反硝化生物滤池(DNBF)集污水生物处理与深层过滤于一身，体现了现代水处理工艺向复合、集成化发展的趋势，具有活性污泥法不可比拟的优势。其原理是利用反应器内部填料及生物膜的截留吸附作用、生物膜氧化作用、生物膜内部微环境和缺氧反硝化作用，来达到脱氮目的[1, 2]。DNBF内部常采用的接触填料是玻璃钢或塑料填料，表面光滑，生物膜附着力差、易老化，实际应用中容易产生不同程度的填料堵塞[3]。这些传统接触填料存在的缺陷限制了DNBF在污水处理中的应用，因此对其填料进行开发仍是重要方向。笔者采用新型SDC填料[4]用于DNBF中，该填料具有生物膜附着能力强、比表面积及孔隙度大、不易堵塞、亲水性好等特点，通过试验考察了不同水力负荷下SDC型填料DNBF对污水厂出水的脱氮效果。
1 材料与方法
1.1 填料
试验所用填料为SDC-3(六棱柱状，多孔结构，高10 mm)，是由天然高分子材料(甘蔗渣)对不可降解的聚烯烃塑料进行改性而制得的可降解塑料生物膜载体。
1.2 试验装置
DNBF由300 mm×300 mm×600 mm的矩形有机玻璃制成，底部设有进水口和反冲洗曝气管，曝气区高80 mm，填料高320 mm，清水区高200 mm，生物滤池采用上向流设计，进水通过循环水泵从生物滤池底部进水管流入，经过填料，从上部溢流口流出，如图1所示。
图1 试验装置
1.3 试验水质
试验采用包头市某污水处理厂的二级出水为原水，试验期间污水厂进行了技术改造和检修，主要水质情况如表1所示。
试验期间COD、NH4++-N、NO3--N、NO2--N、TN等均采用标准方法测定[5]。
1.4 试验方法
系统稳定运行后，由于进水有机物含量低，不能保证反硝化所需要的碳源量，投加乙醇作碳源。采用蠕动泵连续进水，调节转速控制进水流量，进而调节水力负荷。蠕动泵管道中微生物繁殖会造成流量在额定转速下有所降低，故选定的水力负荷会略有波动，试验中选取平均值，4组水力负荷平均值分别为0.015、0.025、0.035、0.045 m3/(m2·h)。选择逐次增加0.01 m3/(m2·h)的方式，保持每组水力负荷下运行6~8 d，其他运行参数不变，试验期间水温范围20.3~26.34 ℃，平均温度为22.75 ℃。
2 结果与分析
2.1 氨氮变化
氨氮的去除一般由硝化作用完成，即好氧状态下硝化细菌将氨氮转化为硝酸盐。不同水力负荷下DNBF对氨氮的去除效果见图2。
图2 氨氮随时间的变化情况
由图2可知，不同水力负荷阶段氨氮的去除率都不是很高，其根本原因是硝化细菌是好氧型自养细菌，而DNBF长期处于缺氧状态，且持续投加的碳源会对硝化细菌有一定的抑制作用[6]，故硝化作用在反应器内几乎没有发生。氨氮在0.015、0.025m3/(m2·h)的水力负荷下平均去除率为21.30%，仅凭反硝化细菌的同化反硝化[7]很难达到此去除率，而传统的脱氮理论又难以解释此结果，笔者推测系统内可能存在厌氧氨氧化细菌，发生了以No2--N为电子受体氧化NH4+-N为N2的生物过程[8, 9]。随着水力负荷的增加，水流与填料接触时间变短，且随水流入的少部分溶解氧限制了厌氧兼氧菌群的活性，氨氮的平均去除率降低到8.68%。
2.2 硝态氮和亚硝态氮的变化
不同水力负荷条件下，DNBF进、出水的硝态氮和亚硝态氮变化如图3、图4所示。
图3 硝态氮随时间的变化情况
图4 亚硝态氮随时间的变化情况
从图3、图4可知在0.015 m3/(m2·h)的水力负荷下，DNBF对硝态氮有较好的去除效果。在此水力负荷下，进水硝态氮在16.64~21.38 mg/L波动时，出水硝态氮≤1 mg/L，且出水亚硝态氮低于进水亚硝态氮，没有出现亚硝态氮的积累。随着水力负荷的提高，硝态氮去除效果变差。当进水负荷为0.025 m3/(m2·h)时，硝态氮出水平均质量浓度为3.46 mg/L，试验第13天出现了一个出水硝态氮偏高的特殊点，硝态氮去除率仅为23.55%，结合当天的COD变化情况，分析认为是加药泵出现故障使得进水没有加入乙醇，从而导致反硝化所需碳源不足，造成出水硝态氮突然升高。
由图4可知，当水力负荷增至0.025 m3/(m2·h)时，试验第7天出水亚硝态氮升高，质量浓度为1.41 mg/L，出现了短暂的积累，之后降低到0.19 mg/L，并稳定在0.18~0.48 mg/L。出现亚硝态氮短暂积累的原因可能是提高水力负荷后，反硝化细菌中的硝态氮还原酶较亚硝态氮还原酶的生物活性较高，硝态氮的还原占主导地位，因此提高水力负荷初期产生了亚硝态氮的短暂积累[10, 11]，增大水力负荷后的第2天积累消失。
在0.035 m3/(m2·h)的水力负荷下，出水硝态氮升高，进、出水硝态氮平均分别为20~25.08、4.21 mg/L，平均去除率为79.38%。此时出水亚硝态氮迅速升高并出现持续积累，这是由于水力负荷的增加使反硝化反应时间缩短。M. I. M. Soares等[12]认为提高水力负荷会引起出水中亚硝酸盐氮的积累。继续提高水力负荷至 0.045 m3/(m2·h)，出水硝态氮增加，此时系统对硝态氮的平均去除率仅为62.94% 。从图4可知，随着水力负荷的增大，出水亚硝态氮继续升高，累积量增加。在此水力负荷下测得进水溶解氧为0.5~0.7 mg/L，出水溶解氧为0.1~0.15 mg/L。有研究表明[13]，当进水溶解氧<0.5 mg/L、出水溶解氧为0.05 mg/L时，不会造成亚硝态氮的累积。此时造成亚硝态氮累积的因素不仅是水力负荷，滤速的提高使更多的氧气进入反应器，溶解氧增加抑制了反硝化菌还原硝态氮的酶的合成反应，同时会抑制硝酸盐氮和亚硝酸氮还原酶的活性，而亚硝态氮还原酶受溶解氧的抑制作用要大于硝酸盐氮还原酶，所以当溶解氧存在时会发生No2--N的积累[14]，水力负荷的提高和溶解氧的增大共同造成了亚硝态氮的积累。
由此可见，在实验装置滤层高度为320 mm范围内，水力负荷在0.015、0.025 m3/(m2·h)时，系统可以承受的硝态氮负荷平均分别为0.023、0.036 kg/(m3·d)。
2.3 总氮的变化
不同水力负荷下DNBF对总氮的去除效果如图5所示。
图5 总氮随时间的变化情况
由图5可知，当水力负荷为0.015、0.025 m3/(m2·h)时，出水总氮平均分别为7.14、9.59 mg/L，平均去除率分别为74.60%、68.78%，在上述水力负荷下，总氮排放量满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A排放标准要求。当水力负荷控制在0.045 m3/(m2·h) 时，出水总氮普遍偏高，平均为23.69 mg/L，原因可能是水力负荷越大，进水和滤料的接触时间越短，对滤料表面的冲刷力度也就越大，导致处理效果变差。
3 结论
(1)提高水力负荷不仅会降低硝态氮的去除率，同时也会累积反硝化中间产物。
(2)反硝化生物滤池(DNBF)对水力负荷有一定的承受能力，控制水力负荷为0.015、0.025 m3/(m2·h)时，滤层高度为320 mm的反应器能够承受0.023、0.036 kg/(m3·d)的硝态氮负荷。
(3)当水力负荷保持在0.015、0.025 m3/(m2·h)时，出水硝态氮及总氮平均分别为0.56、7.14 mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级A标准对总氮<15 mg/L的要求。