同步硝化反硝化脫氮因具有工藝簡單，基建費用低，堿度消耗較少等優(yōu)點，越來越受到人們的青睞，但該工藝存在微環(huán)境調控困難，對進水碳源要求較高的弊端. 在實際運行中，廢水的C/N比差異較大，在單一反應器同步生物脫氮工藝中，C/N比過高會增加異養(yǎng)好氧菌的活性及其對水中DO的競爭，抑制硝化細菌活性，影響硝化效果，甚至引起污泥膨脹. 過低的C/N比又會導致反硝化不完全，脫氮效果受到限制. 頻繁調整C/N比會增加運行費用和操作難度. 如何增大反應器的C/N比適用范圍，在不調整碳源的條件下，實現低C/N比廢水高效脫氮和高C/N比廢水穩(wěn)定脫氮，是目前同步脫氮在應用中面臨的難題. BAC以活性炭作生物載體，利用活性炭的多孔結構創(chuàng)造不同的溶解氧條件，為生物多樣性提供可能. 本研究擬采用BAC填料反應器處理不同C/N比廢水，與SBR反應器運行效果比較，考察BAC對廢水同步脫氮效果的影響，以期為推動廢水同步脫氮的應用提供理論支撐.
?1 材料與方法
1.1 實驗材料
實驗采用人工配制廢水，向自來水中加入NH4Cl，配制進水NH4+-N質量濃度為100~120 mg·L-1，添加KH2PO4補充微生物生長必須的P元素，用NaHCO3調節(jié)pH至8.0±0.1，以甲醇做外加碳源，通過調整碳源加入量分別配制進水C/N比為3、 5、 8和10.
實驗所用污泥經馴化后對COD和NH4+-N的去除率均達到90%以上. BAC培養(yǎng)階段活性污泥由懸浮狀態(tài)逐漸與活性炭接觸附著生長，經過20 d左右BAC填料反應器對NH4+-N和COD的去除率趨于穩(wěn)定，均達到90%以上，BAC培養(yǎng)完成. 初始污泥MLSS為3 367 mg·L-1，SV30為20%. 使用柱狀活性炭(granular activated carbon，GAC)，碳粒直徑4 mm，堆積密度600 g·L-1.
1.2 實驗裝置及運行工藝
實驗在室溫條件(4月1日~7月6日)(15~27℃)下運行，兩反應器分別編號SBR反應器和BAC反應器，活性污泥投加量均為1 L，BAC反應器另投加活性炭300 g，兩反應器同步運行，操作條件相同.
反應器用有機玻璃制作，見圖 1. 兩個反應器外形和體積完全相同，高50 cm，內徑9 cm，有效容積3L. BAC反應器下部安裝孔徑1 mm，間距3 mm的圓形篩板用來承托活性炭. 兩反應器均通過安裝在底部的曝氣裝置進行曝氣，以空氣流量計控制曝氣量為0.009 m3·(L·h)-1，各反應器初始平均DO質量濃度為2～3 mg·L-1，并在底部設排水口. 實驗采取序批式運行方式，單周期12 h，進水0.25 h，曝氣8 h，沉淀0.5 h，排水0.25 h，閑置3 h.
圖 1 BAC填料反應器裝置示意
1.3 分析方法
NH4+-N采用納氏試劑分光光度法; NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法; NO3--N采用麝香草酚分光光度法; COD采用快速消解法; pH由pH-2603酸度計測定; MLSS按國家環(huán)境保護局發(fā)布的標準方法測定.
反應器內DO由JPB-607A溶解氧儀測定，在單周期運行開始前，將DO測定儀探頭分別埋入各個監(jiān)測點，讀取同一時間不同監(jiān)測點的DO質量濃度.
有機物脫氮容量按照以下公式計算:
上式中，有機物脫氮容量為反應器中消耗單位量有機物能夠去除氮素的量(N/COD)，mg·mg-1; 氮的去除量為TN去除量，mg; 有機物消耗量為COD表示的有機物去除量，mg.
2 結果與討論
2.1 BAC對不同C/N比廢水脫氮效果的影響
為探究BAC對不同進水C/N比廢水同步脫氮帶來的影響，設計進水C/N比分別為3、 5、 8和10這4個階段的實驗，每天兩個周期，連續(xù)運行120個周期，COD、 TN和NH4+-N去除效果如圖 2所示.
圖 2 不同進水C/N條件下各反應器污染物去除效果
2.1.1 BAC對低C/N比廢水脫氮效果的影響
由圖 2可知，當進水C/N比為3時(第1~20周期)，BAC反應器TN平均去除率達44.88%，NH4+-N和COD平均去除率分別保持在96.17%和92.88%; SBR反應器TN平均去除率為23.50%，NH4+-N和COD平均去除率分別為95.81%和92.27%. 增加進水C/N比為5時(第21~60周期)，BAC反應器TN平均去除率達58.07%，NH4+-N和COD平均去除率分別保持在93.70%和95.98%; SBR反應器TN平均去除率為34.80%，NH4+-N和COD平均去除率分別為95.18%和91.17%. 可以看出，C/N比為3和5時，兩反應器NH4+-N和COD去除率基本相同，但是，BAC反應器TN去除效果較SBR反應器有明顯提高. 為了分析這一現象產生的原因，監(jiān)測了C/N比為5且運行穩(wěn)定時BAC反應器和SBR反應器單周期內有機物和氮素的轉化過程，如圖 3所示.
圖 3 SBR和BAC反應器單周期COD及氮素隨時間變化曲線
由圖 3可知，進水NH4+-N質量濃度為115.61 mg·L-1，TN質量濃度為121.29 mg·L-1. 經過1h曝氣后，SBR和BAC反應器NH4+-N質量濃度分別降至56.22 mg·L-1和39.71 mg·L-1，TN質量濃度分別降至85.28 mg·L-1和46.73 mg·L-1. BAC反應器內NH4+-N和TN的含量明顯低于SBR反應器. 分析原因，BAC反應器內活性炭的微孔結構創(chuàng)造了缺氧環(huán)境，且活性炭對進水有機物具有吸附作用，這兩點抑制了BAC反應器內異養(yǎng)好氧菌的生長繁殖及其活性，減少了其對DO的競爭，同時，BAC填料促使氣水接觸更加充分，因此BAC反應器氨氧化更加徹底; 反硝化過程中，反硝化菌利用BAC吸附的碳源和氧化生成的NO2--N和NO3--N在缺氧區(qū)反應完成脫氮. 而在SBR反應器中，由于DO在污泥絮體中的擴散較BAC容易，所以反應器處在較高的DO條件下，好氧異養(yǎng)菌占據優(yōu)勢地位，在消耗有機物的同時還與硝化菌爭奪氧，致使SBR反應器硝化和反硝化反應均受到抑制. 因此曝氣初期BAC反應器脫氮效果優(yōu)于SBR. 從反應的第2 h開始至反應結束，SBR內TN質量濃度基本保持不變，BAC反應器TN質量濃度由44.52 mg·L-1緩慢降至41.15 mg·L-1. 反應結束時SBR和BAC反應器出水NH4+-N質量濃度均非常低，去除率分別為99.89%和99.22%，TN去除率分別為19.61%和52.95%，說明兩反應器均硝化完全，但由于SBR反應器缺乏有機碳源導致反硝化受阻，而BAC反應器中反硝化反應進行得較為順利，推測原因是活性炭對有機物的吸附解吸為反硝化提供了部分碳源. 綜上，BAC的加入提高了低C/N比條件下的脫氮效果.
2.1.2 BAC對高C/N比廢水脫氮效果的影響
同步脫氮過程中，通常在一定范圍內C/N比越高脫氮效果越顯著，但是碳源加入量過多不僅會對TN的去除產生不利影響，而且在可溶解性有機物含量較高的情況下還容易發(fā)生污泥膨脹.
如圖 2，當進水C/N比繼續(xù)提升至8時(第61~94周期)，BAC反應器TN平均去除率達66.90%，NH4+-N和COD平均去除率分別保持在89.27%和95.86%; SBR反應器TN平均去除率為37.45%，NH4+-N和COD平均去除率分別為82.56%和93.41%. 此階段，BAC反應器TN去除效果顯著高于SBR反應器，NH4+-N去除效果也略高于SBR反應器，而COD去除率基本與SBR反應器持平. 分析原因，隨著碳源的增加SBR反應器中好氧異養(yǎng)菌活性增大并占據優(yōu)勢地位，消耗了大量的有機碳，并與硝化菌爭奪氧，抑制了脫氮的順利進行; BAC反應器中活性炭內部的空隙結構阻礙了氧的傳遞，抑制了好氧異養(yǎng)菌的生長繁殖，對硝化系統(tǒng)起到了保護作用. 繼續(xù)提升進水C/N比至10時(第95~120周期)，BAC反應器TN平均去除率呈現先升高后降低的趨勢，并逐漸穩(wěn)定在63.65%，NH4+-N去除率降低至67%左右，COD去除率仍保持在95.86%. 而SBR反應器在進水C/N比增加的第3個周期時便出現了嚴重的污泥膨脹，SV30由20%增至80%，出水水質變差，NH4+-N、 TN和COD去除率均出現明顯下降. 這與已報道的，污水中懸浮固體少，溶解性和易降解的有機物組分較多時容易發(fā)生非絲狀菌性污泥膨脹的研究結果相符. 引起這一現象的原因是過高的污泥負荷使細菌攝取了大量營養(yǎng)物，高粘性多糖類物質大量積累，污泥中結合水異常增多，從而引起污泥膨脹. 取消進水碳源運行數天后SBR反應器脫氮能力逐漸恢復，污泥膨脹得到解決. 而BAC反應器中活性炭對有機物的吸附減少了細菌對營養(yǎng)物質的攝取，另外活性炭的加入避免了微生物的粘黏，因此BAC反應器在高C/N比高DO條件下仍可以保持脫氮的穩(wěn)定運行.
2.2 廢水脫氮過程中BAC作用分析
綜上，BAC反應器不僅在低C/N條件下(C/N=3、 C/N=5)可以實現較好的脫氮效果，而且，在高C/N比條件下(C/N=8、 C/N=10)BAC反應器還能有效避免碳源過多引起的污泥膨脹，實現了脫氮的穩(wěn)定運行. 前面的分析認為，BAC的加入對同步脫氮的影響主要有兩個方面: ①BAC為微生物提供了多樣的DO環(huán)境; ②BAC對進水中有機物的吸附/解吸作用為脫氮提供了穩(wěn)定的碳源條件. 為了驗證以上推論，開展了以下實驗研究.
2.2.1 BAC反應器DO分布測定
為了驗證分析①，測定了C/N比為5時兩反應器單周期內DO分布情況，見圖 4. 經測定，BAC反應器上部水體中平均DO為3.64 mg·L-1，活性炭填料層與水體接觸面平均DO為2.57 mg·L-1，活性炭填料層內部平均DO為0.68 mg·L-1; SBR由于混合均勻，因此選取SBR反應器中部為監(jiān)測點，結果顯示該監(jiān)測點平均DO質量濃度為3.74 mg·L-1. 與BAC反應器上部水體中(圖 4中曲線a)DO質量濃度基本相同. 其原因是: BAC反應器中活性炭的堆積，共生微生物的附著，以及活性炭豐富的微孔結構，使DO由水體擴散至活性炭填料層內時形成氧質量濃度梯度，為硝化和反硝化的實現提供了各自所需要的場所; 而SBR反應器中DO在活性污泥混合液中擴散較容易，張可方等研究表明反應器內部DO環(huán)境整體處于較高的水平，缺氧環(huán)境受限，反硝化受到抑制.
圖 4 BAC反應器和SBR內DO分布
由此說明，活性炭的加入在同一反應器中創(chuàng)造了不同的DO環(huán)境，為同步硝化反硝化脫氮提供了更加適宜的條件.
2.2.2 BAC吸附/解吸有機物
為了驗證分析②，設計以下實驗: 實驗結束后(120周期)，從BAC反應器中取出100 g活性炭，加入1 L自來水中，加以攪拌，間隔取樣，測定水體中COD的質量濃度，確定BAC反應器中有機物是否發(fā)生了解吸，監(jiān)測結果如圖 5所示. 從中可知，在進水無外加碳源的情況下，隨著攪拌的進行，水中COD質量濃度緩慢上升后達到平衡，平衡時水中COD質量濃度達127.56 mg·L-1. 由此說明BAC對水中有機物存在吸附作用，且吸附的有機物在水中碳源缺乏的情況下會得到解吸.
圖 5 BAC有機物解吸
由以上實驗結果，BAC在同步脫氮的過程中，不僅為硝化菌、 反硝化菌提供了好氧、 缺氧環(huán)境，而且其對碳源的吸附/解吸作用保證了反應器的脫氮效果. 低C/N比條件下，BAC吸附的有機物得到解吸，有利于反硝化的進行，為同步脫氮提供了保障; 當進水C/N比過高時，BAC對有機碳源的吸附減輕了微生物的有機負荷，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行.
2.3 有機物脫氮容量比較
有機物脫氮容量指生物脫氮反應結束時，氮的去除量與反應器中有機物的消耗量之比. 碳源在生物脫氮系統(tǒng)中的作用有3點: 其一為反硝化脫氮的電子供體; 其二用于微生物的生長; 其三用于脫氧. 由于理論上單位質量有機物可去除的氮素為定值，因此在反應器中碳源用于脫氮的比重越大，有機物脫氮容量越大，表明反應器脫氮能力越強. 通過對有機物脫氮容量的分析，可以更加直觀地了解反應器脫氮能力.
SBR反應器與BAC反應器各階段進水水質相同，根據公式(1)計算不同C/N比條件下兩反應器的有機物脫氮容量，計算結果見表 1.
表 1 有機物脫氮容量
? 由表 1，隨著進水C/N比的提高，SBR與BAC反應器有機物脫氮容量均有所減小，說明碳源加入量越大，反應器去除的有機物中用于脫氮的比重越小. 其原因是: 增加進水有機物質量濃度只能增加有機物去除量，去除一定量氮素所消耗的有機物量是一個定值，有機物用于脫氮的比重必定隨之減小; 另外，在曝氣條件下隨著進水C/N的增加，異養(yǎng)好氧菌活性逐漸增大，有機物更容易被好氧異養(yǎng)菌消耗，進一步減小了有機物用于脫氮的比重. 比較不同C/N比條件下，SBR與BAC兩反應器的有機物脫氮容量可知，BAC反應器有機物脫氮容量遠高于SBR反應器，說明BAC反應器提高了有機物用于脫氮的比重，其原因是活性炭對有機物的吸附解吸作用為反硝化提供了部分碳源，且BAC內部存在好氧和厭氧區(qū)，異養(yǎng)好氧菌生長及活性受到抑制，從而減少了異養(yǎng)好氧菌消耗的有機物量，更多的有機物被用于生物脫氮. BAC反應器較高的有機物脫氮容量表明BAC的加入提高了有機物用于脫氮的比重，BAC反應器可以更有效地利用已有碳源充分進行脫氮.具體參見污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關技術文檔。
3 結論
(1) 在低C/N比條件下，BAC反應器中活性炭對有機物的吸附解吸作用，為反硝化提供了部分碳源，提高了低C/N比條件下的脫氮效果.
(2) 進水C/N比較高的情況下，BAC反應器中活性炭的加入抑制了好氧異養(yǎng)菌的生長繁殖，對硝化系統(tǒng)起到保護作用.
(3) BAC在廢水同步脫氮的過程中，不僅為硝化菌、 反硝化菌提供了好氧、 缺氧環(huán)境，而且為反硝化反應提供了碳源的貯存場所，有助于同步脫氮的進行.
(4) BAC的加入提高了有機物的脫氮容量，擴大了反應器同步硝化反硝化脫氮的廢水C/N比適用范圍.
