填料尺寸對(duì)SBBR工藝低溫脫氮影響的實(shí)驗(yàn)研究

邊德軍，閆藝明，艾勝書，聶澤兵，，王 帆，朱遂一

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林省城市污水處理與水質(zhì)保障科技創(chuàng)新中心，吉林 長(zhǎng)春 130117)

溫度對(duì)微生物的生長(zhǎng)、繁殖、新陳代謝、種群分布和種群數(shù)量起著十分重要的作用，可以直接影響污水處理效率的高低.當(dāng)前我國(guó)污水處理的主要工藝仍是生物處理，而低溫城市污水處理則是污水處理行業(yè)的一大挑戰(zhàn)[1].相關(guān)研究結(jié)果表明，城市污水處理廠低溫運(yùn)行時(shí)，微生物的新陳代謝和活性會(huì)受到影響，有機(jī)物的去除效率和脫氮效率降低，而絲狀菌卻比較活躍，這些變化直接影響污水廠出水水質(zhì)[2].同時(shí)隨著城市污水處理廠出水排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，我國(guó)大多數(shù)污水廠都面臨升級(jí)改造的問(wèn)題[3].污水廠在升級(jí)改造工程中受到原有生物池容的限制，通常的做法是向生物池中投加懸浮填料[4].填料的加入，一方面能夠提高系統(tǒng)的生物量，延長(zhǎng)污泥停留時(shí)間，可以使低溫弱勢(shì)菌種硝化菌的濃度提高，進(jìn)而促進(jìn)硝化作用；另一方面，附著于填料表面的生物膜內(nèi)部為厭氧或缺氧狀態(tài)，可以進(jìn)行反硝化作用，因而達(dá)到低溫時(shí)強(qiáng)化生物脫氮的目的[5].近年來(lái)，有關(guān)填料的研究主要涉及填料的種類、形狀、顏色等方面[6-8]，而低溫下填料尺寸對(duì)系統(tǒng)脫氮的影響研究則鮮見報(bào)道.為此，本文在控制水溫為(10±1)℃的條件下，利用同一材質(zhì)不同尺寸的海綿作為序批式生物膜反應(yīng)器(sequencing batch bio-film reactor，SBBR)的填料，探究了填料尺寸對(duì)序批式生物膜反應(yīng)器低溫脫氮的影響.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.采用有效容積為2 L的柱形容器作為反應(yīng)器，設(shè)定三個(gè)工況(Run1、Run2、Run3)的填充率均為16%，其中Run1、Run2、Run3對(duì)應(yīng)海綿的邊長(zhǎng)分別為1，1.5，2 cm，對(duì)應(yīng)填料個(gè)數(shù)分別為320，96，40.實(shí)驗(yàn)所用海綿填料參數(shù)如下：比重16～17 kg/m3；比表面積3.8×105m2/m3；孔結(jié)構(gòu)為多邊形網(wǎng)泡內(nèi)孔結(jié)構(gòu)形式，大孔、小孔、微孔互穿共布，材質(zhì)為親水性聚氨酯.實(shí)驗(yàn)在低溫控制室內(nèi)進(jìn)行，控制風(fēng)機(jī)啟停溫度分別為9.5℃及12℃，實(shí)測(cè)水溫為(10±1)℃.使用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行曝氣，并用空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)對(duì)各工況曝氣量進(jìn)行控制.

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水為人工配制的模擬城市污水.為避免水中余氯及溫度對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，將用于配水的自來(lái)水放置在低溫控制室內(nèi)晾置12 h；配水所使用的藥劑為葡萄糖(C6H12O6)、氯化銨(NH4Cl)、硝酸鉀(KNO3)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、碳酸氫鈉(NaHCO3)，分別用來(lái)提供有機(jī)物、氨氮、硝氮、磷以及調(diào)節(jié)pH.藥劑純度均為分析純，采購(gòu)自天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司.運(yùn)行期間配水詳細(xì)水質(zhì)參數(shù)見表1.pH=6.92～7.53，平均值為7.25；進(jìn)水溫度變化范圍為9.5～10.7℃，平均值為10℃.

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)參數(shù)

1.3 分析檢測(cè)方法

(2) 生物量的測(cè)定.隨機(jī)取出3塊填料浸泡在超純水中，洗去可逆附著成分，然后在103～105℃條件下烘干4 h，稱得質(zhì)量M1，然后將填料置于0.1 mol/L的NaOH堿液中超聲波洗脫30 min，再機(jī)械剝離處理，用超純水反復(fù)洗凈，同樣再次烘干4 h，稱得質(zhì)量M2，二者之差除以填料的個(gè)數(shù)即為單個(gè)填料上的生物量[10].

(3) 胞外聚合物(EPS)檢測(cè)方法.蛋白質(zhì)檢測(cè)采用考馬斯亮藍(lán)法[11]，多糖檢測(cè)采用蒽酮比色法[12].

(4) 脫氫酶活性檢測(cè)利用TTC法，采用常溫萃取檢測(cè)法[13].

(5) 實(shí)驗(yàn)樣品掃描電鏡檢測(cè)的前處理方法參考文獻(xiàn)[14].

1.4 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行

本研究的目的是探究低溫條件下填料尺寸對(duì)序批式生物膜系統(tǒng)的影響，因此控制單一變量即填料尺寸，其他因素如曝氣量、環(huán)境溫度、運(yùn)行周期、進(jìn)水水質(zhì)等均保持一致.配水使用的自來(lái)水儲(chǔ)水桶及實(shí)驗(yàn)全套裝置均存放于低溫控制室內(nèi)，通過(guò)控制室溫來(lái)保證水溫為10℃左右.實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先向反應(yīng)器中填充尺寸為1 cm的立方體海綿，隨后向其中倒入2 L城市污水(接種硝化及反硝化菌)，該污水取自長(zhǎng)春市某污水處理廠.連續(xù)曝氣2 d后進(jìn)入初期掛膜培養(yǎng)階段.為加快掛膜，以連續(xù)曝氣、每隔12 h換水、排水比為50%的方式運(yùn)行.當(dāng)COD去除率超過(guò)80%，即認(rèn)為掛膜成功[15]，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)入正式運(yùn)行階段.正式階段運(yùn)行穩(wěn)定，則本工況運(yùn)行結(jié)束.正式運(yùn)行期間，每12 h換一次水，排水比100%，曝氣10 h，閑置2 h，曝氣量同初期培養(yǎng)階段.其中啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行期間的曝氣量均為45 mL/min.Run1運(yùn)行完畢之后，將反應(yīng)器刷洗干凈即開展后續(xù)工況的實(shí)驗(yàn)研究.工況Run2、Run3除填充填料不同外其啟動(dòng)及運(yùn)行均與Run1相同.

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)有機(jī)物、氮去除的影響

2.1.1 對(duì)COD去除的影響

Run1、Run2、Run3在正式運(yùn)行期間進(jìn)水COD平均質(zhì)量濃度分別為344.0，343.9，348.3 mg/L，波動(dòng)區(qū)間分別為295.3～350.6，311.5～363.4，317.5～389.8 mg/L.三種工況下對(duì)COD的去除結(jié)果如圖2所示.從圖2可以看出，在正式運(yùn)行期間，各工況COD平均去除率基本在90%以上.每種工況正式運(yùn)行的0～10 d內(nèi)有機(jī)物的去除效果均有所波動(dòng)，并容易受到進(jìn)水水質(zhì)的影響；10 d后三個(gè)工況COD去除效果基本穩(wěn)定.雖然此區(qū)間進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，但三種工況COD去除率基本穩(wěn)定在90%以上.其原因是：在反應(yīng)器中微生物大部分以生物膜形式附著在載體表面，泥齡長(zhǎng)且不易流失，總的微生物濃度相對(duì)較高，故對(duì)有機(jī)物的去除效果較好[16].從有機(jī)物去除效果來(lái)看，低溫下填料尺寸對(duì)SBBR系統(tǒng)有機(jī)物的去除無(wú)顯著影響.

圖2 三種工況下反應(yīng)器中COD的去除效果

2.1.2 對(duì)氨氮去除的影響

實(shí)驗(yàn)正式運(yùn)行期間Run1、Run2、Run3進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度分別為14.79～24.55，18.63～23.04，18.94～20.97 mg/L，平均進(jìn)水質(zhì)量濃度分別為21.50，20.44，20.01 mg/L.三種工況對(duì)氨氮的去除效果如圖3所示.從圖3可以看出，Run1、Run2、Run3在正式運(yùn)行的0～10 d內(nèi)氨氮去除率波動(dòng)均較大，10 d之后三種工況氨氮去除率趨于穩(wěn)定.在穩(wěn)定時(shí)期，Run1去除率基本保持在98%左右，Run2、Run3分別在75%，80%上下波動(dòng).其原因是：在填料材質(zhì)相同的情況下，Run1填充的小尺寸填料的比表面積是Run2及Run3的1.5及2倍，因此Run1為硝化菌提供了更大的附著環(huán)境；同時(shí)Run1填料個(gè)數(shù)明顯多于Run2、Run3系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的填料間隙要多于其他系統(tǒng)，氣泡在填料中曲折穿過(guò)，與水的接觸面積越大，使氧從氣相向液相的轉(zhuǎn)移效率越高[16]，相比Run2、Run3，Run1擁有更大的比表面積和氧的傳質(zhì)效率，這為硝化菌的生長(zhǎng)及穩(wěn)定提供了有利條件.Run2、Run3氨氮去除情況較差，其原因是：培養(yǎng)階段對(duì)硝化菌的富集能力偏低；同時(shí)由于低溫的影響，導(dǎo)致其對(duì)氨氮的去除效果難以進(jìn)一步提高.綜上，從氨氮的去除結(jié)果來(lái)看，Run1效果最好，同時(shí)表明低溫下尺寸較小的填料更易于去除氨氮.

圖3 三種工況下反應(yīng)器中氨氮的去除效果

2.1.3 對(duì)TN去除的影響

三種工況正式運(yùn)行期間進(jìn)水總氮(TN)質(zhì)量濃度分別在17.59～27.35，19.70～25.26，19.62～22.56 mg/L之間變化，平均質(zhì)量濃度分別為24.30，21.72，21.02 mg/L.三種工況對(duì)TN的去除效果如圖4所示.正式運(yùn)行期間，Run1、Run2、Run3的去除效率受進(jìn)水水質(zhì)及氨氮去除的影響較大，其去除率分別在80%，70%，70%附近波動(dòng).結(jié)合氨氮去除效果分析發(fā)現(xiàn)，Run1對(duì)TN去除率較Run2和Run3高出10%左右，這低于氨氮去除率的差值(20%左右).在本實(shí)驗(yàn)條件下，總氮的去除主要依靠系統(tǒng)同步硝化反硝化作用，而硝化是其第一步.對(duì)于SBBR工藝來(lái)說(shuō)，填料所處的外環(huán)境為好氧環(huán)境，反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)部位主要在填料的內(nèi)部，其次是生物膜內(nèi)層.正是由于比表面積大且孔隙多，因而相同氣量下填料與氣泡接觸面積以及受沖刷作用均較高，導(dǎo)致Run1反硝化菌生長(zhǎng)區(qū)域會(huì)相對(duì)較小，進(jìn)而使反硝化作用受到一定的限制，表現(xiàn)為總氮去除差異小于氨氮.相反地，由于硝化效果較好，Run1硝氮濃度在同一反應(yīng)階段稍高于Run2和Run3，在填料內(nèi)外形成一定的濃度差，有利于傳質(zhì)；同時(shí)雖然Run2、Run3系統(tǒng)海綿體積大，但是填料深處由于物質(zhì)交換的匱乏，也并不利于反硝化菌的繁殖.在綜合多種因素影響下，宏觀上表現(xiàn)為Run2、Run3總氮的去效果劣于Run1系統(tǒng).在穩(wěn)定運(yùn)行期間，總氮去除率不如氨氮穩(wěn)定，這是因?yàn)椴粌H僅受硝氮產(chǎn)率的影響，同時(shí)還有低溫、碳源以及DO等多因素的影響.從以上分析可知，低溫下小尺寸填料在反硝化上會(huì)受到一定的限制，但從最終的脫氮結(jié)果來(lái)看硝化作用是限制工藝低溫脫氮的主要因素.

圖4 三種工況下反應(yīng)器中TN的去除效果

2.2 對(duì)系統(tǒng)生物膜的影響

圖5是三種工況實(shí)驗(yàn)正式運(yùn)行至結(jié)束期間的5次生物量檢測(cè)結(jié)果.為了方便比較，計(jì)算時(shí)將生物量依據(jù)反應(yīng)器的有效容積換算成質(zhì)量濃度單位(mg/L)；此外，為防止因生物量的檢測(cè)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，在培養(yǎng)初期，即按同樣的方式培養(yǎng)了一定數(shù)量的3種尺寸的海綿填料，每次生物量檢測(cè)完畢后向反應(yīng)器內(nèi)補(bǔ)充對(duì)應(yīng)數(shù)量及尺寸的填料.從圖5可以看出，Run1生物量5次測(cè)定結(jié)果明顯高于Run2和Run3，而且Run1生物生長(zhǎng)繁殖最為迅速，在整個(gè)正式運(yùn)行期間生物量也比較穩(wěn)定.至系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)Run1、Run3生物量分別達(dá)到5 800，4 500 mg/L，Run2填料上生物量為2 500 mg/L左右.從生物量的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，Run2脫氮效果差的主要原因在于生物量偏低，并且填料內(nèi)部的生物量也比較少.Run3在整個(gè)運(yùn)行期間生物量均在緩慢增長(zhǎng)，但從氨氮去除結(jié)果上看其效率依舊偏低，其主要原因是：一方面Run3內(nèi)部填料尺寸偏大，在本次實(shí)驗(yàn)的水力條件下有可能發(fā)生老化生物膜的積累；另一方面Run3的微生物主要附著在填料表面，影響了電子供受體硝酸鹽氮向填料內(nèi)部傳遞.

圖6給出了4次比耗氧速率(SOUR)的檢測(cè)結(jié)果.從圖6可以看出，Run1的SOUR值波動(dòng)劇烈，而Run2、Run3的SOUR值則是下降后基本穩(wěn)定，說(shuō)明Run1在運(yùn)行過(guò)程中生物膜更新較為頻繁，而Run2、Run3在后期運(yùn)行過(guò)程中生物膜更新速度較慢.李圭白等[17]研究認(rèn)為，生物膜系統(tǒng)需要加快老化生物膜的脫落，這有助于提高系統(tǒng)的除污能力.較為穩(wěn)定的生物膜不利于系統(tǒng)更新，同時(shí)易發(fā)生老化生物膜的積累，降低生物活性進(jìn)而影響污染物去除效果.

圖5 三種工況下載體表面的生物量

圖6 三種工況下活性污泥的SOUR值

2.3 生物膜的形貌特征

取三個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定階段生物膜進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果見圖7.從圖7(a)可以看出，Run1填料表面的生物膜結(jié)構(gòu)較緊密，含有大量的球菌及短桿菌，可能是生長(zhǎng)于填料表面的硝化菌，這有利于促進(jìn)其硝化作用.從圖7(b)可以看出，Run2的生物膜中生長(zhǎng)著大量的絲狀菌.少量的絲狀菌可以在生物膜之間起勾連作用，有助于脫落的生物膜的沉淀，而當(dāng)其大量繁殖時(shí)會(huì)擠占功能菌群如硝化菌、反硝化菌的生存空間，同時(shí)絲狀菌還不具備硝化作用，因而導(dǎo)致Run2生物量偏低且脫氮效果不佳.從圖7(c)可以看出，Run3生物膜中存在著絲狀菌和少量的球菌.絲狀菌的連接作用以及Run3受到的水力沖刷作用相對(duì)較小的情況，很容易導(dǎo)致Run3發(fā)生老化生物膜的積累現(xiàn)象.

(a)—(c)分別對(duì)應(yīng)Run1、Run2、Run3工況試驗(yàn)

通過(guò)掃描電鏡觀察結(jié)果同樣可以驗(yàn)證，低溫條件下填料尺寸會(huì)影響填料上硝化、反硝化菌數(shù)量，同時(shí)也對(duì)硝氮、亞硝氮、有機(jī)物等向填料傳質(zhì)產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致各工況在脫氮方面表現(xiàn)出巨大差異.從掃描電鏡結(jié)果上看，Run1在硝化菌積累以及生物膜生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)較好.

2.4 歷時(shí)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

圖8為各工況穩(wěn)定運(yùn)行階段氨氮的歷時(shí)檢測(cè)結(jié)果.從圖8可以看出，0～2 h時(shí)Run1、Run3的氨氮降解速率基本相同，Run2較之明顯偏??；Run2、Run3在2 h后發(fā)生轉(zhuǎn)折，降解速率變緩；Run1在6 h時(shí)氨氮降解基本停止，而Run2、Run3的氨氮仍在緩慢下降.其原因是：在歷時(shí)開始的0～2 h內(nèi)，由于氨氮濃度較高，系統(tǒng)傳質(zhì)效率等均處于較佳的狀態(tài)；而在2 h之后，就需要依靠曝氣進(jìn)行傳質(zhì)并依靠硝化菌的吸收去除水中的氨氮，由于Run1中硝化菌數(shù)量較多，因而在2 h之后仍能維持相對(duì)較高的氨氮去除速率.

圖8 出水氨氮隨時(shí)間變化情況

圖9 出水TN隨時(shí)間變化情況

圖9為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行階段TN的歷時(shí)檢測(cè)結(jié)果.從圖9可以看出，TN降解差異主要發(fā)生在0～2 h內(nèi)，Run1和Run3在此時(shí)間段內(nèi)TN的降解速率明顯高于Run2，三個(gè)系統(tǒng)在6 h后TN降解速度均減緩，且7 h后Run1的TN濃度依舊在下降，而Run2、Run3的TN降解基本停止.其原因是：0～2 h時(shí)間段內(nèi)Run1、Run3系統(tǒng)TN降解受到氨氮降解的影響，氨氮在這個(gè)時(shí)間段轉(zhuǎn)化為硝酸鹽較快，系統(tǒng)中大量的硝氮促進(jìn)了反硝化作用的進(jìn)行；Run2由于氨氮降解速率明顯小于其他兩系統(tǒng)，進(jìn)而減弱了Run2的反硝化作用.6～10 h時(shí)間段，由于Run2富集的硝化菌生物量較小影響了其硝化作用，導(dǎo)致反硝化效果不好；在6～8 h時(shí)間段Run1、Run3的TN去除速率基本相同，這是因?yàn)镽un1和Run3在0～2 h時(shí)間段內(nèi)均積累了一定數(shù)量的硝酸鹽氮，同時(shí)由于Run1反硝化的抑制作用，從而表現(xiàn)出Run1、Run3的TN去除率基本一致.在8 h之后Run1的TN進(jìn)一步下降，其原因是Run1硝化較為徹底，在8 h之后系統(tǒng)中可供反硝化菌利用的底物依然充足，可以對(duì)TN做進(jìn)一步的去除.

分析氨氮和TN的歷時(shí)檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，三個(gè)反應(yīng)器對(duì)氮的降解差異主要來(lái)源于對(duì)氨氮的降解；同時(shí)低溫下較快的硝化反應(yīng)對(duì)TN的降解速率有一定的幫助，高硝化率是TN降解達(dá)標(biāo)的前提，但TN的降解主導(dǎo)作用仍是反硝化作用.

3 結(jié)論

本文采用三種不同尺寸的立方體聚氨酯海綿作為SBBR系統(tǒng)工藝的填料，控制溫度為(10±1)℃，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三個(gè)工況下SBBR系統(tǒng)對(duì)COD的去除率均能達(dá)到90%以上，且Run1即邊長(zhǎng)1 cm的填料工況系統(tǒng)能更有效地去除氨氮以及TN，去除率分別達(dá)98%，80%.

低溫下邊長(zhǎng)1 cm的填料工況系統(tǒng)具有較大的比表面積，能夠富集更多的硝化菌，使得硝化能力優(yōu)于其他兩個(gè)工況；在反硝化方面，1 cm邊長(zhǎng)的填料更有利于硝酸鹽氮的傳質(zhì)，同時(shí)較為徹底的硝化效果使得反硝化作用持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，最終使TN去除率高于其他兩個(gè)工況10%左右.