MBBR系统中的硝化反应

硝化

有些因素对硝化MBBR的性能影响很大，设计硝化MBBR时必须考虑。最重要的因素有：

（1）   有机负荷；

（2）   溶解氧浓度；

（3）   氨浓度；

（4）   污水浓度；

（5）   pH或碱度。

图1-6说明，要在处于下游的硝化MBBR中获得满意的硝化率，在上游的MBBR中去除污水中的有机物是非常重要的，否则，异氧生物膜会与之竞争空间和氧，从而减少（灭绝）生物膜的硝化活性。在溶解氧成为限制性因素之前，硝化率会随着有机负荷的降低而增加。只有氨的浓度非常低（<2mgN/l）时，可利用基质（氨）才会成为限制性因素。由此，需要完全硝化时，氨的浓度才是个问题。此时可考虑采用2个序列反应器，第一级反应器受氧的限制而第二级受氨的限制。正如所有的生物处理工艺面临的问题一样，温度对硝化率影响甚大，但可通过提高MBBR内的溶解氧来缓解。当碱度降低到很低的水平时，生物膜内的硝化率开始受到限制。以下将讨论影响硝化的每一个重要因素。

在碱度和氨浓度足够（至少刚开始足够）时，硝化率会随着有机负荷的减少而增加，直至溶解氧成为限制性因素。在硝化生物膜生长良好的生物膜内，只有O2和NH₄⁺-N的比值低于2.0，溶解氧浓度将限制载体上的硝化速率。与活性污泥系统不同，在氧限制条件下，移动床反应器的反应速率与液相主体中的溶解氧浓度表现出线性或近似线性关系。这可能是因为：氧穿过静止的液膜进入生物膜内可能是限制氧传递的关键步骤。增加主体液相中的溶解氧浓度会增加生物膜内的溶解氧浓度梯度。在较高的曝气速率下，增加的混合能也有助于氧从主体液相向生物膜传递。从图1-6（a）可以看出，如果有机负荷维持不变（比如生物膜厚度和组成不变），可预计硝化率与溶解氧浓度之间会呈现出线性关系。图1-7解释了当主体液相中的氨浓度降低到非常低的水平之前，提高主体液相中的溶解氧都有助于提高硝化率。


                                       图1-7  氨浓度较低时溶解氧的影响
对于生长良好的“纯”硝化生物膜，在O₂：NH₄⁺-N达到2~5之前，主体液相中的氨浓度不会影响反应速率。表1-5给出了O₂：NH₄⁺-N的一些例子。
                                        表1-5  O₂：NH₄⁺-N的一些例子

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

 

设计MBBR时常以临界值3.2为起点开始进行设计。临界值是可调的。采用公式（1-3），利用此临界值下的氨浓度可估计出合适的硝化率，并以此作为设计基础。

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—反应速率常数（与地点和温度有关）；

S_NH3-N—限制反应速率的基质浓度；

n—反应级数（与地点和温度有关）。

在给定的溶解氧浓度下，反应速率常数（k）与生物膜厚度和限制性基质的扩散系数有关。反应级数（n）与毗邻生物膜的液膜有关。当紊流剧烈、静止液膜层比较薄时，反应级数趋向于0.5；当紊流缓慢、静止液膜比较厚时，反应级数趋向1.0，此时扩散成为速率的限制性因素。

临界值下的氨浓度（S_NH3-N）可通过临界比和主体液相中的设计溶解氧浓度来估计，如下所示。提高主体液相中的溶解氧浓度有助于减少临界比，但收效甚微。另外，还应考虑这样的情况：在某种反应器负荷和混合条件下，异养菌对空间有竞争从而使氧通过生物膜上的异养层时减少。

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

               以S_NH3-N 取1.72为基础，假定反应速率常数k=0.5，反应级数为0.7，公式（1-3）可计算如下：

r_NH3-N=0.73g/(m²·d)=0.5×1.72^0.7

当考虑温度对硝化MBBR的影响时，有几个因素非常重要。应考虑到MBBR内的污水温度会从本质上影响到生物硝化动力学过程；影响到基质扩散进出生物量的速率；影响到液体的黏度，反过来可能波及到剪切能对生物膜厚度的影响。温度对上面介绍的宏观反应速率的影响可用下述关系表示：

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

式中    k_T1——温度为T₁时的反应速率常数；

                   k_T2——温度为T₂时的反应速率常数；    

θ——温度系数； 

虽然冬季设计温度下硝化动力学对温度的依赖性会降低MBBR的硝化速率，但低温时可观察到载体上的生物膜浓度增加，另外可提高反应器内的溶解氧浓度，这都能减轻温度对硝化速率的负影响。在污水温度较低时，可观察到生物量（g/m²）较高。另外，无需提高曝气速率就可使主体液相的溶解氧浓度增加，这是因为氧在低温液体的溶解度较高的缘故。这样导致的最终结果是：虽然比生物膜活性（g NH₃-N/(m²·d)÷g SS/ m²）降低，但单位载体表面积的硝化活性依然可维持在较高水平。

图1-8(a)给出了某三级硝化MBBR的生物量随污水温度的季节性变化。当在五月和六月间，污水温度从〈15℃升高到〉15℃时，生物量浓度陡然下降。图1-8（b）按照污水温度（〈15℃和〉15℃）将数据分为两个区。尽管在〈15℃的区域，生物膜比活性降低，但由于总的生物量浓度较高和溶解氧浓度较高（低温下气体溶解度升高导致的），反应器宏观上的性能依然很高。观察到的这个现象说明在低温条件下，尽管硝化菌生长速率下降，但由于生物膜的适应性，载体上的宏观表面反应速率依然可以保持在较高的水平。

图1-8  （a）三级硝化的MBBR中，生物量浓度和温度的季节性变化；

                            （b）不同温度条件的硝化活性与溶解氧浓度的关系