硝化

有些因素對(duì)硝化MBBR的性能影響很大，設(shè)計(jì)硝化MBBR時(shí)必須考慮。最重要的因素有：

（1）   有機(jī)負(fù)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(shuō)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(jī)物是非常重要的，否則，異氧生物膜會(huì)與之競(jìng)爭(zhēng)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(huì)隨著有機(jī)負(fù)荷的降低而增加。只有氨的濃度非常低（<2mgN/l）時(shí)，可利用基質(zhì)（氨）才會(huì)成為限制性因素。由此，需要完全硝化時(shí)，氨的濃度才是個(gè)問(wèn)題。此時(shí)可考慮采用2個(gè)序列反應(yīng)器，第一級(jí)反應(yīng)器受氧的限制而第二級(jí)受氨的限制。正如所有的生物處理工藝面臨的問(wèn)題一樣，溫度對(duì)硝化率影響甚大，但可通過(guò)提高M(jìn)BBR內(nèi)的溶解氧來(lái)緩解。當(dāng)堿度降低到很低的水平時(shí)，生物膜內(nèi)的硝化率開(kāi)始受到限制。以下將討論影響硝化的每一個(gè)重要因素。

在堿度和氨濃度足夠（至少剛開(kāi)始足夠）時(shí)，硝化率會(huì)隨著有機(jī)負(fù)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(zhǎng)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(dòng)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?yàn)椋貉醮┻^(guò)靜止的液膜進(jìn)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(huì)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(jī)負(fù)荷維持不變（比如生物膜厚度和組成不變），可預(yù)計(jì)硝化率與溶解氧濃度之間會(huì)呈現(xiàn)出線性關(guān)系。圖1-7解釋了當(dāng)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(shí)溶解氧的影響
對(duì)于生長(zhǎng)良好的“純”硝化生物膜，在O₂：NH₄⁺-N達(dá)到2~5之前，主體液相中的氨濃度不會(huì)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(xiàn)	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(jì)MBBR時(shí)常以臨界值3.2為起點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jì)出合適的硝化率，并以此作為設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jí)數(shù)（與地點(diǎn)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(kuò)散系數(shù)有關(guān)。反應(yīng)級(jí)數(shù)（n）與毗鄰生物膜的液膜有關(guān)。當(dāng)紊流劇烈、靜止液膜層比較薄時(shí)，反應(yīng)級(jí)數(shù)趨向于0.5；當(dāng)紊流緩慢、靜止液膜比較厚時(shí)，反應(yīng)級(jí)數(shù)趨向1.0，此時(shí)擴(kuò)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(guò)臨界比和主體液相中的設(shè)計(jì)溶解氧濃度來(lái)估計(jì)，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(fù)荷和混合條件下，異養(yǎng)菌對(duì)空間有競(jìng)爭(zhēng)從而使氧通過(guò)生物膜上的異養(yǎng)層時(shí)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(jí)數(shù)為0.7，公式（1-3）可計(jì)算如下：

r_NH3-N=0.73g/(m²·d)=0.5×1.72^0.7

當(dāng)考慮溫度對(duì)硝化MBBR的影響時(shí)，有幾個(gè)因素非常重要。應(yīng)考慮到MBBR內(nèi)的污水溫度會(huì)從本質(zhì)上影響到生物硝化動(dòng)力學(xué)過(guò)程；影響到基質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)出生物量的速率；影響到液體的黏度，反過(guò)來(lái)可能波及到剪切能對(duì)生物膜厚度的影響。溫度對(duì)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T(mén)₁時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)；

                   k_T2——溫度為T(mén)₂時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)；    

θ——溫度系數(shù)； 

雖然冬季設(shè)計(jì)溫度下硝化動(dòng)力學(xué)對(duì)溫度的依賴性會(huì)降低MBBR的硝化速率，但低溫時(shí)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(duì)硝化速率的負(fù)影響。在污水溫度較低時(shí)，可觀察到生物量（g/m²）較高。另外，無(wú)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?yàn)檠踉诘蜏匾后w的溶解度較高的緣故。這樣導(dǎo)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(jí)硝化MBBR的生物量隨污水溫度的季節(jié)性變化。當(dāng)在五月和六月間，污水溫度從〈15℃升高到〉15℃時(shí)，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(gè)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(dǎo)致的），反應(yīng)器宏觀上的性能依然很高。觀察到的這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明在低溫條件下，盡管硝化菌生長(zhǎng)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(jí)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