硝化

有些因素對硝化MBBR的性能影響很大，設(shè)計硝化MBBR時必須考慮。最重要的因素有：

（1）   有機負荷；

（2）   溶解氧濃度；

（3）   氨濃度；

（4）   污水濃度；

（5）   pH或堿度。

圖1-6說明，要在處于下游的硝化MBBR中獲得滿意的硝化率，在上游的MBBR中去除污水中的有機物是非常重要的，否則，異氧生物膜會與之競爭空間和氧，從而減少（滅絕）生物膜的硝化活性。在溶解氧成為限制性因素之前，硝化率會隨著有機負荷的降低而增加。只有氨的濃度非常低（<2mgN/l）時，可利用基質(zhì)（氨）才會成為限制性因素。由此，需要完全硝化時，氨的濃度才是個問題。此時可考慮采用2個序列反應(yīng)器，第一級反應(yīng)器受氧的限制而第二級受氨的限制。正如所有的生物處理工藝面臨的問題一樣，溫度對硝化率影響甚大，但可通過提高MBBR內(nèi)的溶解氧來緩解。當堿度降低到很低的水平時，生物膜內(nèi)的硝化率開始受到限制。以下將討論影響硝化的每一個重要因素。

在堿度和氨濃度足夠（至少剛開始足夠）時，硝化率會隨著有機負荷的減少而增加，直至溶解氧成為限制性因素。在硝化生物膜生長良好的生物膜內(nèi)，只有O2和NH₄⁺-N的比值低于2.0，溶解氧濃度將限制載體上的硝化速率。與活性污泥系統(tǒng)不同，在氧限制條件下，移動床反應(yīng)器的反應(yīng)速率與液相主體中的溶解氧濃度表現(xiàn)出線性或近似線性關(guān)系。這可能是因為：氧穿過靜止的液膜進入生物膜內(nèi)可能是限制氧傳遞的關(guān)鍵步驟。增加主體液相中的溶解氧濃度會增加生物膜內(nèi)的溶解氧濃度梯度。在較高的曝氣速率下，增加的混合能也有助于氧從主體液相向生物膜傳遞。從圖1-6（a）可以看出，如果有機負荷維持不變（比如生物膜厚度和組成不變），可預計硝化率與溶解氧濃度之間會呈現(xiàn)出線性關(guān)系。圖1-7解釋了當主體液相中的氨濃度降低到非常低的水平之前，提高主體液相中的溶解氧都有助于提高硝化率。


                                       圖1-7  氨濃度較低時溶解氧的影響
對于生長良好的“純”硝化生物膜，在O₂：NH₄⁺-N達到2~5之前，主體液相中的氨濃度不會影響反應(yīng)速率。表1-5給出了O₂：NH₄⁺-N的一些例子。
                                        表1-5  O₂：NH₄⁺-N的一些例子

參考文獻	O2：NH4+-N
Hem等（1994）	<2（氧限制） 2.7（臨界O2 濃度=9~20mg/L） 3.2（臨界O2 濃度=6mg/L） >5 (氨限制)
Bonomo等（2000）	>3~4（氨限制） <1~2（氧限制

 

設(shè)計MBBR時常以臨界值3.2為起點開始進行設(shè)計。臨界值是可調(diào)的。采用公式（1-3），利用此臨界值下的氨濃度可估計出合適的硝化率，并以此作為設(shè)計基礎(chǔ)。

r_NH3-N =k×(S_NH3-N)⁽ⁿ⁾                                        （1-3）

式中    r_NH3-N—硝化率（g r_NH3-N /(m²·d)）；

k—反應(yīng)速率常數(shù)（與地點和溫度有關(guān)）；

S_NH3-N—限制反應(yīng)速率的基質(zhì)濃度；

n—反應(yīng)級數(shù)（與地點和溫度有關(guān)）。

在給定的溶解氧濃度下，反應(yīng)速率常數(shù)（k）與生物膜厚度和限制性基質(zhì)的擴散系數(shù)有關(guān)。反應(yīng)級數(shù)（n）與毗鄰生物膜的液膜有關(guān)。當紊流劇烈、靜止液膜層比較薄時，反應(yīng)級數(shù)趨向于0.5；當紊流緩慢、靜止液膜比較厚時，反應(yīng)級數(shù)趨向1.0，此時擴散成為速率的限制性因素。

臨界值下的氨濃度（S_NH3-N）可通過臨界比和主體液相中的設(shè)計溶解氧濃度來估計，如下所示。提高主體液相中的溶解氧濃度有助于減少臨界比，但收效甚微。另外，還應(yīng)考慮這樣的情況：在某種反應(yīng)器負荷和混合條件下，異養(yǎng)菌對空間有競爭從而使氧通過生物膜上的異養(yǎng)層時減少。

（S_NH3-N）=1.72mg-N/L=(6mgO₂/L-0.5O₂/L)/3.2

               以S_NH3-N 取1.72為基礎(chǔ)，假定反應(yīng)速率常數(shù)k=0.5，反應(yīng)級數(shù)為0.7，公式（1-3）可計算如下：

r_NH3-N=0.73g/(m²·d)=0.5×1.72^0.7

當考慮溫度對硝化MBBR的影響時，有幾個因素非常重要。應(yīng)考慮到MBBR內(nèi)的污水溫度會從本質(zhì)上影響到生物硝化動力學過程；影響到基質(zhì)擴散進出生物量的速率；影響到液體的黏度，反過來可能波及到剪切能對生物膜厚度的影響。溫度對上面介紹的宏觀反應(yīng)速率的影響可用下述關(guān)系表示：

k_T2= k_T1·θ^（T2-T1）                                           (1-4)

式中    k_T1——溫度為T₁時的反應(yīng)速率常數(shù)；

                   k_T2——溫度為T₂時的反應(yīng)速率常數(shù)；    

θ——溫度系數(shù)； 

雖然冬季設(shè)計溫度下硝化動力學對溫度的依賴性會降低MBBR的硝化速率，但低溫時可觀察到載體上的生物膜濃度增加，另外可提高反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度，這都能減輕溫度對硝化速率的負影響。在污水溫度較低時，可觀察到生物量（g/m²）較高。另外，無需提高曝氣速率就可使主體液相的溶解氧濃度增加，這是因為氧在低溫液體的溶解度較高的緣故。這樣導致的最終結(jié)果是：雖然比生物膜活性（g NH₃-N/(m²·d)÷g SS/ m²）降低，但單位載體表面積的硝化活性依然可維持在較高水平。

圖1-8(a)給出了某三級硝化MBBR的生物量隨污水溫度的季節(jié)性變化。當在五月和六月間，污水溫度從〈15℃升高到〉15℃時，生物量濃度陡然下降。圖1-8（b）按照污水溫度（〈15℃和〉15℃）將數(shù)據(jù)分為兩個區(qū)。盡管在〈15℃的區(qū)域，生物膜比活性降低，但由于總的生物量濃度較高和溶解氧濃度較高（低溫下氣體溶解度升高導致的），反應(yīng)器宏觀上的性能依然很高。觀察到的這個現(xiàn)象說明在低溫條件下，盡管硝化菌生長速率下降，但由于生物膜的適應(yīng)性，載體上的宏觀表面反應(yīng)速率依然可以保持在較高的水平。

圖1-8  （a）三級硝化的MBBR中，生物量濃度和溫度的季節(jié)性變化；

                            （b）不同溫度條件的硝化活性與溶解氧濃度的關(guān)系