反硝化生物滤池在污水处理中的应用研究进展

反硝化生物滤池在污水处理中的应用研究进展

王子杰;王郑;林子增;陈蕾;许锴;李子木;刘康乐

【摘要】介绍了反硝化生物滤池(DNBF)的工作原理及类型,阐述了DNBF对氨氮、总氮、有机物及悬浮物等污染物的去除效果.探讨了碳源、pH、温度、溶解氧、回流比、水力负荷、反冲洗、挂膜等因素对DNBF处理效果的影响.指出了DNBF目前存在的问题,展望了DNBF未来的发展方向,为相关理论研究以及实际工程应用提供参考依据.

【期刊名称】《应用化工》

【年(卷),期】2018(047)008

【总页数】5页(P1727-1731)

【关键词】反硝化生物滤池;污水处理;处理效果;发展趋势

【作者】王子杰;王郑;林子增;陈蕾;许锴;李子木;刘康乐

【作者单位】南京林业大学土木工程学院,江苏南京 210037;南京林业大学土木

工程学院,江苏南京 210037;南京林业大学土木工程学院,江苏南京 210037;南京

林业大学土木工程学院,江苏南京 210037;南京林业大学土木工程学院,江苏南京210037;南京林业大学土木工程学院,江苏南京 210037;南京林业大学土木工程学院,江苏南京 210037

【正文语种】中文

【中图分类】TQ085.+413;TQ033

反硝化生物滤池(DNBF)是两段式生物曝气滤池(BAF)中的反硝化段，集过滤功能和生物脱氮功能为一体，应用于污水深度脱氮时能够有效控制水体富营养化问题并改善水质。将其与硝化滤池、砂滤池或机械过滤技术等组合，能够用于再生水的生产[1]。与其他深度处理工艺相比，其成本低、反冲洗率低、维护管理方便、占地面

积小、脱氮效果稳定。因此，DNBF成为了近年来研究的热点工艺之一。本文阐述了DNBF对氨氮、总氮、有机物及悬浮物的处理效果，探讨了碳源、pH值、温度、溶解氧、回流比、水力负荷、反冲洗以及挂膜方式这几大因素对DNBF处理效果

的影响。指出了其目前存在的问题以及未来发展的方向，为相关理论研究以及实际工程应用提供参考依据。

1 DNBF的作用原理及类型

1.1 DNBF的作用原理

DNBF的作用原理是：以填料为载体，依靠上面附着的生物膜氧化分解污染物，以及生物膜中的反硝化作用来将硝酸盐氮还原成气态的氮化物(主要是氮气)，最终取得污水脱氮的效果。

参与反硝化过程的反硝化菌是兼性细菌，根据自身生命活动利用能源的不同，以自养及异养反硝化型两种形式存在，其活性的高低在一定范围内决定着DNBF的脱

氮能力。它的电子供体种类较多，自养反硝化菌以氢气或硫及硫的化合物作为电子供体，利用无机碳源(如CO2、H2CO3等)，异养反硝化菌则利用有机碳源(如甲醇、醋酸和乙醇等)来提供微生物生长活动的能量[2]。但是反硝化菌的电子受体种类较少，它会在污水存在分子态氧时优先把氧当作电子受体。反之，它会把硝酸盐或亚硝酸盐当作电子受体。大部分情况下，废水中的有机物可以充当电子供体，需要提供适当的电子受体(如硝酸盐或亚硝酸盐)来实现有机物向细胞物质和二氧化碳的转化[3]。

1.2 DNBF的类型

依据DNBF在污水处理工艺流程中所处位置的差异，可以分为后置和前置两种反

硝化滤池。

1.2.1 后置反硝化滤池后置反硝化滤池常被用于改造升级出水BOD5浓度较低、

氨氮浓度较高的污水厂。滤池中的污水会先通过好氧滤池(或滤池的好氧段)，而后通过反硝化滤池(或滤池的反硝化段)。由于无需回流系统，可以节省部分动力费用。但是由于滤池进水碳源不足，往往需要在其反硝化段中投加过量碳源，来保证脱氮的成效[4]。为保证出水质量，在实际工程中碳源投加量需要通过滤池进水以及出

水中硝酸氮的数值差得到，也将快速除碳设施放置在DNBF的后方来去除出水中

多余的碳。因此，目前对于后置反硝化滤池来说，开发经济高效的外加碳源是其研究的重点。

1.2.2 前置反硝化滤池前置反硝化滤池增加了系统内回流环节，去除水中硝氮的效果较好，具有较高的经济性，常用于进水 COD 较高的情况。滤池中污水会先通过反硝化滤池(或滤池的反硝化段)，而后通过好氧滤池(或滤池的好氧段)，最后再流

回到反硝化滤池。回流硝化液会将硝态氮与亚硝态氮中的氧作为电子供体，而污水中又具有充足的碳源，故无需投加碳源[4]。硝化过程会产生部分量的酸，能与反

硝化过程中产的碱相中和，对微生物的活动繁殖有利，但处理效果容易受进水水质的碳源水平影响。近年来前置反硝化滤池不断受到重视，较多的污水厂在升级改造中采用了该工艺[5]。

2 DNBF对污染物的去除

2.1 含氮物质的去除

污水中的含氮物主要有：有机氮、亚硝酸氮、氨氮及硝态氮，它们的总和称为总氮(TN)。水中各态氮通过DNBF都能得到良好的处理，弥补了传统生物脱氮工艺无

法充分去除TN的缺点。但DNBF的脱氮容积负荷一般为因为其取值范围很大，

需要在设计时根据实际工程来把握范围。

Lopez等[6]将DNBF与生物滴滤池组合用于去除污水中的硝酸盐氮，结果表明：采用来自于生物沼气中的H2S作为电子供体，硝酸盐氮的去除率比未使用前提高

了13倍。陈浬等[7]对比了采用不同C/N 值时，DNBF对TN的去除效果。结果

表明：当C/N值小于6时，DNBF对TN的去除效果与C/N值成正比。当C/N

值等于6时，对TN的去除能力最强，去除率可以达到91.6%。胡朝晖等[3]研究

了DNBF的污水处理效果，结果表明：在运行2 h后，的去除率增长了26.9%且

去除效果十分稳定。证明了污水中的硝态氮在DNBF能够得到很好的去除，从而

减少了总氮的含量。

反硝化滤池不具备曝气充氧功能，用它去除污水中氨氮是个特例，因为1 mg 氨

氮转变为硝态氮约会消耗水中4.67 mg的溶解氧。Park等[8]利用上向流反硝化生物曝气滤池来去除陆地渔场出水中的氨氮，结果表明：该工艺最佳HRT为14.8 h，出水氨氮的硝化率维持在90%之上，反硝化效率维持在80%之上，并且出水pH

值会随着进水碱度的降低而降低。Uemoto等[9]将DNBF的技术应用于国际空间站，来去除水循环系统中水生动物排出的有害氨。研究发现，处理后循环水中有害氨与亚硝酸盐的含量均低于0.1 mg/L，硝酸盐和总有机碳浓度均低于5 mg/L和

3 mg/L。结果表明：反硝化生物滤池有能力保证国际空间站中水生动物的水质，

并且可以应用于其他水生系统。Raboni等[10]把DNBF与生物滴滤池组合，用于探索空气中氨污染物的去除能力。结果发现：控制空床停留时间大于30 s，氨的

去除率能够达到90%以上。表明了这两种工艺的结合，对空气中的氨污染物有较

强的去除能力。

2.2 有机物及悬浮物的去除

DNBF的填料有着较强的截留过滤能力，且填料表面上附着的生物膜具有吸附和氧化分解作用，能够很好的去除污水中的有机物及悬浮物。DNBF同BAF一样，无

需设置二沉池，可以节省工程用地与投资。但通常DNBF要求进水悬浮物浓度不

高于60 mg/L，否则易造成滤池的堵塞，增加反冲洗次数及生物滤床更新频率，

故常在DNBF前增加预处理环节。

杜创等[11]将DNBF与Leopold碳源投加系统相结合，研究了DNBF对COD的

去除效果。结果表明：选用精确的碳源投加系统可以使出水COD更加稳定。周敬东等[12]将高效沉淀池与DNBF相结合，研究了该组合工艺对悬浮物的去除效果。结果表明：该组合较DNBF对悬浮物的去除效果更好，并且出水的悬浮物浓度可

满足地表Ⅳ类水标准。Nakhla等[13]将DNBF与慢砂滤池组合，与慢砂滤池的原有性能对比。结果发现：组合工艺显著提高了对BOD5和COD的去除效率，此

时BOD5的出水浓度为0.8～2.6 mg/L，COD的出水浓度为15～34 mg/L。Ilhan[14]用木片建成了反硝化墙来改良DNBF，研究了其对除草剂与抗生素的去

除效果。结果表明：莠去津、磺胺甲嘧啶、恩氟沙星及莫能菌素的去除率分别超过了65%，70%，90%及80%，证明了改良后的DNBF具备处理水中除草剂与抗生素的能力。

3 不同因素对DNBF处理效果的影响

3.1 碳源对DNBF处理效果的影响

DNBF在污水厂的改造升级中，多被用于二级处理。此时污水中的碳源普遍不足，需要投入外加碳源来维持滤池的稳定高效。若污水中的碳源不足，BOD5和TN的比值会低于5，往往需要对滤池投入碳源。

目前，国内外常把液态碳源(如甲醇、乙醇)以及可降解聚合物的同体碳源(如纤维素、淀粉)作为DNBF的外加碳源。前者对污水的处理效果较好，但投入成本较多。后者的成本较低，但会造成部分的后续处理问题。

由于使用传统有机碳源时，存在资金投入较多且部分碳源有毒性的问题，近年来众多研究者开始致力于寻找经济环保的新型碳源。目前，国内外较为热门的新型碳源

有天然固体有机物(如芦苇，棉花)、可生物降解多聚物(如聚-β-羟丁酸)、初沉污泥的水解产物、工业废水(如啤酒废液)。

李斌等[15]模拟了城市污水厂二级处理出水，对比了分别将玉米芯、稻壳、棉花以及稻草作为外加碳源时，DNBF的脱氮能力。结果表明：玉米芯的脱氮效果较强，仅需1 g玉米芯便可去除2.47 g的硝氮。而稻草、棉花的长期脱氮能力不稳定，稻壳的表面结构复杂无法被微生物附着。由此可见，将玉米芯作为外加碳源有着很高的实用性，并且更加经济环保。张浩浩等[16]采用了生物陶粒以及石英砂作为滤柱填料，对比了分别将乙酸钠以及甲醇作为外加碳源时，DNBF的处理能力。结果表明：相比于乙酸钠，将甲醇作为碳源时滤池具有更稳定的脱氮效果以及经济性。杨碧印[17]以城市污水处理厂二级出水作为试验用水，选取了葡萄糖、乙酸钠及乙醇作为DNBF的碳源，进行了对比实验。结果表明：在挂膜时间方面，使用乙酸钠或乙醇时比使用葡萄糖快了5 d，且滤池对硝态氮和总氮的去除率高达90%，比使用葡萄糖高了10%。Craggs等[18]用预处理过的植物酒精作为碳源，探究了DNBF对水培废水的处理效果。结果表明：当碳氮比为3时，硝酸盐的去除率大于95%，且出水硝酸盐浓度稳定在20 mg/L以下，证明了废弃植物材料有能力作为DNBF的外加碳源。Aslan等[19]将DNBF与慢砂滤池组合，探究了其对饮用水的处理效果。结果表明：使用乙酸作为外加碳源，其最佳碳氮比为1.8。Konstantinos等[20]将SBR与DNBF组合，探究了以糖作为碳源时，碳氮比对饮用水中的去除效果。结果表明：该组合的最佳碳氮比为13.5，此时对和COD的去除率最高。当碳氮比从13.5降到6.25的过程中，反硝化率有所上升，但水中的发生了明显的积累现象。当碳氮比继续下降，滤池的明显去除不足。

3.2 pH值与温度对DNBF处理效果的影响

pH值与温度是反硝化菌繁殖代谢的关键所在，选取适当的pH值与温度能够更好的保证DNBF的稳定运行并且提高其反硝化效率。

反硝化菌的最佳pH值处于6～8之间，最适温度处于20～30 ℃之间。若超此范围，反硝化菌的增长速率及代谢能力便会迅速减弱，反硝化效率也会随之下降。一半在选择外加碳源时，需要考虑到其对滤池内pH值的影响。

赵樑等[21]探究了pH值与DNBF中硝态氨处理效果的关系，结果表明：控制

pH=8，DNBF对污水中硝态氮的处理能力最强，且去除率高达99.4%。刘秀红等[22]以污水厂的二级出水作为试验用水，对DNBF的快速启动采取了研究。结果

发现：当DNBF的水温在20～25 ℃的范围内，最快5 d即可完成挂膜过程。Kanda等[23]将滴滤池与DNBF组合，研究了温度与工艺废水的处理能力的关系。结果表明：在气温低于15 ℃的冬季，反硝化细菌的活性会在一定程度上的减弱，对TN和COD的去除率明显下降，无法达到预期的处理效果。

3.3 溶解氧对DNBF处理效果的影响

DNBF中的反硝化过程需要在厌氧环境内发生，当溶解氧较多时反硝化菌会进行有氧呼吸并水中对含碳有机物进行降解，使水中的硝酸盐无法得到还原。同时，系统内好氧菌的代谢能力也会提高，导致很多碳源被浪费。并且，溶解氧还会抑制反硝化菌中反硝化还原酶的合成及代谢。故溶解氧浓度一般要小于0.5 mg/L，才能保

证DNBF的稳定运行。

李明河等[24]采用了支持向量机，在进行了粒子群运算优化后与PID控制技术进

行了对比。结果表明：该系统能够更好地预测出水COD浓度，并优化加强工艺流程中对溶解氧浓度的控制。采用该系统可以在满足工程需求的前提下，提高运行效率并且节约运行成本。

目前，国内通常采用BNDF与BAF的组合工艺来进行城市污水的深度处理，溶解氧的浓度不管对于前置还是后置反硝化都存在一定的影响，主要在于降低了DNBF 的处理效率并且增大了碳源的投加量。关于这个难题的处理办法，还需研究者们进一步探索。

3.4 反冲洗对DNBF处理效果的影响

随着DNBF的不断运行，包裹在滤料表面的反硝化生物膜不断累积变厚，导致滤

池的过水通道减小、出水量减小以及出水水质下降，此时需要对滤池进行反冲洗。经过适当的反冲洗，滤池的处理能力会在短时间内有所减弱，但是不久之后便会恢复如初。

目前，国内外大多对DNBF采用气、水联合反冲洗技术。该技术有着冲洗效果好、节省冲洗水量的优点，在实际工程中被广泛应用。但有时滤池在反冲洗过程中，水力负荷会在短时间内变得过大，导致反冲出水出现回流现象，给初沉池带来剧烈的冲击负荷[25]。

周晓黎等[26]在反冲洗周期14 d，气、水强度分别为7 L/(m2·s)和15 L/(m2·s)，持续时间10～15 min的条件下，对比了气、水联合反冲洗后DNBF的生物膜的

特征。结果表明：DNBF的生物膜活性受反冲洗影响非常明显，但是生物膜上的生物量并未受到很大影响。反冲洗过程将生物膜中的非活性物质去除，使生物膜的活性得到了提升，结构变得更加稳固，滤池的处理效率得到了提高。李新凯等[27]采用了双层填料DNBF，与单层填料DNBF进行了对比。结果发现：实际工程中应

根据滤料的种类对反冲洗系统分别设计，且设置双层滤料DNBF的反冲洗周期为

1 d时处理效果最好。

3.5 回流比对DNBF处理效果的影响

回流环节是前置反硝化生物滤池所特有的工艺特点，过程中易发生水力负荷过大的现象，从而对生物膜受到一定的损伤。而合适的回流比(即出水回流量与进水流量

的比值)能够减轻破坏，降低能耗，使系统能发挥更好的脱氮效能。

马秋莹等[28]采用了前置反硝化生物滤池，研究了回流比与TN的处理能力的关系。结果发现：回流比从50%升至100%，去除效果不断上升；从100%升至150%，去除效果开始下降。表明了回流比为100%时，滤池对TN的处理能力最强且运行

费用较低，平均去除率为86.45%。

3.6 水力负荷对DNBF处理效果的影响

水力负荷会对DNBF的处理能力产生重大影响，其数值大小同HRT成反比，严重关系到生物膜同污水反应的时间，影响生物膜的强度、厚度以及微生物的活动与代谢情况[29]。

一般来说，水力负荷的减小会使得滤池的处理能力更好，但过小的水力负荷会导致微生物营养不足，影响其生长繁衍，经济成本也会增大。水力负荷与有机负荷成正比，但是过大的水力负荷会导致水中的污染物没有足够时间被充分处理，使出水水质下降。实际工程中，水力负荷的增加会引起水头损失的增加，导致反冲洗周期缩短以及能耗的增加，故采用经济有效的水力负荷尤为重要。

王先涛等[30]研究了在不同的水力负荷条件下，DNBF的脱氮性能。结果表明：当C/N值为6、水力负荷为3 m/h时，DNBF对TN的去除效果最佳为18.2 mg/L，能达到地表水环境Ⅴ类标准。

3.7 挂膜方式对DNBF处理效果的影响

DNBF工艺的核心是它的生物膜，故填料的挂膜是DNBF稳定运行并发挥效能的

前提，便捷、高效的挂膜方式能使其得到更强的处理能力。

目前，国外常用的挂膜方法为：间歇培养后连续进水培养、在一定负荷条件下进行连续培养及在滤柱中接种活性污泥，之后进水并进行连续或者间歇培养。三种方法所需的启动时间和适用条件各不相同，不过成功挂膜之后去除效能相差不大。

国内多对DNBF使用接种挂膜的方法，其挂膜速度与自然挂膜相比更加快速，并

且在挂膜成功之后，微生物的形态体征相差不大。也有研究发现，自然挂膜法所形成的生物膜更加稳定，生物膜同载体之间粘合度更高。

韩剑宏等[31]以新型聚乙烯为填料，采用在设计流速下接种污泥的连续流挂膜方式，对DNBF的挂膜启动过程进行了研究。结果表明：使用接种污泥的方法进行挂膜，

在25～27 ℃的温度条件下挂膜成功仅需14 d，成功挂膜后对的去除率高达91%～99%。较自然挂膜更为经济高效，对的处理能力更强。杨威[32]采用了以

火山岩为填料的前置反硝化生物曝气滤池，研究了使用快速排泥法时的挂膜启动规律。结果表明：好氧池的迅速启动是整个滤池启动过程的关键，缺氧池中的反硝化细菌会随着好氧池中硝化细菌的成熟而成熟。Moreno等[33]对比了DNBF在接

种类黄氢噬胞菌与接种活性污泥两种挂膜方式下，对被污染地下水的处理效果。研究发现，类黄氢噬胞菌的接种使系统更加稳定，并且具有更高的水力负荷以及表面硝化负荷率。结果表明：当被处理水作为饮用水时，接种纯净微生物会比接种活性污泥效果更好。

4 结束语

DNBF工艺具有的脱氮能力强、占地小和投资少等优点，结合其影响因素综合考虑，能够发挥出很好的污水处理性能，满足了现代污水治理技术的要求，并具有在未来进一步的发展潜力。但是在实际工程以及理论研究中，BNDF依旧存在一些问题。比如，对进水悬浮物浓度要求较高，通常需要加入预处理环节，增加了运行费用；使用传统外加碳源的投资较高，且部分具有毒性易污染环境；在反硝化菌的特性以及DNBF的处理机理方面探究的深入程度明显不足等。目前，国内对DNBF的探

究与应用情况较国外来说还略有距离。对于未来而言，DNBF的研究应该朝着组合工艺多样化发展，并且寻找出高效、经济和环保的新型碳源。

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