随着我国水体富营养化问题的日趋严重以及污水排放标准的提升，氮的去除成为水处理领域关注的重点问题之一。工业生产中含高浓度硝酸盐废水的排放，进一步导致氮自然循环的严重破坏。硝酸盐可被还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐会造成高铁血红蛋白症，甚至会诱发癌症，对人体造成危害。水中过高浓度的硝酸盐还可导致温室气体N2O的产生。
目前去除水中硝酸盐的方法主要有化学还原、反渗透、电渗析、离子交换、生物反硝化等。化学还原法可分为活泼金属还原法和催化还原法。前者以铁、铝、锌等金属单质为还原剂，处理效果较差，且有亚硝酸盐生成;后者以氢气及甲酸、甲醇等为还原剂，一般需有催化剂存在，成本较高，且氢气应用过程中存在保障危险。反渗透、电渗析、离子交换等方法虽可有效去除水中的硝酸盐，但成本较高，且会产生大量废水。生物反硝化方法是目前已投入实用的较好方法，具有高效低耗的特点。但传统的反硝化技术受废水浓度和负荷的限制难以处理高浓度硝酸盐废水。
缺氧膨胀床(AEB)反应器是一种新型的强化生物反硝化技术，是固体颗粒流态化技术在废水处理中的应用，其载体粒径小，比表面积大，具有较高的生物浓度。当载体粒子流化时，废水与微生物接触面积大，且二者相对运动速度大，减少了液膜传质阻力，故生物膜活性高，从而可在确保硝酸盐及总氮去除效果的同时，提高反应器处理负荷并有效降低运行维护费用。
本研究采用AEB反应器处理高浓度硝酸盐废水，研究了反应器的快速启动和挂膜特性，以及在反硝化连续流运行条件下对硝酸盐废水的处理效果。
1、实验部分
1.1 材料、试剂和仪器
实验用水为模拟废水，采用人工配水，由甲醇、硝酸钠、KH2PO4、尿素按一定比例配制，甲醇作为反硝化碳源，进水COD约为6000mg/L，ρ(NO3--N)约为1500mg/L，用NaOH调节pH为6左右。
填料采用果壳填料(河南某净水材料公司)，粒径2.5~3.0mm，堆密度0.850g/cm3，空隙率47%，密度1.604g/cm3。
实验用试剂均为分析纯。
METTLERSG-98型实验室pH计;OlympusBX-53型显微镜;UV-265型紫外-可见分光光度计。
1.2 实验装置
实验装置如图1所示。AEB：自制，主体部分为有机玻璃材质，有效容积5.6L，反应区内径6cm、高95cm，上部三相分离区内径15cm、高20cm，填料填充率为反应区的60%。反应器出水区顶部周边设置集水槽，集水槽侧壁安装溢流堰;在出水区上部侧壁设置与集水槽联通的出水口，出水区设置出水滤网，防止填料流失;在出水区下部侧壁设置排泥口，正常情况下，污泥随出水排出系统;通过夹套内热水循环调控反应区温度，以使其保持在适合反硝化反应的温度范围内。
1.3 实验方法
废水通过进水泵由底部进入AEB，处理后出水从AEB上端出水口排出，部分出水通过循环泵回流至AEB使填料床层膨胀，其余出水排出系统。废水进入AEB运行1d后即有产气现象，随着废水进水量的逐渐增加(由5L/d增至10L/d)，运行7d左右AEB内填料挂膜，同时填料床层内产生较多气泡，说明填料层较易挂膜。AEB在8d内完成快速启动，第9d进入稳定运行期。两天取1次进出水水样进行分析。
1.4 分析方法
采用重铬酸钾法测定COD211-213;采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定TN255-257;采用酚二磺酸光度法测定ρ(NO3--N)259-261;采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定ρ(NO2--N)271-274。
2、结果与讨论
2.1 填料层的挂膜特性
研究发现，当填料层膨胀率较低时易形成沟流，它的产生使生物膜受到的剪切力增加;同时反应器床层中出现“流动死区”，该区域内载体生物膜上产生的气泡快速上升，气泡尾流引起膜与流体之间的相对速率增大，即摩擦力增大，存在传质阻力，导致混合性能不好，影响微生物生长。因此，将反应器初始膨胀率设为30%，反应区水流上升速率约70m/h。采用自然挂膜方式，反应器通入配水后，在有机物和营养盐的条件下填料表面逐渐挂膜。一周后，填料表面附着黄棕色生物膜。填料挂膜前后的显微镜照片如图2所示，图2a为未附着生物膜的裸露填料，图2b为包裹一层生物膜的填料颗粒。由于载体尺寸的不均匀或膜厚不同，导致反应器不同高度处颗粒的尺寸不同，这种现象称为“分级”。AEB内载体上附着的生物膜厚度由下向上逐渐增厚(由44μm增至240μm)，微生物量逐渐增多，这是由于局部能量分散速率影响了附着生物膜载体颗粒与裸露载体颗粒之间的碰撞。在反应器内：顶部的能量分散速率低，导致生物膜厚度增加;而底部较高的局部能量分散速率阻碍了微生物在裸露载体表面的黏附。反应器底部生物膜较慢的黏附速率和较快的磨损速率减小了生物膜厚度，而反应器顶部生物膜的较高生长速率和较慢的磨损速率则导致了生物膜厚度较大。
2.2 COD的去除效果
COD的去除效果见图3。由图3可见：AEB启动期(1~8d)，进水COD在4928~5508mg/L范围内，出水COD由2776mg/L逐渐降至394mg/L，COD去除率快速上升，由44.9%升至92.3%;稳定运行阶段，进水COD在4628~5548mg/L范围内，COD去除率稳定在95%左右。启动初期(1~2d)，AEB对COD去除率为44.9~51.1%，一方面是生物膜异养菌所贡献，另一方面归功于填料的物理吸附作用。由于异养菌的繁殖速率较快，能快速形成生物膜，AEB中生物量较大，故COD的去除效果更稳定，去除率在启动阶段呈现出逐渐上升的趋势。
2.3 NO3--N的去除效果
NO3--N的去除效果见图4。由图4可见：启动阶段，进水ρ(NO3--N)在1365~1504mg/L范围内，出水ρ(NO3--N)由806mg/L逐渐降至22.3mg/L，NO3--N去除率快速上升，由39.8%升至98.4%;稳定运行阶段，进水ρ(NO3--N)在1339~1505mg/L范围内，NO3--N去除率稳定在98~99%。启动初期出现了NO2--N含量升高的现象，可能是由于适应期反硝化菌的数量较少或NO2--N还原酶的数量不足，使得硝酸盐的反硝化部分停留在NO2--N阶段，反硝化不完全所致;8d后，NO2--N的积累现象消失。
由图3和图4可以看出，反硝化细菌的生长包括适应过程和快速繁殖过程：开始1~2d是反硝化菌的适应过程，反硝化作用主要由水中悬浮微生物和少量生物膜完成，反硝化细菌增长速率较慢，对NO3--N有少量去除;从第3d起，NO3--N的去除率快速增加，这归因于反硝化菌的大量繁殖，使得反硝化作用逐渐增强。
2.4 TN的去除效果
TN的去除效果见图5。由图5可见：进出水TN的变化趋势和NO3--N的变化趋势相近;稳定运行阶段，进水TN在1349~1517mg/L范围内，出水TN小于50mg/L，TN去除率稳定在96%以上。
2.5 容积负荷的去除效果
容积负荷的去除效果见图6。由图6可见：在运行时间内，COD容积负荷的去除量最高可达27.8kg/(m3·d);NO3--N容积负荷的去除量最高可达7.3kg/(m3·d)。
2.6 温度对AEB反硝化处理效果的影响
温度对AEB反硝化处理效果的影响见表1。由表1可见：温度为25~37℃时，COD、NO3--N及TNd的去除率均变化不大，说明温度在一定范围内波动对AEB反硝化处理效果的影响不大;当温度超过37℃时，COD、NO3--N及TN的去除率开始出现下降;当温度升至42℃后，反硝化降解性能下降明显。在适宜的温度范围内，随着温度的升高，反硝化细菌细胞内的化学反应和酶反应加快，其生长较为迅速，同时代谢活力增强，使得反硝化效果加强。综上，AEB反硝化的适宜温度范围为25~40℃。
3、结论
a)采用自然挂膜方式，填料层从下至上生物膜厚度逐渐增加。
b)AEB的快速启动8d可完成，COD去除率由44.9%升至92.3%，NO3--N去除率由39.8%升至98.4%。
c)采用AEB反应器处理高浓度硝酸盐废水，反硝化效果稳定高效。稳定运行阶段，COD去除率稳定在95%左右，NO3--N去除率稳定在98%~99%，COD和NO3--N的容积负荷去除量最高可达27.8kg/(m3·d)和7.3kg/(m3·d)。
d)AEB反硝化的适宜温度范围为25~40℃。(来源：中国石化 北京化工研究院环保所)