生物反硝化處理硝酸鹽氮廢水工藝

水體中存在的硝酸鹽氮主要來(lái)源于工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢棄物和生活污水。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的含氮廢水，農(nóng)業(yè)上施用的氮肥隨雨水沖刷入江河、湖泊，生活污水排入受納水體等對(duì)環(huán)境造成的污染越來(lái)越嚴(yán)重，已引起人們的普遍關(guān)注。因此，去除水中的硝酸鹽氮對(duì)改善水質(zhì)有很大意義。硝酸鹽在水中溶解度高，穩(wěn)定性好，難于形成共沉淀或吸附。因此，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單的水處理技術(shù)，如石灰軟化、過(guò)濾等工藝難以去除水中硝酸鹽。目前，從水中去除硝酸鹽的方法有化學(xué)脫氮、催化脫氮、反滲透、電滲析、離子交換、生物脫氮等。文本重點(diǎn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研宄生化法對(duì)硝酸鹽氮的去除效果。

1、試驗(yàn)方法與材料

1.1反硝化菌培養(yǎng)液的組成

本實(shí)驗(yàn)反硝化菌為自養(yǎng)。反硝化菌營(yíng)養(yǎng)液的組成詳見(jiàn)表1。

1.2 水質(zhì)檢測(cè)和試驗(yàn)儀器

反硝化試驗(yàn)出水均采用0.45um濾膜過(guò)濾。采用紫外分光光度法（HJ/T346―2007)測(cè)定NO3--N的濃度?？偟═N)、NO2--N和COD通過(guò)HACH法測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)儀器：752紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，恒溫振蕩箱、超凈工作臺(tái)、pH計(jì)、DO儀、ORP測(cè)定儀、烘箱、坩堝、移液槍。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境條件對(duì)反硝化菌的影響

2.1.1 DO對(duì)反硝化的影響

培養(yǎng)初期，在500mL維形瓶中進(jìn)行反硝化菌的培養(yǎng)?？疾霥O對(duì)反硝化的影響，將1#錐形瓶蓋緊瓶塞，2#錐形瓶敞口置于空氣中，培養(yǎng)20天后進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。將配制好的硝酸鹽溶液分別加入兩個(gè)錐形瓶中，與菌液攪拌均勻并進(jìn)行反硝化反應(yīng)2h，分別對(duì)兩個(gè)瓶中反硝化TN去除率、菌液污泥濃度及污泥負(fù)荷進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果詳見(jiàn)表2。從表2可看出，DO濃度為0.17mg/L時(shí)，TN去除率、污泥濃度、污泥負(fù)荷均較高，當(dāng)DO濃度為0.51mg/L時(shí)，對(duì)反硝化有明顯的抑制作用，說(shuō)明DO對(duì)反硝化影響較大。這是因?yàn)榉聪趸饔檬侨毖醐h(huán)境下的替代產(chǎn)能途徑，在氧分壓高時(shí)，微生物進(jìn)行好氧呼吸獲得能量；當(dāng)含氧濃度很低或完全厭氧時(shí)，通過(guò)反硝化作用獲得能量。氧氣一般被看作是反硝化酶的抑制劑。當(dāng)同時(shí)存在分子態(tài)氧和硝酸鹽時(shí)，反硝化細(xì)菌優(yōu)先進(jìn)行有氧呼吸。微生物從有氧呼吸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)氧呼吸的關(guān)鍵是合成無(wú)氧呼吸的酶，而分子態(tài)氧的存在會(huì)抑制這類(lèi)酶的合成及活性。

2.1.2 微量元素對(duì)反硝化菌的影響

反硝化菌經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的培養(yǎng)，雖然TN去除效果較好，污泥生長(zhǎng)速度較快，但是污泥沉降性很差，為加強(qiáng)污泥的沉降性，向培養(yǎng)液中添加適量微量元素，繼續(xù)培養(yǎng)10天后，測(cè)定反硝化菌TN去除率、污泥負(fù)荷及污泥沉降性。添加微量元素的成分及濃度詳見(jiàn)表3，添加微量元素前后各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表4。從表4可知，微量元素添加后，TN去除率、污泥負(fù)荷、污泥沉降性均較微量元素添加前有所提高；對(duì)污泥沉降性影響最大，SVI由272.53mL/g下降至148.39mL/g，有效提高了反硝化菌的污泥沉降性。微量元素主要作為氨甚酸、核酸的組成成分和酶激活劑，用量適當(dāng)可以有效促進(jìn)反硝化的進(jìn)行；但是必須嚴(yán)格控制，過(guò)量則可能抑制生物酶活性，從而抑制反硝化的進(jìn)行。

2.1.3 pH對(duì)反硝化的影響

微生物的活性與環(huán)境的酸堿度密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行第100天，考察pH對(duì)反硝化的影響。將相同的菌液分別置于pH為6.5和8.5的條件下培養(yǎng)，測(cè)定不同pH下反硝化菌對(duì)TN的去除情況，如圖1所示。從圖1可以看出，當(dāng)pH為6.5時(shí)，反應(yīng)1hTN濃度由103.0mg/L迅速下降至33.5mg/L，之后TN濃度緩慢下降，反應(yīng)7hTN濃度降至25.5mg/L，仍沒(méi)有反應(yīng)完全，去除率僅達(dá)到75%。這可能是由于隨著反硝化的進(jìn)行，pH不斷下降，pH越低，越抑制反硝化的進(jìn)行。當(dāng)pH為8.5時(shí)，反應(yīng)1hTN濃度由156.0mg/L降至16.0mg/L，反應(yīng)2hTN濃度降至5.5mg/L，TN去除率達(dá)到96%。說(shuō)明pH對(duì)反硝化的影響較大，微生物反硝化作用通常在中性偏堿條件下進(jìn)行，pH過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率和反硝化酶的活性，使脫氮效率有所下降。最佳pH控制范圍還有待進(jìn)一步試驗(yàn)確定。

2.2 反硝化過(guò)程中各指標(biāo)的變化情況

(1)反硝化過(guò)程中pH值的變化情況。將相同的菌液分別置于3個(gè)500mL錐形瓶（1#、2#、3#)中，進(jìn)行一組平行實(shí)驗(yàn)，考察反硝化過(guò)程中pH值隨反應(yīng)時(shí)間的變化情況，見(jiàn)圖2。

從圖2可知，1#、2#、3#瓶的pH均在反應(yīng)時(shí)間為2h時(shí)降至最低，之后趨于平穩(wěn)。正常情況下反硝化是產(chǎn)堿的過(guò)程，隨著反應(yīng)的進(jìn)行pH逐漸升高，本實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)pH降低的情況，可能是由于葡萄糖在水中水解或被反硝化菌利用時(shí)產(chǎn)生的CO2溶于水中，導(dǎo)致pH值下降。測(cè)定出水中IC為565.3mg/L，說(shuō)明溶液中的確有大量CO32-存在。

(2)反硝化過(guò)程中pH、ORP隨TN濃度的變化關(guān)系。將菌液置于5L細(xì)口瓶中，考察反硝化過(guò)程中pH、ORP隨TN濃度的變化關(guān)系，見(jiàn)圖3。從圖3可知，當(dāng)TN濃度為110.2mg/L時(shí)，pH、ORP分別為7.42、-285mV；反應(yīng)1h后，TN濃度下降至16.3mg/L時(shí)，pH緩慢下降至7.29，ORP變?yōu)?306mV；反應(yīng)2h時(shí)，TN濃度由16.3mg/L下降至8.5mg/L時(shí)，pH、ORP急劇下降，pH、ORP分別降至6.71、-328mV。反硝化2h后，溶液中硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮幾乎全部轉(zhuǎn)化SN2，反硝化作用極為緩慢，pH、ORP趨于平穩(wěn)狀態(tài)。說(shuō)明反硝化過(guò)程中pH、ORP會(huì)隨之發(fā)生改變，反硝化作用越激烈，pH越小，氧化還原性（ORP)越強(qiáng)，反硝化作用停止，pH、ORP逐漸趨于穩(wěn)定。

從圖4可以看出，雖然pH、ORP會(huì)隨著反硝化作用發(fā)生改變，但是TN濃度與pH、ORP均不成線(xiàn)性關(guān)系。

(3)污泥濃度隨時(shí)間變化情況。污泥濃度隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，污泥濃度隨時(shí)間越來(lái)越高，但是線(xiàn)性不相關(guān)。

(4)反硝化過(guò)程中TN、NO3--N、NO2--N濃度隨時(shí)間變化情況。從圖6中可以看出，反應(yīng)時(shí)間為0.5h時(shí)，NO3--N濃度為87.5mg/L，NO2--N為80.0mg/L，TN濃度即為二者之和167.5mg/L。反應(yīng)至1.5h時(shí)，NO3--N濃度下降至為0mg/L，―部分轉(zhuǎn)化為NO2--N，另一部分直接轉(zhuǎn)化為N2；NO2--N濃度上升至最高點(diǎn)，達(dá)到118.4mg/L，這是因?yàn)橐徊糠諲O3--N轉(zhuǎn)化為NO2--N，在此過(guò)程中NO2--N不斷被還原成N2，但是NO2--N轉(zhuǎn)化N2速度慢于NO2--N轉(zhuǎn)化為NO2--N速度。1.5h后，NO2--N不斷被還原成N2，4.5h時(shí)反應(yīng)完全。

(5)TN濃度、TN去除率及污泥負(fù)荷隨時(shí)間變化情況。TN濃度、TN去除率及污泥負(fù)荷隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖7。

從圖7可看出，連續(xù)進(jìn)行5個(gè)月試驗(yàn)并檢測(cè)體系中的TN和污泥負(fù)荷，進(jìn)水TN濃度均在82.8?203.6mg/L之間，出水TN濃度在0-25.5mg/L之間，其中只有兩次出水TN濃度較高，分別為16.7mg/L、25.5mg/L，其余均小于10mg/L。TN去除率在75%~100%之間，TN去除率達(dá)到90%以上的有七次，只有一次為75%，分析原因是由于pH值較低導(dǎo)致反硝化速率下降。污泥負(fù)荷在0.2588?1.3354kg/(kg.d)之間，培養(yǎng)初期污泥負(fù)荷較高，均高于1.0kg/(kg?d)，反硝化速率較快；培養(yǎng)兩個(gè)月后出現(xiàn)反硝化速率下降的現(xiàn)象，污泥負(fù)荷維持在0.3kg/(kg?d)左右，分析原因可能是由于pH值較低導(dǎo)致反硝化速率下降，后通過(guò)調(diào)節(jié)pH有效提高了TN去除率，但是未對(duì)污泥負(fù)荷進(jìn)行測(cè)定，有待進(jìn)一步分析。

3、結(jié)論

通過(guò)以上分析，可得出如下結(jié)論：

(1)通過(guò)改變DO、微量元素以及pH值等影響因素，可以有效優(yōu)化反硝化菌培養(yǎng)條件，有效提高反硝化效率。

(2)對(duì)反硝化過(guò)程中各指標(biāo)如PH、ORP隨硝酸鹽氮濃度變化進(jìn)行了分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，pH、ORP會(huì)隨著反硝化作用發(fā)生改變，反硝化作用越激烈，pH越小，氧化還原性（ORP)越強(qiáng)，但是TN濃度與pH、ORP均不成線(xiàn)性關(guān)系。

(3)考察了TN濃度、TN去除率及污泥負(fù)荷隨時(shí)間變化情況，總體看來(lái)，該反硝化菌去除TN效果良好，TN去除率達(dá)到90%以上。（來(lái)源：中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司）