缺氧/三级好氧移动床生物膜反应器对印染废水的脱氮效果研究

胡国威 黄瑞敏 张碗林 陈 磊

(华南理工大学环境与能源学院， 广东 广州 510006)

缺氧/三级好氧移动床生物膜反应器对印染废水的脱氮效果研究

胡国威 黄瑞敏#张碗林 陈 磊

(华南理工大学环境与能源学院， 广东 广州 510006)

采用缺氧/三级好氧移动床生物膜反应器(MBBR)处理印染废水，考察了水力停留时间和混合液回流比对脱氮效果的影响，并对沿程好氧生物膜的硝化菌群落和氮形态变化进行了分析。结果表明，在最佳水力停留时间10h、最适混合液回流比200%的条件下，出水氨氮、总氮浓度均能达到《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB4287—2012)中对新建企业的直接排放标准限值要求。在三级MBBR的好氧1区，生物膜上以异养菌为主，主要进行有机物的氧化降解；在好氧2区和好氧3区，氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌增多，硝化作用增强，氨氮主要在这两个阶段得到去除。

移动床生物膜反应器 比耗氧速率 氮形态变化 脱氮 印染废水

从2013年开始，我国实施了《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB 4287—2012)，与1992版相比，对印染废水的脱氮提出了更严格的要求。含有印花工艺的印染企业在生产过程中使用大量尿素作为助剂，产生的印染废水氨氮、总氮浓度偏高。同时，由于这类印染废水碳氮比偏低，采用传统生物脱氮法处理时的脱氮效果差[1]。因此，这类印染废水的脱氮问题是亟待解决的难题。

移动床生物膜反应器(MBBR)在活性污泥的基础上投加悬浮填料，从而富集污泥龄长的硝化菌，其生物膜可实现同步硝化和反硝化，已在生活污水[2]、养殖场废水[3]、垃圾沥滤液[4]等废水脱氮中得到应用。MBBR用于印染废水处理，对COD、色度和部分染料均具有良好的去除效果[5-6]，但单级MBBR存在水力停留时间过长[7]、出水氨氮和总氮仍不能达到GB 4287—2012[8-9]等问题。本研究采用缺氧/三级好氧MBBR对含有印花工艺的印染废水进行强化脱氮，考察不同水力停留时间和混合液回流比下的脱氮效果，并对沿程好氧生物膜的硝化菌群落和氮形态变化进行解析，以期为这类印染废水中氮的深度脱除及其脱除机理的揭示提供参考。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置由原水水箱、缺氧/三级好氧MBBR以及沉淀区组成，其示意图如图1所示。缺氧区有效容积8 L，内填尺寸为10 mm×10 mm×10 mm、密度为0.24 g/cm3、孔隙率为92%的聚氨酯填料，填充率60%(体积分数)。好氧区3格串联，三级好氧分别记为好氧1区、好氧2区、好氧3区，有效容积均为8 L，共24 L，内填尺寸为Φ25 mm×10 mm、密度为0.96 g/cm3、孔隙率为96%的聚丙烯填料，填充率40%。沉淀区有效容积为8 L，下部开有排泥孔进行污泥回流。实验过程中维持好氧3区末端DO质量浓度为2～3 mg/L，混合液悬浮固体(MLSS)质量浓度为2 500～3 500 mg/L。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.2 接种污泥与实验原水

接种污泥取自东莞市某含有印花工艺的大型针织印染厂二沉池，MLSS质量浓度为32.4 g/L，混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)质量浓度为17.6 g/L。

实验原水取自该厂厌氧水解池出水，COD质量浓度为350～450 mg/L，总氮质量浓度为43.5 mg/L，氨氮质量浓度为36.6 mg/L，硝酸盐氮质量浓度为0.8 mg/L，亚硝酸盐氮质量浓度为0.1 mg/L。

1.3 实验方法

1.3.1 挂膜启动

采用快速排泥法进行挂膜[10]。出水水质稳定，COD、氨氮去除率分别在76%、90%以上，挂膜成功。

1.3.2 水力停留时间对系统脱氮的影响

维持混合液回流比为200%，调节原水水箱的进水流量使得水力停留时间分别为6、8、10、12 h，稳定运行3 d后进行采样分析，连续采样14 d，考察水力停留时间对系统脱氮的影响。

1.3.3 混合液回流比对系统脱氮的影响

维持水力停留时间为10 h，调整混合回流比分别为100%、150%、200%、250%，稳定运行3 d后进行采样分析，连续采样14 d，考察混合液回流比对系统脱氮的影响。

1.3.4 沿程好氧生物膜的硝化菌群落和氮形态变化分析

维持水力停留时间为10 h、混合液回流比为200%，系统稳定运行30 d 后，取样分析沿程好氧生物膜的硝化菌群落和氮形态变化。

1.4 实验测试分析

水质分析：COD采用重铬酸钾快速密闭消解法；氨氮采用纳氏试剂分光光度法；硝酸盐氮采用紫外分光光度法；亚硝酸盐氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；总氮采用碱性过硫酸钾—紫外分光光度法；DO浓度采用便携式溶解氧仪测定；MLSS和MLVSS采用重量法测定[11]。有机氮通过总氮减去氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮计算得到。生物膜生物量用MLVSS表征。

异养菌、氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的比耗氧速率测定参考文献[12]，用于分析硝化菌群落变化。

2 结果与讨论

2.1 水力停留时间影响

不同水力停留时间下氨氮、总氮的去除特性如图2所示。由图2可知，随着水力停留时间的延长，氨氮、总氮去除率呈现同步上升的趋势。当水力停留时间为6 h时，系统氨氮、总氮平均去除率较低，分别仅为79.1%、57.7%，这是因为较短的水力停留时间导致污水中的氮没有充分的时间与生物膜上的硝化菌群接触，同时进水流量过大容易把填料上的生物膜冲刷下来导致硝化菌流失，从而硝化反应不能得到充分进行[13]。当水力停留时间为10 h时，氨氮、总氮都得到高效去除，平均去除率分别为90.6%、69.1%，出水氨氮、总氮平均值分别为3.4、13.4 mg/L。当水力停留时间继续延长至12 h时，氨氮、总氮平均去除率虽均有所增加，但增加幅度不大，分析原因可能是进水中可利用的有机碳源不足。综合考虑系统脱氮效率及反应时间的长短，系统最佳的水力停留时间为10 h。

图2 不同水力停留时间下氨氮、总氮的去除特性Fig.2 Ammonia nitrogen and total nitrogen removal characteristics under different hydraulic retention time

2.2 混合液回流比影响

不同混合液回流比下氨氮、总氮的去除特性如图3所示。由图3可知，在不同混合液回流比下，氨氮平均去除率均在90.3%以上，出水氨氮平均值在4.4 mg/L以下，差别不大，说明混合液回流比对系统的氨氮影响较小。混合液回流比从100%增加到250%，总氮平均去除率从55.4%增加到了71.1%，出水总氮平均值从19.3 mg/L降到了12.9 mg/L，说明增加混合液回流比，在一定程度上能提高总氮去除率。但是当混合液回流比从200%增大到250%时，总氮去除率的增幅不明显，原因是高混合液回流所携带的DO破坏了缺氧环境，导致反硝化作用减弱[14-15]。因此，混合液回流比为200%较合适。

图3 不同混合液回流下氨氮、总氮的去除特性Fig.3 Ammonia nitrogen and total nitrogen removal characteristics under different mixture recycling ratio

在最佳水力停留时间10 h、最适混合液回流比200%的条件下，出水氨氮和总氮浓度均能达到GB 4287—2012中对新建企业的直接排放标准限值(氨氮和总氮分别为10、15 mg/L)要求。

2.3 沿程好氧生物膜硝化菌群变化

由图4可见，三级好氧MBBR的生物膜生物量沿程逐级降低，好氧1区至好氧3区的MLVSS分别为3 217、3 084、2 804 mg/L，这是因为好氧1区至好氧3区的COD、氨氮浓度逐级降低，底物浓度限制了微生物的生长。在好氧1区，MBBR生物膜上异养菌、AOB、NOB的比耗氧速率分别为26.65、4.59、2.76 mg/(g·h)，以异养菌为主，主要进行有机物的氧化降解。到好氧2区和好氧3区，AOB和NOB的比耗氧速率上升，说明生物膜上AOB和NOB增多，氨氮的去除作用增强。汪君晖等[16]研究发现，随着三级好氧MBBR沿程碳氮比的减小，生物膜厚度和生物量逐渐减少，但生物膜的硝化速率却逐渐增大，与本研究的结果一致。

图4 沿程好氧生物膜的生物量及比耗氧速率Fig.4 Biomass and specific oxygen uptake rate along the aerobic biofilm

2.4 沿程氮形态转化

由图5可见，有机氮从原水的6.0 mg/L下降至出水的2.0 mg/L，减少了66.7%(质量分数)，原因是有机氮发生氨化反应转化为氨氮[17]；原水氨氮占总氮的质量分数为84.1%，在缺氧区氨氮浓度出现降低主要是由于混合液回流的稀释作用，氨氮转化为硝酸盐氮在好氧区才发生，出水硝酸盐氮占总氮的质量分数为50.8%，硝化作用主要在好氧2区和好氧3区进行，因为好氧2区和好氧3区的有机物含量相对较低，生物膜上占优势的菌种为AOB和NOB，与沿程好氧生物膜硝化菌群落变化的分析相吻合；亚硝酸盐氮质量浓度始终在1.3 mg/L以下，说明系统没有发生亚硝酸盐氮积累。好氧区总氮也有部分去除，原因可能是发生了同步硝化反硝化反应[18-20]。

图5 沿程氮形态转化Fig.5 Changes of nitrogen transformation along the process

3 结 论

(1) 在最佳水力停留时间10 h、最适混合液回流比200%的条件下，出水氨氮、总氮浓度均能达到GB 4287—2012中对新建企业的直接排放标准限值要求。

(2) 在好氧1区，MBBR生物膜上以异养菌为主，主要进行有机物的氧化降解；在好氧2区和好氧3区，AOB和NOB增多，硝化作用增强，氨氮主要在这两个阶段得到去除。

[1] 李超,尹儿琴,唐思远,等.UASB-A/O耦合工艺处理高含氮印染废水中试[J].环境科学研究,2014,27(7):733-741.

[2] 刘良军,万先凯,乐翠华,等.污泥回流对流化床生物膜—A/O活性污泥耦合工艺的影响研究[J].环境污染与防治,2015,37(1):52-58.

[3] 孙峰.MBBR处理畜禽养殖场废水的实验研究[J].科学技术与工程,2009,9(2):482-485.

[4] 叶杰旭,缪永杰,孙德智,等.MBBR—MBR组合工艺处理生活垃圾沥滤液的研究[J].工业水处理,2013,33(1):20-24.

[5] 谢咏梅.用移动床生物膜反应器处理印染废水[J].杭州化工,2005,36(1):19-21.

[6] 张旭.移动床生物膜反应器处理染料废水的研究[D].北京：北京林业大学,2010.

[7] 李炜,李方,陈季华.移动床生物膜反应器在印染废水处理中的应用[J].印染,2008,34(12):29-31.

[8] 邓书平,牟淑杰.PDMDAAC-MBBR组合工艺处理印染废水[J].印染,2009,35(6):36-38.

[9] 廖维,陈婷婷,李慧强,等.移动床生物膜反应器—膜生物反应器深度处理模拟废水及工业园区综合废水[J].环境污染与防治,2015,37(6):24-28.

[10] 俞汉青,顾国维.生物膜反应器挂膜方法的试验研究[J].中国给水排水,1992,8(3):13-17.

[11] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[12] 王建龙,吴立波,齐星,等.用氧吸收速率(OUR)表征活性污泥硝化活性的研究[J].环境科学学报,1995,19(3):225-229.

[13] 管运涛,宁涛,张丽丽. HRT和载体对一体化生物膜反应器脱氮除磷效果的影响[J].清华大学学报(自然科学版),2009,49(3):359-363.

[14] 李银波,周少奇,邱育真,等.回流比对投料A2/O工艺脱氮除磷影响的中试研究[J].环境科学与技术,2010,33(2):142-145.

[15] 孙永利,李鹏峰,隋克俭,等.内回流混合液DO对缺氧池脱氮的影响及控制方法[J].中国给水排水,2015,31(21):81-84.

[16] 汪君晖,孙红芳,蔡虎林,等.生物膜对A2/O系统硝化过程的强化效果分析[J].水处理技术,2016,42(2):113-117.

[17] 王学华,李蕾,刁新星,等.印染废水中氮硫形态转化和去除效率[J].环境工程学报,2016,10(1):194-198.

[18] 汤兵,张忠华,付丰连,等.利用悬浮填料附着生物膜同步去除碳氮磷[J].环境工程学报,2012,6(12):4553-4558.

[19] 郑桂林,张朝升,曹永峰,等.DO在SBBR生物膜中传递及对同步硝化反硝化的影响[J].中国给水排水,2016,32(3):22-26.

[20] 葛士建,彭永臻,张亮,等.改良UCT分段进水脱氮除磷工艺性能及物料平衡[J].化工学报,2010,61(4):1009-1017.

Nitrogenremovalfortheprintinganddyeingwastewaterbyanoxic/threestageaerobicMBBRprocess

HUGuowei，HUANGRuimin，ZHANGWanlin，CHENLei.

(SchoolofEnvironmentandEnergy，SouthChinaUniversityofTechnology，GuangzhouGuangdong510006)

The anoxic/three stage aerobic moving bed biofilm reactor (MBBR) process was used to treat the printing and dyeing wastewater. The influence of the hydraulic retention time and the mixture recycling ratio on nitrogen removal was investigated. The variations of nitrifying bacteria fraction and the nitrogen transformation along the process were also analyzed. Results showed that under the best condition of hydraulic retention time 10 h and mixture recycling ratio 200%,effluent ammonia nitrogen and total nitrogen could meet “Discharge standards of water pollutants for dyeing and finishing of textile industry” (GB 4287-2012) on new company’s direct discharge. In MBBR aerobic stage 1,heterotrophic bacteria were dominant,degradading organic compounds. In MBBR aerobic stage 2 and stage 3,ammonia oxidizing bacteria and nitrite oxidizing bacteria increased,resulting in nitrification enhanced and ammonia nitrogen removed.

moving bed biofilm reactor; specific oxygen uptake rate; nitrogen transformation; nitrogen removal; printing and dyeing wastewater

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.020

胡国威，男，1990年生，硕士研究生，研究方向为水污染控制技术与净水技术。#

。

2016-10-17)