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環(huán)境造成的污染越來越嚴(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)的簡單的水處理技術(shù)，如石灰軟化、過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)通過實驗研宄生化法對硝酸鹽氮的去除效果。

1、試驗方法與材料

1.1反硝化菌培養(yǎng)液的組成

本實驗反硝化菌為自養(yǎng)。反硝化菌營養(yǎng)液的組成詳見表1。

1.2 水質(zhì)檢測和試驗儀器

反硝化試驗出水均采用0.45um濾膜過濾。采用紫外分光光度法（HJ/T346―2007)測定NO3--N的濃度。總氮（TN)、NO2--N和COD通過HACH法測定。

實驗儀器：752紫外可見分光光度計，恒溫振蕩箱、超凈工作臺、pH計、DO儀、ORP測定儀、烘箱、坩堝、移液槍。

2、試驗結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境條件對反硝化菌的影響

2.1.1 DO對反硝化的影響

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)行對比試驗。將配制好的硝酸鹽溶液分別加入兩個錐形瓶中，與菌液攪拌均勻并進(jìn)行反硝化反應(yīng)2h，分別對兩個瓶中反硝化TN去除率、菌液污泥濃度及污泥負(fù)荷進(jìn)行測定，測定結(jié)果詳見表2。從表2可看出，DO濃度為0.17mg/L時，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，對反硝化有明顯的抑制作用，說明DO對反硝化影響較大。這是因為反硝化作用是缺氧環(huán)境下的替代產(chǎn)能途徑，在氧分壓高時，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，通過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)同時存在分子態(tài)氧和硝酸鹽時，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氧呼吸的關(guān)鍵是合成無氧呼吸的酶，而分子態(tài)氧的存在會抑制這類酶的合成及活性。

2.1.2 微量元素對反硝化菌的影響

反硝化菌經(jīng)過兩個月的培養(yǎng)，雖然TN去除效果較好，污泥生長速度較快，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表3，添加微量元素前后各項指標(biāo)對比結(jié)果詳見表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)。實驗進(jìn)行第100天，考察pH對反硝化的影響。將相同的菌液分別置于pH為6.5和8.5的條件下培養(yǎng)，測定不同pH下反硝化菌對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，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，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%。說明pH對反硝化的影響較大，微生物反硝化作用通常在中性偏堿條件下進(jìn)行，pH過高或過低都會影響反硝化細(xì)菌的生長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)一步試驗確定。

2.2 反硝化過程中各指標(biāo)的變化情況

(1)反硝化過程中pH值的變化情況。將相同的菌液分別置于3個500mL錐形瓶（1#、2#、3#)中，進(jìn)行一組平行實驗，考察反硝化過程中pH值隨反應(yīng)時間的變化情況，見圖2。

從圖2可知，1#、2#、3#瓶的pH均在反應(yīng)時間為2h時降至最低，之后趨于平穩(wěn)。正常情況下反硝化是產(chǎn)堿的過程，隨著反應(yīng)的進(jìn)行pH逐漸升高，本實驗出現(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產(chǎn)生的CO2溶于水中，導(dǎo)致pH值下降。測定出水中IC為565.3mg/L，說明溶液中的確有大量CO32-存在。

(2)反硝化過程中pH、ORP隨TN濃度的變化關(guān)系。將菌液置于5L細(xì)口瓶中，考察反硝化過程中pH、ORP隨TN濃度的變化關(guān)系，見圖3。從圖3可知，當(dāng)TN濃度為110.2mg/L時，pH、ORP分別為7.42、-285mV；反應(yīng)1h后，TN濃度下降至16.3mg/L時，pH緩慢下降至7.29，ORP變?yōu)?306mV；反應(yīng)2h時，TN濃度由16.3mg/L下降至8.5mg/L時，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)。說明反硝化過程中pH、ORP會隨之發(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會隨著反硝化作用發(fā)生改變，但是TN濃度與pH、ORP均不成線性關(guān)系。

(3)污泥濃度隨時間變化情況。污泥濃度隨時間變化情況見圖5。從圖5可以看出，污泥濃度隨時間越來越高，但是線性不相關(guān)。

(4)反硝化過程中TN、NO3--N、NO2--N濃度隨時間變化情況。從圖6中可以看出，反應(yīng)時間為0.5h時，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，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，這是因為一部分NO3--N轉(zhuǎn)化為NO2--N，在此過程中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時反應(yīng)完全。

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

從圖7可看出，連續(xù)進(jìn)行5個月試驗并檢測體系中的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，后通過調(diào)節(jié)pH有效提高了TN去除率，但是未對污泥負(fù)荷進(jìn)行測定，有待進(jìn)一步分析。

3、結(jié)論

通過以上分析，可得出如下結(jié)論：

(1)通過改變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)對反硝化過程中各指標(biāo)如PH、ORP隨硝酸鹽氮濃度變化進(jìn)行了分析，試驗結(jié)果表明，pH、ORP會隨著反硝化作用發(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均不成線性關(guān)系。

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