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。