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生物滴滤塔反硝化净化NO废气的启动

文档作者：倪建国吴成强朱润晔陈建孟文档来源：浙江工业大学生物与环境工程学院		点击数：	更新时间： 2021年05月13日
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中国环境科学 2008,28(5)：444~448 China Environmental Science
生物滴滤塔反硝化净化 NO 废气的启动
倪建国,吴成强*,朱润晔,陈建孟(浙江工业大学生物与环境工程学院,浙江杭州 310032)
摘要：采用低浓度NO 废气作为气相氮源、硝酸钠作为液相氮源,在序批式活性污泥法反应器(SBR)中的NO 反硝化菌驯化成熟的基础上,
研究了生物滴滤塔的启动过程.结果表明,在室温、NO 进气浓度(160mg/m3)、停留时间(EBRT)113s 的条件下,接种驯化成熟种污泥的生物
滴滤塔在9d 内完成挂膜.硝酸盐是影响驯化过程中NO 净化效果和N2O 产生量的重要因素,添加适量硝酸盐有助于NO 反硝化菌的正常生
长,提高NO 净化效率;但硝酸盐过多时会导致中间产物N2O 的累积.在滴滤塔挂膜启动期间,循环液吸光度、填料层压力损失与NO 净化效
率呈正相关性,可作为衡量生物滴滤塔挂膜启动完成的重要指标.
关键词：NO；N2O；生物滴滤塔；反硝化；启动
中图分类号：X701 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2008)05-0444-05
Study on start-up of biotrickling filter for nitric oxide denitrification. NI Jian-guo, WU Cheng-qiang*, ZHU Run-ye,
CHEN Jian-meng (College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou
310032, China). China Environmental Science, 2008,28(5)：444~448
Abstract：The start-up of biotrickling filter was studied with sodium nitrate and NO as the liquid-phase and gas-phase
nitrogen sources, respectively, after NO denitrifying bacteria was acclimated in the Sequence Batch Reactor (SBR). The
biofilm in the biotrickling filter became mature within 9d at room temperature with the NO inlet concentration of
160mg/m3 and the empty bed residence time (EBRT) of 113s. Nitrate was a key factor influencing NO removal and the
production of nitrous oxide (N2O). Nitrate improved the growth of NO denitrifying bacteria and increased NO removal.
Overuse of nitrate resulted in the accumulation of N2O. Absorbance of circulation liquid and pressure drop were positively
correlated with NO removal efficiency. The two parameters can thus be used as the key elements to evaluate the start-up
and completion of biotrickling filter.
Key words：NO；N2O；biotrickling filter；denitrification；start-up
氮氧化物(NOx,其中NO 占95%) 是一种主
要的大气污染物,其环境危害受到广泛关注[1].
生物滴滤处理技术逐渐成为 NOx 大气污染控
制技术研究的热点.目前,国内外研究主要集中
于NOx 硝化或反硝化过程中生物滤塔的工况、
相间传质和机理探讨[2-5].关于净化 NOx 专用
菌种的驯化筛选、生物滤塔的快速启动、反硝
化过程中 N2O 的产生规律等研究则鲜有报道.
NO溶解度低,而净化NO废气的反硝化菌来
源于废水生物脱氮工艺,所以通常是以硝酸盐作
为唯一氮源进行最初的驯化培养[6].但不同的电
子受体(NO3
-、NO2
-、NO、N2O)会影响反硝化酶
系统中不同还原酶的合成和表达,从而对反硝化
菌的种类具有选择作用.因此,为得到净化NO 废
气的专用菌种[7],实现反硝化菌在滴滤塔内的快
速挂膜启动,本研究利用废水生物脱氮工艺的活
性污泥,以硝酸钠和NO 作为氮源,采用气-液相
联合方法进行菌种驯化和滴滤塔挂膜实验,研究
驯化过程中硝酸盐对NO 净化效果和N2O 产生
规律的影响,考察了NO 净化效率、循环液吸光
度、填料压力损失等衡量生物滴滤塔挂膜启动完
成的参数.
1 材料与方法
1.1 接种污泥
污泥取自杭州四堡污水处理厂二沉池末段.
收稿日期：2007-09-03
基金项目：国家自然科学基金资助项目(20776134);浙江省自然科学
基金资助项目(Y505308, X506311)
* 责任作者, 博士, wucq@zjut.edu.cn
5 期倪建国等：生物滴滤塔反硝化净化 NO 废气的启动 445
将污泥多次淘洗后接种至 SBR 反应器内,控制有
效总体积3L,初始污泥浓度(MLSS)为3g/L.
1.2 实验装置及运行
实验装置与流程见图1.污泥驯化装置采用
SBR 反应器,材料为有机玻璃,内径100mm,高
500mm,有效容积3.5L.滴滤塔由内径40mm,总高
度1000mm 的透明有机玻璃柱制成.塔内填料采
用直径为8mm 的聚氨酯(PU)小球,填料总高度
600mm,每200mm设1 个采样口.NO 废气由高纯
NO 和高纯N2 分别经质量流量计和转子流量计
控制,在气体混合罐内配制而成.在驯化阶段,混
合废气通过驯化反应器底部的曝气头连续曝气,
使灌内菌液混合均匀,经顶部出口阀排出.在挂膜
启动阶段,采用气液逆流操作,营养液由计量泵打
到塔顶均匀向下喷淋填料,在填料层中自上而下
流动,最后进入塔底的储液槽,再由计量泵泵入塔
顶进行循环.
V2
1 2
3 4
5
13
7
·
7
6
8
9
10 11
12
14
图1 实验装置流程
Fig.1 Diagram of experimental system
1. NO 钢瓶 2. N2 钢瓶3.转子流量计 4.质量流量计 5.混合气体罐
6.营养液 7.蠕动泵 8.驯化反应器 9.排泥阀 10.计量泵
11.储液槽 12.PU 填料 13. NO/NOx 测定仪
14.尾气吸收装置
1.3 实验方法
在污泥驯化期,SBR 反应器每昼夜运行2 个
周期,每个周期12h,其中, NO 进气流量1 L/min,
营养液进水流量2 L/d,进水11h,沉淀静置50min,
排水10min.更新的营养液由蠕动泵控制流量连
续向反应器内滴加完成.驯化期间所用营养液组
成如下(mg/L):蔗糖300,KH2PO4 10,K2HPO4 10,
MgSO4·7H2O 10,FeSO4 5,CaCl2 5,Na2MoO4·2H2O
1, CuSO4 5,MnCl2 1.另外,营养液中添加硝酸钠,
其浓度根据气相中NO 浓度的变化而改变,实验
期间控制COD/TN 比值为7 左右,反应器内混合
液的pH 值维持在7~8 之间.
在挂膜启动前,将1L 驯化好的污泥和营养
液混合后接入滴滤塔内,使混合液刚好浸没整个
填料层.静置4h 后,采用计量泵将混合液在生物
滴滤塔内循环流动,促使驯化菌种在填料床上附
着生长;同时通入NO 气体,进气浓度140~
165mg/m3,进气流量0.4L/min,喷淋量0.3L/h,营养
液量1L,更新率 0.2L/d,循环液pH 值用磷酸或
NaOH 溶液控制在7.4~7.6 范围内,温度为室温.
营养液组成如下(mg/L):蔗糖500,NaNO3 205,
KH2PO4 50,K2HPO4 20, MgSO4·7H2O 10,FeSO4
5,CaCl2 5,Na2MoO4·2H2O 1,CuSO4 5,MnCl2 1.
1.4 分析方法
NO 进、出口浓度分别采用Thermo 42CHL
型NO/NO2 分析仪(范围0~2000×10-6)和42C 型
NO/NO2 分析仪 (范围0~100×10-6)测定.N2O 采
用Angilent 6890-5975 气相-质谱联用仪(GC/MS)
分析. 分析条件为色谱柱CP-PoraBond
Q(25m×320μm×5μm),进样口和柱箱温度分别为
120,35℃,载气为氦气,流速2mL/min,进样体积
400μL,分流比5:1.
NO2
-,NO3
-采用美国Dionex 公司ICS-2000
型离子色谱测定. 分析条件为色谱柱AS
19(4mm×250mm),电导检测器,进样体积25μL,柱
温和检测器温度分别为30,35℃,流量1mL/min,
淋洗液10mmol/L KOH;pH值采用WTW 330i 型
便携式pH 计测定.压力损失采用DP-2000 便携
式数字微压计测定.
2 结果与讨论
2.1 污泥驯化
以 NO 模拟废气和硝酸钠作为氮源进行污泥
驯化培养,拟得到生物法处理NO废气的专用反硝
化菌种.整个驯化实验运行79d,NO 进气浓度为
68~222mg/m3,驯化期间NO 废气净化情况见图2.
446 中国 环 境 科 学 28卷
0
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运行时间(d)
NO浓度(mg/m3)
0
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40
60
80
100
NO净化效率(%)
进气浓度净化效率
A B C A
图2 驯化期间SBR 反应器中NO 净化效率曲线
Fig.2 NO removal efficiency curve in the SBR
reactor during domestication
A: NO3
--N 负荷135.48 mg/d; B: NO3
--N 负荷
677.42 mg/d; C: NO3
--N 负荷0
由图 2 可知,在污泥驯化开始阶段,NO 净化效
率随着NO3
--N 进水负荷的增加而上升,最大值可
达到47.4%,表明反应器内的反硝化菌已经适应
气、液相底物,开始生长繁殖.当进水中停止添加
硝酸钠(以NO 为唯一氮源)时,NO 净化效率开始
明显下降,在第26d 降至最低值(11.3%).在35d 后
NO3
--N 进水负荷恢复到最初水平时,NO 净化效
率缓慢升高,最后保持在53%左右.一般认为,NO
被生物净化利用必须经历从气相到液相再到生
物相的传质过程.由于NO 较难溶解于水中,而硝
酸盐在液相中可以大量存在,因此,后者更容易作
为反硝化过程中的电子受体.停止添加硝酸盐后,
反硝化菌为维持正常的生长会增加NO 的利用效
率,以减小NO 废气对微生物的毒害作用,最终表
现为NO 净化效率的上升.由此可知,硝酸盐是影
响NO净化效率的重要因素,在反硝化菌的耐受范
围内,适当增加硝酸盐的浓度有利于反硝化菌的
生长,提高NO 废气的净化效率.
N2O 是NO 反硝化过程中重要的气态中间
产物,在条件控制不合理时,N2O 会累积而形成二
次污染.由图3 可知,在前16d,出水NO3
--N、
NO2
--N 浓度都在0.2mg/L 以下;N2O 浓度在第
6d 从0.01mg/m3 开始上升并稳定在
3.1~3.7mg/m3.这说明在驯化开始阶段液相中硝
酸盐已被微生物完全利用.当进水NO3
--N 浓度
增加或减少时,出水中NO3
--N、NO2
--N 浓度分
别在第18~22d 和第36~51d 两个时间段内出现
累积现象,而N2O 浓度变化的趋势与NO3
--N、
NO2
--N 浓度变化的趋势基本一致,在第23d 达到
峰值(23.79mg/m3).由此可见,当进水NO3
--N 负
荷改变时,N2O 产生量与出水中NO3
--N 和
NO2
--N 浓度呈正相关,过多的硝酸盐会对NO 的
反硝化途径产生负面影响,导致中间产物N2O 累
积[8].PARK 等[9]在研究废水生物脱氮过程中也报
道了类似的现象.而当反应器停止添加硝酸钠
时,N2O 产生量突然增加,通过减小碳源浓度和重
新调节pH 值,N2O 浓度随即下降,最终稳定在
3.5mg/m3 左右.这可能由于此时系统内微生物以
NO 作为唯一氮源,消耗的氮源和碳源明显减少,
多余的蔗糖部分被厌氧水解为小分子的有机酸
(乙酸、甲酸等),pH 值下降至6.5,抑制了N2O 还
原酶的活性[10].
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160
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0 10 20 30 40 50 60 70 80
运行时间(d)
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20
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A BC A
NO2
--N
NO3
--N
N2O
N2O(mg/m3)
NO2
--N、NO3
--N(mg/L)
图3 驯化期间NO3
--N、NO2
--N、N2O 浓度的变化
Fig.3 Variations of nitrate, nitrite, nitrous oxide
concentration in the SBR reactor
during domestication
注同图2
2.2 生物滴滤塔挂膜启动
目前生物滴滤塔普遍采用的是浸没式接种
曝气挂膜法,挂膜完成时间一般为30~40d[2,11].气
液相联合挂膜法具有接种速度快、对气态污染物
适应性强的等优点[12].根据上述驯化实验结果,
本实验采用以硝酸钠为液相氮源、NO 为气相氮
源的气液相联合挂膜启动方法.
2.2.1 塔内NO净化及成膜情况 NO净化效率
是直接体现滴滤塔净化性能的指标,也是说明挂
5 期倪建国等：生物滴滤塔反硝化净化 NO 废气的启动 447
膜启动完成的关键指标.从图4a 可见,在挂膜第
1d,NO 的净化效率为30.6%,这主要因为驯化成
熟的污泥能够在塔内迅速进行反硝化作用;NO
净化效率在前3d 几乎呈线性增长,之后增幅逐渐
减小,9d 后保持在98%以上.这说明此期间填料
上附着的反硝化菌随着挂膜时间的延长开始大
量生长繁殖并最终趋于稳定,此时滴滤塔的挂膜
启动基本完成.
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90
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0 2 4 6 8 10 12 14
NO 净化效率(%)
a
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0.04
0.08
0.12
0.16
0 2 4 6 8 10 12 14
OD600nm
b
OD600nm
0
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30
45
60
0 2 4 6 8 10 12 14
挂膜时间(d)
压力损失(Pa)
c
图4 挂膜期间NO 净化效率、循环液吸光度、
压力损失的变化
Fig.4 Variations in NO removal efficiency, OD600nm of
circulation liquid and pressure drop in the
biotrickling filter during its start-up
循环液吸光度(OD600nm)和压力损失,可以间
接反映滴滤塔内的微生物生长和挂膜情况.结果
表明,循环液OD600nm 值和填料压力损失变化趋
势与NO 净化效率的变化趋势非常相似,呈一定
的正相关性,证实了生物滴滤塔挂膜启动可以在
9d 内完成(图4b,图4c).
比较上述3 个参数在挂膜时期的变化规律
可以发现,其3 个变化阶段分别对应了生物膜生
长的成膜期、膜生长期和稳定期[13];但是循环液
OD600nm 值和填料压力损失与NO 净化效率变化
相比有3~5d 滞后.微生物的生长并不完全表现为
生物膜增厚,部分死亡脱落的微生物也会影响循
环液中吸光度值的大小.陈建孟等[5]也报道了在
挂膜过程中压力损失相对于NO 的净化效率有
滞后的现象.
2.2.2 N2O 的产生挂膜期间N2O 和液相中含
氮化合物的变化情况见图5.
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0.5
1.0
1.5
2.0
0 2 4 6 8 10 12
挂膜时间(d)
0
1
2
3
4
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NO3
--N
NO2
--N
N2O
N2O 浓度(mg/m3)
NO2
--N、NO3
--N(mg/L)
图5 滤塔中NO3
--N、NO2
--N、N2O 浓度的变化
Fig.5 Variations of nitrate, nitrite, nitrous oxide
concentration in the biotrickling filter
during its start-up
在挂膜初期塔内生物量较少,硝酸盐未被完全
还原;在挂膜前6d,随着填料上微生物不断生长繁
殖、生物量的增加,循环液中NO3
--N 浓度迅速降
低,此时,N2O浓度先增加,第2d 迅速降低,最后则几
乎检测不到.这表明在该实验条件下气液相中的氮
源被塔内微生物完全利用,反硝化作用比较彻底.
与污泥驯化阶段的净化效果相比,在滴滤塔内的净
化效率较高,N2O 的产生量也更小.这主要由于在
SBR 反应器内采用曝气形式,气体停留时间较短,
产生的N2O 未能及时被还原为N2;在滴滤塔内,生
长在填料上的反硝化菌则能够充分利用上升气流
中的NO 和N2O,顺利实现完全反硝化.
448 中国 环 境 科 学 28卷
3 结论
3.1 采用以低浓度NO 废气为气相氮源、硝酸
盐为液相氮源的气液相联合方法进行的污泥驯
化和滴滤塔挂膜实验,接种驯化成熟种污泥的生
物滴滤塔在9d 内完成挂膜.
3.2 硝酸盐是影响驯化过程中NO 净化效果和
N2O 产生量的重要因素.添加适量的硝酸盐有助
于 NO 反硝化菌的正常生长,提高NO 的净化效
率,但是过多的硝酸盐会对NO 脱氮途径产生负
面影响,导致中间产物N2O 的积累.
3.3 在滴滤塔挂膜启动期,循环液吸光度、填料
层压力损失与NO 净化效率呈正相关性,可以作
为衡量滴滤塔挂膜启动完成的重要指标.
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作者简介：倪建国(1982-),男,浙江萧山人,浙江工业大学硕士研究
生, 主要从事环境生物技术研究.发表论文2 篇.
从 藻 类 生 产 生 物 燃 料
美国能源部(DOE)的国立可再生能源研究所(NREL)和谢夫隆(Chevron)石油公司决定共同进行一项研究和开发项目,
研究从藻类生产液体运输燃料的先进技术.该项协议实际上是重启一项NREL的研究和开发项目,旨在研究从藻类生产生
物燃料的潜在可能性.NREL 的国立生物能源中心的Al Darzins 说,在进行了20 年工作后,该项目于1996 年被取消.
Darzinsr 指出,在20 世纪90 年代中期,从藻类制造生物燃料不能和相对便宜的石油竞争,但是藻类仍然是一种有
前途的生物燃料原料,国为有些藻类本身含油量较高,数量多而且生长迅速.现在重新启动的项目的重点将是批量规
模研究藻类的化学和生物学,使其含油量增大、生长更快,而且控制生产费用.NREL 还有另外一个研究项目,是研究
使藻类在强光照射和富含二氧化碳的环境中生产氢.
谢夫隆公司的副总裁和首席技术官员Don Paul 认为,这是克服从非常规原料生产高品质运输燃料的技术和商
业挑战的基础项目.Paul 还说谢夫隆公司认为非粮食作物类原料如藻类和纤维素有良好的前景,可以扩大当前生物
燃料工业的规模.谢夫隆公司将无条件资助这一倡议.
5 期倪建国等：生物滴滤塔反硝化净化 NO 废气的启动 449
江 刚 摘自《Chemical &amp;amp; Engineering News》November 12,15(2007)

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