床主體采用有機(jī)玻璃管，內(nèi)徑為12cm，高為44.6cm，有效容積為3L，分為反應(yīng)區(qū)和沉淀區(qū)兩部分。反應(yīng)區(qū)徑高比為120∶266，加之氣泡的攪動，各相物質(zhì)橫向摻混，流態(tài)試驗(yàn)證明紊動床近似為完全混合流(串聯(lián)級數(shù)較小、離散數(shù)較大)。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行管理方便，占地面積小。載體(shell)是一種中空殼狀球形的無機(jī)顆粒，比表面積為4500m²/m³，真密度為0.69kg/L，表觀密度為0.41kg/L，其填充比為0.25～0.3，試驗(yàn)得到的最大工作氮負(fù)荷為1.512kg/(m³·d)。?
1.2 水質(zhì)
　　 人工模擬焦化廢水的組成為：CH₃COONa、NH₄Cl、K₂HPO₄、NaHCO₃和微量元素，其中N∶P控制在(10～20)∶1，投加的NaHCO₃一方面作為碳源，另一方面起到調(diào)節(jié)反應(yīng)器pH值的作用。
1.3　 分析方法
　　 氨氮：納氏試劑比色法；NO₂-N：N-1-萘基乙二胺比色法；NO₃-N：紫外分光光度法；TOC：5000A型TOC儀；DO：Metller-Toledo4100型在線DO監(jiān)控儀；MLVSS：重量法；微生物計(jì)數(shù)：MPN法。

2 　結(jié)果與分析

2.1 ?DO對硝化過程的影響
2.1.1　DO=2～3 mg/L的硝化
　　 控制紊動床內(nèi)DO為2～3mg/L，溫度為25℃，pH為7.0～7.5，HRT為5h，入流中無有機(jī)物時，運(yùn)行初期(第1天到第9天)出水中含有大量NO₂-(60mg/L，以N計(jì))，其原因是 硝酸菌還未適應(yīng)新環(huán)境，且硝酸菌生長速率較慢，在數(shù)量上還不能與亞硝酸菌相協(xié)調(diào)，因此 未能及時把NO_2-轉(zhuǎn)化為NO₃^-。隨著運(yùn)行時間的延長，出水中NO₃^--N濃度不斷上升，NO₂^-N濃度不斷下降。到第15天時，當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度為180mg/L時出水NO₃^--N 濃度已高達(dá)155mg/L，氨氮濃度＜5mg/L，其后基本維持不變，說明DO充足，生物膜上硝酸菌和亞硝酸菌的數(shù)量和硝化能力會自動達(dá)到平衡，從而實(shí)現(xiàn)從氨到NO₃^-的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化。
2.1.2 　DO=0.5～1 mg/L的硝化
　　在全程硝化過程穩(wěn)定后[此時反應(yīng)器氮負(fù)荷為1.4kg/(m³·d)，出水氨氮＜5mg/L]，控制紊動床內(nèi)的DO為0.5～1mg/L，出水NO₂^-逐漸升高，形成NO₂^-積累(見圖2)。

　　 從圖2看出，該亞硝化過程的建立經(jīng)歷了選擇期(第1天到第16天)和穩(wěn)定期(第17天到第31天)，選擇期的特征是:氨氮去除率＞80%，NO₂^-的積累率波動不穩(wěn)定，但總的趨勢是逐漸升高，說明低DO下由于亞硝酸菌對氧的親合力大于硝酸菌，在有限基質(zhì)(O₂)下硝酸菌處于競爭的劣勢，所以出現(xiàn)NO₃^-積累，但此時在生物膜表面上硝酸菌仍占一定的比例，對基質(zhì)仍有一定的競爭力，在環(huán)境條件瞬時改變時(比如DO增大)，NO₂^-積累率就會下降；穩(wěn)定期的特征是:氨氮去除率恢復(fù)到90%以上，NO₂^-積累率穩(wěn)定在80%以上，說明此 時生物膜表面絕大部分被亞硝酸菌所覆蓋，供給的DO絕大部分被亞硝酸菌所利用，而硝酸菌由于處于生物膜的內(nèi)部，得不到充足的氧，因而利用NO₂^-的速率大大降低，從而獲得持久穩(wěn)定的NO₂^-積累。
2.2　 有機(jī)物對硝化過程的影響
2.2.1 DO=2～3 mg/L時有機(jī)物對硝化的影響
　　在DO充分且無有機(jī)物的條件下，系統(tǒng)達(dá)到完全硝化的狀態(tài)(出水中NO₃-N/(NO₂-N+NO₃-N)≥80%，氨氮≤5mg/L)后，向進(jìn)水中加入50mg/L有機(jī)物(TOC)時，對有機(jī)物和氨氮的去除情況見圖3。

　　 由圖3可見，對有機(jī)物的去除率穩(wěn)步上升，對氨氮去除率略有下降(降至70%左右，說明系統(tǒng)中異養(yǎng)菌逐漸開始繁殖。當(dāng)TOC由50 mg/L依次增至200mg/L時，要維持氨氮去除率＞70%就必須提高DO以減弱有機(jī)物的加入對氨氧化的影響，這也說明只要DO充足異養(yǎng)菌 的氧化作用和自養(yǎng)菌的硝化作用會同時得到有效的發(fā)揮。
2.2.2 DO=0.5～1 mg/L時有機(jī)物對硝化的影響
　　 當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度為300mg/L、逐步實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝化后，向進(jìn)水中加入有機(jī)物，觀察對有機(jī)物、氨氮的去除率和硝態(tài)氮濃度隨時間的變化(見圖4)。

　　 當(dāng)TOC＜50 mg/L時，有機(jī)物對硝化系統(tǒng)影響不大，氨氮去除率＞70%；當(dāng)TOC達(dá)到100mg/L左右時，氨氮去除率持續(xù)下降至20%，出水硝態(tài)氮也銳減。到第20天NO₂-N濃度降 至14mg/L，NO₃-N濃度降至0.1mg/L，說明此時系統(tǒng)的硝化能力受到嚴(yán)重的破壞。
　　上述現(xiàn)象表明，在DO=0.5～1mg/L條件下，當(dāng)進(jìn)水TOC＜50mg/L時，雖然異養(yǎng)菌與自養(yǎng)菌存在競爭，但有機(jī)物的氧化和亞硝化可同時進(jìn)行，因此出水氨氮濃度較低，硝化菌數(shù)量變化不大。而TOC在100mg/L左右時充分的基質(zhì)使異養(yǎng)菌的生長繁殖速度加快，異養(yǎng)菌首先利用了水中有限的氧，同時由于生物膜增厚也阻礙了氧在生物膜中的傳遞，而硝化菌是一種嚴(yán)格的好氧菌，氧不足導(dǎo)致其活性下降而數(shù)量減少，出水氨氮濃度劇增，硝態(tài)氮濃度銳減，以至硝化過程完全終止。?
2.3 污泥特征及生物相變化
　　 不同條件下生物膜內(nèi)生物種群及數(shù)量的變化見表1。

表1生物膜內(nèi)生物種群及數(shù)量的變化 運(yùn)行狀態(tài) DO充分，入流無有機(jī)物 DO充分，入流加有機(jī)物 低DO，入流無有機(jī)物 低DO，入流加有機(jī)物 細(xì)菌計(jì)數(shù)(個/mL) 亞硝酸菌 1×10¹⁰ 7.5×10⁹ 5×10¹⁰ 2.4×10⁸ 硝酸菌 3×10⁹ 5.3×10⁸ 1.8×10⁹ 8×10⁵ 異養(yǎng)菌 　 4.8×10¹⁰ 　 2.7×10⁹ 生物膜性狀 生物膜呈棕黃色透明狀，有大量原生動物(鐘蟲、累枝蟲等)。 液相出現(xiàn)污泥絮體，原生動物個體大、活躍、數(shù)量多。 原生動物數(shù)量明顯減少。孢囊大量出現(xiàn)，可觀察到許多鐘蟲或累枝蟲的斷柄或空柄。 液相出現(xiàn)少量污泥絮體，原生動物個體小，不活躍，數(shù)量明顯減少。 生物膜量(g/L) 2.7 4.0 2.5 3.5

　　 ①當(dāng)DO充分且無有機(jī)物時，亞硝酸菌的數(shù)量為1×10¹⁰個/mL，硝酸菌的數(shù)量 為3×10⁹個/mL；加入有機(jī)物后，異養(yǎng)菌數(shù)量增至4.8×10¹⁰個/mL，亞硝酸菌的 數(shù)量減少為7.5×10⁹個/mL(比無有機(jī)物時減少了1/4)，硝酸菌的數(shù)量減少為5.3×10⁸個/mL(比無有機(jī)物時減少了4/5)，說明異養(yǎng)菌的增殖會抑制自養(yǎng)菌的活性，使其數(shù)量減少，但自養(yǎng)菌的數(shù)量還足以維持正常的硝化。?
　?、诋?dāng)?shù)虳O且無有機(jī)物時，亞硝酸菌的數(shù)量為5×10¹⁰個/mL，硝酸菌的數(shù)量為1.8×10⁹個/mL；加入有機(jī)物后，異養(yǎng)菌數(shù)量增加到2.7×10⁹個/mL，亞硝酸菌的數(shù)量 驟減為2.4×10⁸個/mL(僅為無有機(jī)物時的0.5%)，硝酸菌的數(shù)量也僅為8×10⁵個/mL( 為無有機(jī)物時的0.1%)，以上數(shù)據(jù)說明，低DO下生物硝化更易受有機(jī)物的影響。?
　?、郛?dāng)DO充分且無有機(jī)物時，亞硝酸菌的數(shù)量為1×10¹⁰個/mL，硝酸菌的數(shù)量為3×10⁹個/mL。當(dāng)DO降至0.5～1mg/L時，亞硝酸菌的數(shù)量增至5×10¹⁰個/ mL(為DO充分時的5倍)；硝酸菌的數(shù)量減少為1.8×10⁹個/mL(約為DO充分時的1/2)，表明低DO狀態(tài)下，亞硝酸菌能夠繼續(xù)繁殖和增長，而硝酸菌則由于對DO的競爭力遠(yuǎn)小于亞硝酸菌，其正常的代謝過程受到嚴(yán)重抑制。?
　　生物膜上微生物種群及數(shù)量的變化與出水氮的形態(tài)變化相吻合。

3 　結(jié)論

　　 ①DO對硝化的影響：進(jìn)水氨氮為300mg/L、DO降至0.5～1.0mg/L時，硝酸菌受到抑制，而亞硝酸菌基本不受影響，因而會引起NO₂-的積累，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝化。
　?、谟袡C(jī)物對硝化的影響：TOC為200 mg/L(C/N=1∶1.5)時，只要保證硝化菌有良好的生長環(huán)境(溫度適宜，pH值適合，DO充足)，并有充足的氨供給，硝化作用即不受影響。
　?、跠O和有機(jī)物對硝化的綜合影響：低DO和高有機(jī)物濃度將會相互加強(qiáng)對硝化作用的影響。由于好氧異養(yǎng)微生物的比增殖速率(30℃時為0.3～0.5h^-1)遠(yuǎn)大于自養(yǎng)硝化微生物的比增殖速率(30℃時為0.085h^-1)，因而異養(yǎng)菌對水中DO的爭奪強(qiáng)于硝化菌，故在DO不足時硝化菌的生長繁殖受到抑制。細(xì)菌計(jì)數(shù)的結(jié)果是亞硝酸菌和硝 酸菌的數(shù)量分別減少了約99.5%和99.9%，硝化系統(tǒng)的硝化能力受到嚴(yán)重破壞，因此在實(shí)現(xiàn)高氨、低碳源廢水亞硝化—反硝化工藝的開發(fā)研究中深入開展異養(yǎng)菌和硝化自養(yǎng)菌生長競爭關(guān)系的研究，具有重要意義。

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　　作者簡介：張小玲(1976-)，女，安徽毫州人， 西安建筑科技大學(xué)博士，研究方向?yàn)槲鬯幚砑盎赜谩?br> 　　電　　話：13087516949?
　　E-mail:zhangxiaoling2384@263.net
　　收稿日期：2001-10-04