固定化微生物技術污水脫氮影響因素研究
【摘 要】 本研究以大孔網狀LD-FS載體固定化高效微生物菌群B350、所得固定化微生物至于曝氣水槽中構成固定化微生物-曝氣生物流化池污水處理系統（IM-ABF技術），以人工污水為處理目標，研究了不同溫度、pH值、碳氮比（C/N）、溶解氧（DO）濃度等對固定化微生物污水脫氮影響。結果表明，在本文實驗條件下，去除NH4+-N的最適條件：溫度為20-25℃、初始pH值為9.0、C/N為16、DO濃度為4.0 mg/l。
【關鍵詞】 固定化微生物 污水脫氮 溫度 pH值 碳氮比 溶解氧
1、前言
20世紀80年代初，固定化微生物技術開始應用于污水生化處理過程。這種生物工程高新技術用于高難度工業污水處理時，顯示出微生物負載量大、處理效率高，穩定性強，污泥產量小、固液分離容易，能純化和保持優勢菌群，以及基建占地少等優點而倍受關注，并取得了令人矚目的研究成果[1]。
含氮污染物是水環境中一個很重要的污染因子。廢水中的氮一般以有機氮、氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮等四種形態存在。生活污水中氮的主要存在形態是有機氮和氨氮，其中有機氮占生活污水含氮量的 40%～60%、氨氮占 50%～ 60%、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮僅占 0～ 5%[2]。含氮污染物是造成水體富營養化和環境污染的重要物質，污水排放中的氨氮控制越來越受到重視，故研究具有高效脫氮功能的工藝越來越重要。近十多年來,利用固定化微生物技術強化生物脫氮已成為生物脫氮領域研究的熱點之一[3]。
2、實驗部分
2.1 實驗材料
試驗污水：采用人工污水，用自來水加葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、硫酸鎂、碳酸氫鈉、氯化鈣、硫酸錳、氯化鐵等來模擬生活污水水質。
大孔網狀載體：LD-FS 載體，本實驗室自制。
微生物：高效微生物菌群B350，美國Bio-System公司產品，微生物含量為30～50億個/g-1。
2.2 實驗方法
2.2.1 固定化微生物的制備[4]
a. 將大孔載體用蒸餾水洗凈；
b. 用5%HCl浸泡24h,用蒸餾水洗至中性；
c. 用5%NaOH浸泡24h,用蒸餾水洗至中性；
d.將經過預處理的載體加入到含3000mL培養液的反應器，投加3g高效微生物菌群B350，曝氣培養3天；
e. 濾出塊狀載體，用生理鹽水洗凈，即得大孔載體固定化微生物，備用。
2.2.2 脫氮反應
試驗用反應器為玻璃管制成，反應器內徑140mm，有效容積3.5L，反應器底部設有曝氣盤，內設電動攪拌，置于恒溫槽中。將人工廢水加入反應器后，用稀硫酸和稀氫氧化鈉溶液調節體系酸堿度，采用溶解氧測定儀(HI9143 )監測反應器中的溶解氧（DO）、并通過進氣閥調節曝氣量而使DO控制在恒定的水平，恒溫2h。然后投加一定量的固定化微生物載體至反應器中（每次投加載體前將載體用自來水沖洗3遍）、使載體填充率為30%，定時測定反應器內參數變化。同時，改變不同的反應條件進行相關研究。
2.3 分析方法及儀器
COD測定采用重鉻酸鉀法；
HI93715氨氮快速測定儀，意大利HANNA；
HI9143便攜式溶解氧測量儀，意大利HANNA；
HI9025便攜式酸度計，意大利HANNA。
3、結果與討論
3.1 溫度對固定化微生物脫氮的影響
采用C/N為16，pH為7.5，控制DO在1～2 mg/l，溫度分別恒定在20℃、30℃、40℃條件下，NH4+-N去除率隨反應時間的變化結果見圖1。從圖1曲線可見，當反應達4h時，溫度為20℃、30℃、40℃條件下的NH4+-N去除率分別為52.64%、46.15%、34.08%。溫度為40℃時NH4+-N去除率較低，這應當是溫度升高會使微生物蛋白質變性逐漸失活、致使硝化速率變低的結果。一般而言， 20℃左右硝酸菌較為活躍[5]，高于20℃時則硝酸菌活動減弱而亞硝化反應加快、至25℃時達到最大。當溫度達25℃后，則游離氨對亞硝酸菌有較為明顯的抑制作用 [6]。故20℃條件下污水中NH4+-N降解速率較高，換句話講，相對較低的溫度有利于硝化菌的增殖、亦即有利于污水中NH4+-N污染物的降解。
圖1 不同溫度條件下NH4+-N濃度隨時間的變化曲線
3.2 pH值對固定化微生物脫氮的影響
反應器溫度恒定在30℃，進水C/N為16，DO控制在1～2 mg/l，調節反應體系的初始pH值分別為6.5、7.5、8.0、9.0，氨氮去除率隨反應時間的變化結果見圖2。對于硝化過程而言，當pH值低于6或高于9.6時，則硝化作用將停止[7]。對反硝化過程，當pH值低于6.5或高于9時，反硝化速率將很快下降。因此，當生化體系pH值為7.5左右時，反硝化將處于最佳狀態[8]。由圖2可見, NH4+-N降解速率隨pH值增加而增大,這是因為在硝化過程消耗了堿性物質而生成HNO3、使水中pH值下降，對硝化細菌不利, 所以初始pH值小的反應不利于硝化反應的進行。 硝化反應的最適pH為8.0-9.0，而反硝化最適pH在6.5-7.5[9]，所以同步硝化反硝化的最適pH選在7．5左右。
在污水處理過程中，硝化過程中和了水中部分的OH-使pH值下降，而反硝化則釋放出一定量的OH-又使pH值有所回升，但這往往不足以彌補硝化階段所消耗的OH-，故總的結果仍然是系統pH值下降[10]。圖3所示的初始pH值等于7.5、8.0、9.0的反應體系中, pH值先降后升、至反應8h后, pH值分別降至7.1、7.5、8.0。另外，初始pH值為6.5的生化應體系，由于硝化反應受到抑制，當反應達8h后pH值為6.7，pH變化較小。
圖2 不同pH條件下NH4+-N濃度隨時間的變化曲線
圖3 反應體系pH值隨時間的變化曲線
3.3 碳氮比對固定化微生物脫氮的影響
采用初始pH值為7.5，溫度恒定在30℃，DO控制在1～2 mg/l。改變葡萄糖與氯化銨配比調節C/N。 本實驗初始C/N分別為7.8、15.9、27.4，結果見圖4。從圖4可見，初始C/N為7.8時，反應4h后NH4+-N濃度基本不變化；初始C/N為15.9時，反應5h后NH4+-N濃度基本不變；初始C/N為27.4時，NH4+-N濃度一直下降。這是由于有機碳源主要影響反硝化過程，只有C/N達到一定數值時，才能完全反硝化。有機物濃度太低，會影響反硝化的碳源需求，反硝化不能順利進行，硝酸根大量積累，硝化反應也就受到抑制。三個條件下反應開始的4h內，NH4+-N降解速率基本沒有差別。這說明只要碳源是足量的，有機碳的濃度大小對NH4+-N降解速率沒有影響。
圖4 不同C/N條件下NH4+-N濃度隨時間的變化曲線
表1 C/N對污水中NH4+-N及COD去除的影響
表1為不同C/N條件下的NH4+-N及COD去除實驗數據。由表1可發現，NH4+-N去除率隨C/N的增加而增加，但COD去除率則隨C/N的增加而下降。然而，污水脫氮難度大于其COD的去除，當某一體系氨氮至下降后，其出水COD可通過生化氧化過程很容易去除。根據同步硝化與反硝化的工藝要求，兼顧NH4+-N和COD的去除效果，宜選擇C/N值為16。
3.4 溶解氧濃度對固定化微生物脫氮的影響
采用進水C/N為16，pH值為7.5，溫度為30℃，調節空氣進氣閥使溶解氧DO濃度分別恒定在1.5、4.0、6.0mg/l，研究DO值大小對NH4+-N 及COD去除率的影響，其污水NH4+-N濃度隨時間的變化結果見圖5。由圖5可看出，在時間相同的情況下，污水NH4+-N去除率隨其DO值的增大而增加、反應時間達到8.0h皆可達到或低于排放標準，但當反應時間達到5.5h后，DO值對污水NH4+-N去除率的影響明顯減小、污水NH4+-N濃度基本不再隨時間變化。這說明固定化微生物污水脫氮過程中的DO值設定范圍較寬、這在工程上是極為有利的。表2為反應8.0h時的實驗數據。從表2可知，污水中COD亦隨DO值的增加而增大，這應當是較高的DO濃度使異養好氧菌活性增強而提高有機物氧化降解速率的緣故。然而，過高的DO濃度使氧氣的穿透能力增強，體系內難以形成缺氧區而降低反硝化速率、導致脫氮速率下降。故DO濃度為4.0和6.0mg/l的體系在反應5.5h后，其污水NH4+-N濃度基本相同。考慮到同步硝化與反硝化的需要，宜選擇4.0 mg/l為最佳DO濃度。
圖5 不同DO條件下NH4+-N濃度隨時間的變化曲線
表2 溶解氧對NH4+-N及COD去除率的影響
4、結論
固定化微生物-曝氣生物流化池污水處理系統（IM-ABF技術）污水脫去NH4+-N的最適條件為溫度為20℃、初始pH值為9.0、C/N為16、DO濃度為4.0 mg/l，NH4+-N降解速率隨pH值增加而增大、pH值在6.5～9.0之間。在本實驗所得最適條件下，水力停留時間（RTH）均在8小時之內、且在一定條件下可同時去除污水中的NH4+-N與COD，顯示出固定化微生物技術處理污水時具有高效以及硝化與反硝化過程同步進行的顯著特點。本實驗結果對生活污水處理、特別是區域性生活污水處理具有參考價值。
參考文獻
[1] 楊麒，李小明，曾光明，謝珊，劉精今.同步硝化反硝化的形成機理及影響因素.環境科學與技術，2004.27（3）：102～104.
[2] 呂其軍，施永生. 同步硝化反硝化脫氮技術. 昆明理工大學學報（理工版），2003.28（6）：91～95.
[3] 楊麒，李小明，曾光明，謝珊，劉精今.固定化微生物脫氮技術 .環境污染治理技術與設備，2002.3（10）：58～60.
[4] 王建龍，生物固定化技術與水污染控制，科學出版社，北京，2002，91～130。
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