一种移动床生物膜反应器（MBBR）的设计与运营（下）

3. 硝化作用

卡德纳斯移动床生物膜反应器中的硝化作用已通过合成废水和城市废水进行了深入研究。与其他所有生物膜反应器一样，硝化速率会受到有机负荷和反应器中溶解氧（DO值），总氨氮浓度，pH值，总碱度以及留存生物膜的影响。

当反应温度在15℃以及过量氨氮存在的条件下，水体中总氨氮（TAN）去除率、反应器溶解氧（DO）浓度与有机负荷之间的关系如图2所示。在BOD5为1g/(m2· d）的条件下，溶解氧浓度约为5mg/L时，总氨氮去除率达到1g/（m2·d）。为了在BOD5为3g/（m2·d）的情况下达到相同的总氨氮去除率，图2显示反应器必须在溶解氧浓度约为8mg/L的条件下运行。

 

图2. 15℃时，总氨氮（TAN）过量（> 2.5 mg /L）条件下，卡德纳斯移动床生物膜反应器中，总氨氮去除率受有机负荷和反应器溶解氧浓度的影响示意图

由于生物膜的扩散效应，硝化速率非常依赖于总氨氮（TAN）浓度和溶解氧(DO值)。通常情况下，在高TAN浓度下，氧将是限制速率的底物，而在低TAN浓度下，TAN将是限制速率的底物。  

图3显示了不同溶解氧浓度下，15℃下低有机负荷的移动床生物膜反应器中总氨氮去除率与总氨氮浓度的关系。曲线表明，当反应器中的溶解氧浓度为2mg/L时，总氨氮浓度约为0.5mg/L时，从总氨氮限制向溶解氧限制的过渡。在反应器溶解氧浓度为6mg/L时，总氨氮限制向溶解氧限制的转变发生的总氨氮浓度为1.7mg /L。

 

图3. 15℃和0.4克BOD5/(m2·d)有机负荷下，卡德纳斯移动床生物膜反应器（MBBR）中TAN和DO浓度对TAN去除率的影响示意图。

硝化细菌是生长缓慢的生物体，在生物膜反应器中达到完全硝化潜力需要很长时间。即使在市政污水处理厂中，水体氨氮浓度高于鱼塘中常见的浓度，经过一年的运行后硝化率仍会继续增加。有研究证明，移动床生物膜反应器中的固有反应速率不仅受当前浓度和负荷的影响，还受生物膜历史的影响。当生物膜适应于高TAN负荷时，其反应速率常数比生物膜适应于低TAN负荷时的反应速率常数高两倍以上。

当有机物和/或颗粒物负荷增加到移动床生物膜反应器时，反应速率会降低，因为这两个因素都会降低生物膜中硝化细菌的浓度。在低碱度下，由于生物膜内pH值降低，反应速率也会降低。试验表明，对于厚生物膜而言，比薄生物膜需要更高的剩余碱度。一般认为相比厚生物膜滤材，薄生物膜硝化部分的pH值降低幅度较小，对薄生物膜滤材而言，最大硝化率出现在碱度为0.7 mmol/L。

4. 脱氮

针对从内部及外部补充碳源，对移动床生物反应器（MBBR）脱氮效率的影响已经进行了大量测试。碳源供应不足的系统中，通常会将部分硝酸盐（NO3-N）还原为亚硝酸盐（NO2-N），而不是全部还原为氮气（N2）气体。由于亚硝态氮（NO2-N）对鱼类具有高度毒性，因此通过使用添加外部碳源来降低亚硝态氮（NO2-N）的浓度至关重要。

图4显示了当硝酸盐浓度不构成限制性速率时，三种不同外部碳源在移动床生物反应器（MBBR）中的反硝化速率。试验表明，添加甲醇和单丙二醇（MPG）最终反硝化速率类似，使用乙醇可将反硝化速率提高一倍。不过由于成本极低，甲醇是最常用的外部碳源。然而，由于只有少数细菌可以利用甲醇，并且需要时间来丰富这种细菌群，因此启动一个以甲醇为碳源的反硝化反应器需要很长时间。由于启动时间明显较短且反硝化速率更高，乙醇可能是鱼类养殖中反硝化最佳的外源性碳源。

 

图4.不同外部碳源下得到的脱氮速率与温度的关系

三、淡水养殖大西洋鲑鱼苗应用的移动床生物反应器（MBBRs)

有学者密切关注了大西洋鲑鱼幼鱼生产应用的性能。图5显示了这个工厂的启动结果。移动床生物膜反应器（MBBR）以全新的生物膜载体启动，这些载体之前既没有接触鱼饲料或总碱性氮（TAN），也没有接种硝化细菌。只有当系统在低负荷下启动，鱼池中鱼类密度较低时，这种方法才能有效。否则，可能出现与高亚硝酸盐而毒害鱼苗的情况。MBBR的空床水力停留时间（HRT）约为2.5分钟，反应器中Kaldnes K1型生物膜载体的填充率为70%。

 

图5.淡水养殖大西洋鲑鱼苗过程中，移动床生物膜系统TAN去除率、亚硝酸盐浓度和pH值。（反应温度为12.6±1.2 8C，溶解氧为8.7± 1.5 mg/L）

该系统在10°C的温度下启动，但一周内温度稳定在12-13°C左右。在前60天里，总氨氮（TAN）负荷较低，TAN去除率在运行两周后达到约0.1g/（m2·d）。在前60天内，亚硝酸盐浓度主要低于（NO2-N）0.05mg/L，除了早期有一个非常高的亚硝酸盐读数。另外，pH值在5.4至6.0之间，明显低于硝化细菌的最佳pH范围。

随着TAN负荷的增加，在运行约125天后，TAN去除率达到0.4-0.5g/(m2· d)。系统出现不稳定，从图5中可以看出，亚硝酸盐（NO2-N）在0.2-0.6mg/L范围内频繁波动。这种高浓度且频繁波动的亚硝酸（NO2-N）盐浓度可以由pH值、总碱度负荷的快速变化以及一些快速的温度波动来解释。

在图5所示的周期结束时，温度在两天内几次下降了6-7摄氏度。当pH值突然降至4.6时，观察到亚硝酸盐最高值为0.6mg/L。这些结果正好也强调了pH控制、温度控制和总碱度负荷的缓慢变化的重要性，各项指标控制在合适范围内，可以使系统中的亚硝酸盐浓度极低。

据报道，在14°C和pH值为6.8的条件下，浸没式生物滤器（随机生物膜介质）的最大TAN去除率可达到0.18g /（m?·d），这是在一家大西洋鲑鱼苗养殖场中测得的。与图5中所示的MBBR的TAN去除率相比，考虑到MBBR系统中pH值很低且温度略低，其去除率却出奇地高。

四、MBBRs用于淡水养殖大西洋鲑鱼和北极红点鲑幼苗的应用

一个用于养殖大西洋鲑鱼（Salmo trutta L）和北极红点鲑（Salvelinus alpinus）幼鱼的生物滤池系统在三年内进行了监测。图6显示了3号和4号养殖鱼缸中TAN去除率与TAN负荷的关系。

 

图6.移动生物床膜系统在养殖大西洋鲑和北极鱼时TAN负荷和去除率。（温度8.6±0.8 ℃，溶解氧为9.7±1.0 mg/L，pH值为6.2±0.2）

两套系统都是直接伴随投放鱼苗直接启动，并没有提前进行生物膜培养或者进行总氮调节。在总氨氮（TAN）负荷为0.45g/（m2·d），温度为9℃时，最大TAN去除率达到0.30g/（m2·d）。移动床生物膜反应器（MBBRs）的空床停留时间约为3.5分钟，每个反应器中Kaldnes K1型生物膜载体填充率为67%。平均pH值为6.2，明显低于硝化细菌的最佳范围。然而，由于自动添加碳酸钠（Na2CO3），系统中的pH值保持相对稳定。

图6中总氨氮去除率接近零的数据来自启动初期，如图7中鱼缸所示。在平均温度约8℃的条件下，该系统中亚硝酸盐峰值出现在启动后20至50天。然而，由于初始鱼群密度低至15 kg/m3，启动期间的亚硝酸盐峰值从未超过0.17 mg /L，且鱼没有出现明显应激症状。运行超过3个月后，亚硝酸盐浓度峰值为0.14 mg /L可解释为总氨氮负荷和总氨氮去除率突然加倍所致。在这种情况下，硝化系统的状态远非最佳稳定状态，往往会出现亚硝酸盐浓度升高的情况。

 

图7. 移动床生物膜系统在养殖鲑鱼和北极红点鲑幼鱼时总氨氮去除率和亚硝酸盐浓度。（温度为8.5±0.8℃，溶解氧为9.4±1.0mg/L，pH值为6.2±0.2）

五、MBBRs应用在海水养殖大菱鲆的研究

MBBRs的实验室规模测试和全规模测试已在西班牙和葡萄牙商业陆基大菱鲆养殖场进行应用。西班牙的养殖场有两个并联的移动床生物膜反应器（MBBR），总水体体积为600立方米，水深5.0米，填充了50%的Kaldnes K1型生物膜载体。该养殖场的盐度为24%。葡萄牙的养殖场有两个生物过滤器。生物过滤器1有四个串联的反应器，生物过滤器2有三个串联的反应器。每个反应器水体体积为33立方米，水深3.0米，填充了55%至72%的Kaldnes K1型载体。葡萄牙养殖场的盐度在21%至24%之间变化。

1. 基准测试

2001年3月，对从西班牙两个生物滤池反应器以及葡萄牙生物滤池1号反应器中取出的生物膜载体进行了硝化试验。这两个工厂都以低负荷启动，使用全新的生物膜载体。西班牙的生物滤池已运行4个月，而葡萄牙的生物滤池已运行约2年。在实验室规模的反应器中，加入氨氮以观察在生物膜载体上现有的硝化生物质可获得的最大总氨氮去除率。结果总结在表1中。西班牙养殖场的生物膜载体适应于0.1mg/L或以下的浓度，而葡萄牙养殖场的生物膜载体来自一个全规模反应器，其浓度通常在0.4至0.6 mg NH4-N/L之间。除了西班牙工厂启动时间相对较短外，硝化细菌所暴露的氨氮浓度差异也导致了最大潜在总氨氮去除率，葡萄牙养殖场的生物膜载体的去除率比西班牙的高出10倍以上。

 

表1.在以鱼场生物膜载体为基的移动床生物膜反应器（MBBRs）中，当氨氮浓度过高时，脱氮率。

在西班牙和葡萄牙的养殖场中，由于硝化作用以及系统中新水添加量极低，不添加碱性化学品，水中的pH值和碱度会下降。人们很感兴趣地看到pH值和碱度如何影响总氨氮的去除。因此，在葡萄牙鱼场的生物过滤器2号反应器1中取生物膜载体进行了一次实验室规模的实验。该测试的结果如图8所示。从pH 7.3和碱度为2.3 mmol/L降至pH 6.7和碱度为1.1-1.2 mmol/L时，硝化速率下降到原来的二分之一。在循环利用程度非常高得工厂中，对pH值和碱度的控制是提升硝化速率很好的方法。