厌氧/特异性移动床生物膜反应器处理低碳氮比工业废水脱氮效果优化分析*

郝梦影 杨宇杰 敬双怡 杨文焕 于玲红 李卫平

(内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010)

随着国家对工业废水排放重视程度的不断提高，工厂生产废水的排放标准日趋严格。由于工业废水水质复杂，多数具有污染物浓度高、碳氮比(C/N)失衡、有毒有害及不易降解的化学成分多等特点，在处理过程中往往会遇到各项污染指标去除困难或去除运行成本高的问题[1]。目前，我国大部分工业废水处理多采用传统的氧化沟工艺、间歇式活性污泥法、A/O工艺和A2/O工艺等。这些工艺运行管理成熟，处理效果较稳定，然而仍存在占地面积大、管理及运行费用高、出水水质难以达标等缺点。因此，寻求高效、节能、环保的废水处理工艺是我国工业发展的迫切要求。

特异性移动床生物膜反应器(SMBBR)[2-3]在移动床生物膜反应器基础上进一步升级改造，具有占地面积小、消耗低、处理效果较好、污泥产率低等优点[4-8]，特异性主要表现为采用SDC-03型填料和DNF409高效反硝化菌，具有较强的脱氮能力。另外，在SMBBR前增设厌氧移动床生物膜反应器(AMBBR)，通过水解酸化作用去除部分有机物，并将难降解的有机大分子污染物转化为小分子有机污染物，提高了废水中BOD5和COD比(B/C)，为后续好氧装置减轻处理负荷。目前，厌氧/特异性移动床生物膜反应器(A/SMBBR)逐渐深入到各污废水领域，如韩剑宏等[9]研究的邻苯二甲酸二辛酯生产废水、李卫平等[10-11]研究的农药含酚废水和生活污水、于玲红等[12]研究的石油发酵工业废水等处理均取得了良好的成果。

本研究以低C/N工业废水为研究对象，考察A/SMBBR对低C/N工业废水处理的脱氮效果，并采用基于Box-Behnken设计的响应曲面法优化试验参数，探究不同影响因子对脱氮效果的单独及其交互作用，建立以TN去除率为响应值的二次响应曲面模型，并对模型准确性进行验证分析，从而确定最佳运行条件。

1 材料与方法

1.1 填 料

采用SDC-03型六角蜂窝多孔结构填料，该填料材质为甘蔗渣亲水性可降解的改性高分子材料，对酸碱变化有一定抵抗力，抗老化能力强，使用寿命长，具有高度亲水性，投加后微生物成熟速度较快，衰老的生物膜较易从填料上脱落。规格为高10 mm、直径30 mm、比表面积约900 m2/m3、密度0.97 g/cm3[13]。由于SDC-03型填料比表面积大、内表面粗糙，填料内部为微生物生长繁殖提供了良好的生存环境。

1.2 反硝化菌剂

本次中试试验使用的菌种为DNF409高效反硝化菌。该菌种是经紫外线诱导变性后的芽孢杆菌(Bacillus)，能在低温(下限10 ℃)、有机物浓度很低的环境下生存，适宜温度和pH分别约为28 ℃、8，适应能力强、繁殖能力旺盛，具有高效反硝化作用，能促进亚硝酸盐和硝酸盐转化，在各种不良的环境条件均能得到良好的脱氮效果。

1.3 试验装置

试验装置由钢板焊接而成，AMBBR有效容积600 L，为防止污泥流失设有沉淀池，搅拌机转速150 r/min；SMBBR有效容积586 L，底部设有孔径3 mm的穿孔曝气管。设计进水流量为1.2 m3/d，AMBBR中DO控制在低于0.5 mg/L，SMBBR中DO为4～6 mg/L。

进水经提升泵至中试调节池，经沉淀、中和作用后经提升泵至AMBBR内进行反硝化反应，再流入SMBBR进行氨化和硝化反应，好氧反应出水至东流砂式沉淀池，通过回流泵将硝化液回流至AMBBR内进一步消耗COD和TN，同时东流砂式沉淀池能进一步降低出水SS，提高废水水质。图1为试验装置示意图。

图1 试验装置示意图Fig.1 The figure of the test device

1.4 试验水质

试验进水来自江西省抚州市宜黄县某工业园区污水处理厂调节池。该污水处理厂处理能力10 000 t/d，汇集了园区内各企业生产废水、部分生活污水及雨水径流等。水质成分复杂，C/N相对较低，B/C约0.17(质量比)，生物可降解性较差。经AMBBR处理后B/C约0.33，提高了废水可生化性。原水水质：TN、COD、BOD5、氨氮、TP、SS分别为111～235、95～368、31～63、25～57、1.09～5.18、10～17 mg/L，pH为6.94～7.50。

1.5 分析项目与方法

COD、氨氮、TN、BOD5、TP、SS均根据文献[14]中标准方法测定；pH、DO和水温采用便携式水质分析仪测定。

2 结果与讨论

2.1 A/SMBBR的挂膜启动

采用连续进水的自然挂膜法挂膜[15]。填料比表面积大、内表面较粗糙，系统中的微生物可较好地吸附在其内表面，同时系统启动时处于夏季，气温较高，微生物活性较高，繁殖速度快，因此挂膜速度较快。在水力停留时间(HRT)为2.0 d、水温为25～27 ℃、碳源投加量为80 mg/L、填料填充率为50%的工况下运行15 d，可观察到填料内表面附着黄褐色的生物膜，且出水各项指标相对稳定，表示挂膜启动完成。

2.2 单因素试验

稳定运行期间，没有额外说明，实验条件一般为进水TN 160 mg/L、HRT=3.0 d、水温25～28 ℃、pH=7.50、填料填充率50%、碳源投加量80 mg/L。

2.2.1 碳源投加量

进水COD较低，可生化性差，为保证试验出水效果，需要补加碳源。虽然甲醇的反硝化效率较高，有利于生物降解，但因其价格高、有毒性、难以运输，故中试采用乙醇作为外加碳源[16]，改变碳源投加量，考察碳源投加量对TN去除率的影响，结果见图2。随碳源投加量的增加，TN去除率逐渐升高，系统具有较好的脱氮效果。分析认为，在反应过程中，反硝化菌利用碳源作为电子供体通过反硝化作用进行氮素转化[17]，其他工况不变的前提下，当系统内碳源投加量逐渐提高，系统可提供给微生物的营养物质逐渐增多，微生物的繁殖速度加快，加大了碳源的利用率，提高了TN去除率。

图2 碳源投加量对TN去除率的影响Fig.2 Effect of carbon source dosage on TN removal rate

2.2.2 HRT

适当的HRT是确保废水处理效果、基建及运行费用的重要影响因素。系统稳定运行后，改变HRT，每个阶段稳定运行3个周期后监测水质，探究HRT对TN去除率的影响，结果见图3。TN去除率随HRT延长先增大后减小，当HRT为3.0 d时，TN去除率达到最大值。分析原因认为A/SMBBR采用连续流处理方式，当HRT缩短，单位时间内系统的进水流量增加，加大了水流对生物膜的冲刷作用，附着在填料表面的生物膜因受水流剪切作用而易发生脱落[18]，从而导致TN去除率较低。A/SMBBR为串联设计，当HRT过长，AMBBR消耗大量有机物，SMBBR内微生物因营养物质不足而活性降低，抑制物质不断积累，从而抑制微生物活性，导致TN去除率降低。该运行工况下，HRT为2.5～3.5 d时，系统具有较好的脱氮效果。

图3HRT对TN去除率的影响Fig.3 Effect of HRT on TN removal rate

2.2.3 填料填充率

填料填充率是A/SMBBR工艺中的重要因素，改变填料填充率，探究填料填充率对TN去除率的影响，结果见图4。TN去除率随填料填充率的增加先增后减，当填充率为50%时最大。分析原因认为：当填充率由30%升至50%时，反应器内填料体积增加，系统内可提供微生物附着生长的表面积加大，生物量和生物相相对增多，氧利用率加大，增强了好氧微生物活性，改善了脱氮效果；当填料填充率由50%升至60%，虽然填料提供的微生物附着面积增加，但其在反应器内的流化状态也相应变差，部分填料发生拥堵，沉降在反应器底部造成氧的传递率下降，氧利用率低，造成系统TN去除率下降。综合考虑脱氮效果和经济因素，填料填充率宜为40%～60%，既可达到高效的脱氮效果，又可符合设备的运行要求。

图4 填料填充率对TN去除率的影响Fig.4 The influence of filling rate of padding on the TN removal rate

2.3 响应曲面法优化与分析

2.3.1 基于Box-Behnken的试验设计

通过单因素试验分析，采用基于Box-Behnken的响应曲面法设计了3因素3水平的试验方案进行优化[19]，考察所选择的3个参数(碳源投加量(X1)、HRT(X2)、填料填充率(X3))对TN去除率的影响及其交互作用，确定最佳运行条件。Box-Behnken试验设计因子水平见表1，设计方案和试验结果见表2。

表1Box-Behnken试验设计因子水平

表2Box-Behnken试验设计方案和结果

2.3.2 响应曲面模型建立与分析

采用Design-Expert 8.0.5软件，对表2中数据进行回归分析[20]，建立以碳源投加量、HRT、填料填充率为变量，以TN去除率(Y，%)为响应值的二次多项式数学模型(见式(1))。对该模型的方差分析结果见表3。模型P<0.000 1，F=257.17，说明模型准确度较高，回归效果显著；3个参数单独对TN去除率影响作用顺序为填料填充率(F=886.05)>碳源投加量(F=634.20)>HRT(F=17.90)；3个参数之间均存在一定的交互作用，其中填料填充率和HRT的交互作用对TN去除率影响最显著，其次是填料填充率和碳源投加量的交互作用，碳源投加量和HRT的交互作用对TN去除率影响最弱。

(1)

由图5可知，增大填料填充率和延长HRT对TN去除率的提高均有促进作用，填料填充率对TN去除率影响比HRT显著。分析原因：随着反应器内填料体积增加，系统内可提供微生物附着生长的表面积也增大，微生物繁殖速度增快，提高了废水处理效率。由图6可知，TN去除率随填料填充率和碳源投加量增加呈先增大后减小的趋势，说明填料填充率和碳源投加量并不是越大越好。填料填充率对TN去除率影响比碳源投加量显著。分析原因：填料填充率大于55%时，填料在反应器内的流化状态变差，氧的利用率低，硝化作用减弱，使得脱氮效果变差；碳源投加量超过90 mg/L时，系统内微生物营养过剩，抑制微生物降解，导致出水TN升高，处理效果也不理想。由图7可知，碳源投加量和HRT之间的交互作用对TN去除率的影响较弱，增大碳源投加量和延长HRT，TN去除率相应提高，碳源投加量对TN去除率影响比HRT显著。分析原因：当系统内碳源增加，系统内提供微生物生长繁殖所需的营养物质增多，微生物活性较强，促进了硝化反应的进行，TN去除率增加。

2.3.3 试验优化与验证

表3 二次多项式模型的方差分析

注：1)P<0.000 1表示显著。

图5 填料填充率和HRT对TN去除率的交互影响(碳源投加量为80 mg/L)Fig.5 Interaction effect of filler filling rate and HRT on TN removal rate (carbon source dosage 80 mg/L)

图6 填料填充率和碳源投加量对TN去除率的交互影响(HRT=3.0 d)Fig.6 Interactive effect of filler filling rate and carbon source dosage on TN removal rate (HRT 3.0 d)

图7HRT和碳源投加量对TN去除率的交互影响(填料填充率为50%)Fig.7 Interactive effect of HRT and carbon source dosage on TN removal rate (filler filling rate 50%)

图8TN去除率实际值与预测值关系Fig.8 The relationship between actual value and predicted value of TN removal rate

3 结 论

(1) 单因素试验分析表明，当碳源投加量为60～100 mg/L、HRT为2.5～3.5 d、填料填充率为40%～60%时，A/SMBBR组合工艺对低C/N工业废水脱氮效果较好。

(2) 响应曲面法分析表明，3个参数对TN去除率影响顺序为填料填充率>碳源投加量>HRT，其中填料填充率和HRT之间的交互作用最显著。

(3) 模型预测的最佳条件为碳源投加量90 mg/L、HRT=3.0 d、填料填充率55%，TN去除率预测值为90.78%。在该条件下TN去除率实际值达91.02%，与模型预测值基本一致，表明响应曲面模型与实际情况拟合良好。