不同曝氣策略對SBBR處理模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水凈化效率的影響

張世羊，張學輝，何 鑫，汪學杰，王廣軍

(1.中國水產(chǎn)科學研究院珠江水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部休閑漁業(yè)重點實驗室，廣州 510380； 2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070)

序批式生物膜反應(yīng)器(Sequencing batch biofilm reactor，SBBR)是SBR與生物膜法相結(jié)合的工藝，它是為了防止比增長速率較小的微生物在水力過大的反應(yīng)器中被“淘洗”出去而設(shè)計的。SBBR具有抗沖擊能力強、運行穩(wěn)定、操作簡單、便于管理等優(yōu)勢[1]。同時，由于填料本身具有一定體積，從填料表面到內(nèi)部的溶解氧不斷降低，填料表面的好氧區(qū)進行硝化，內(nèi)部的缺/厭氧區(qū)進行反硝化，這種同步硝化反硝化現(xiàn)象能夠有效地去除廢水中的氮素[2]。因此，SBBR被廣泛應(yīng)用于各種含氮污水處理，其中包括量大、污染物濃度相對較低的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水[3-6]。

影響SBBR凈化效率的因素眾多，如溫度[7]、溶解氧[2]、pH[8]、鹽度[9]、填料類型[10]、廢水組成[11]等，其中溶解氧一直是最為關(guān)鍵的因素之一。近年來已有研究表明，SBBR最佳的脫氮效率對應(yīng)的溶解氧水平可在2～2.5 mg/L[10,12-15]。而SBBR工藝中溶解氧的高低主要取決于曝氣方式，后者主要受控于曝氣強度[16]、曝氣密度[17]、曝停比[7]等。近年來有關(guān)曝停比研究較多，但主要集中于人工配置的生活污水[18,19]、無機氨廢水[7，20]、厭氧消化液[21]等，有關(guān)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水曝停比的研究較少。鑒于此，本研究設(shè)計了5個形態(tài)結(jié)構(gòu)相同的SBBR反應(yīng)器，探究在兩個既定溶解氧水平下不同曝停比對SBBR凈化效率的影響，旨為實際應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建

實驗構(gòu)建了5個形態(tài)結(jié)構(gòu)完全相同的序批式生物膜反應(yīng)器，用于完成后續(xù)的5種不同曝停比批次實驗：即每種曝停比對應(yīng)1個反應(yīng)器(5個反應(yīng)器均為處理組，無對照組)。5個反應(yīng)器除曝停比不一致外，其它條件均一樣。反應(yīng)器由有機玻璃制成，規(guī)格為20 cm(長)×20 cm(寬)×25 cm(高)。反應(yīng)器底部由帶支座PVC板(厚度3.5 mm；穿孔率4.5%)作為承托板。承托板上方為反應(yīng)區(qū)，填充球形輕質(zhì)陶粒，填充厚度為12.5 cm，陶粒直徑為3～5 mm，孔隙率為0.433。承托板下方為承托層，內(nèi)設(shè)兩個曝氣沙盤(Φ8 cm)和1個排水孔(Φ20 mm)。另外在反應(yīng)器底部和上液位處還設(shè)置有液位控制探頭。

每個反應(yīng)器均設(shè)有曝氣系統(tǒng)，具體做法為：承托層中的兩個曝氣沙盤分別通過兩根依次裝有止逆閥和調(diào)節(jié)閥的橡膠軟管(內(nèi)徑×外徑=4 mm×6 mm)與同1臺兩氣室微型氣泵相連(風量約為2×200 L/h；功率：4 W；最大揚程：2 m；品牌：德國伊罕；型號：EM3704)。進水時，5個提升泵將儲水池中混勻的均質(zhì)污水同時分別抽提至各SBBR反應(yīng)器中以待后續(xù)反應(yīng)。實驗裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SBBR裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the SBBR

1.2 實驗設(shè)計

SBBR最佳的脫氮效率對應(yīng)的溶解氧水平可以在2～2.5 mg/L。由于實際運行過程中，溶解氧的調(diào)控存在小幅波動，本研究為了削弱溶解氧波動帶來的不利影響及拉開溶解氧差距，故將SBBR曝氣段DO設(shè)置為2 mg/L和3 mg/L兩個水平，在此條件下探究不同曝停比對反應(yīng)器凈化效能的影響。實驗于溫室中進行。5個反應(yīng)器序批式運行，每天運行4個周期，單周期內(nèi)包括3 min進水、6 h反應(yīng)、2 min出水。5個反應(yīng)器對應(yīng)的曝停比分別為1h/5h、2h/4h、3h/3h、4h/2h、5h/1h。

實驗借助時間控制器和液位繼電器實現(xiàn)5個反應(yīng)器曝停時間的控制和裝置的序批式運行。SBBR反應(yīng)器的掛膜方法采用接種掛膜法。掛膜啟動階段：5個SBBR反應(yīng)器接種采自已運行多年的成熟生物濾池末端的活性污泥，連續(xù)接種3 d；再向反應(yīng)器中引入模擬配置的羅非魚工程化養(yǎng)殖廢水，對活性污泥進行馴化培養(yǎng)，每天運行4個周期；所有反應(yīng)器穩(wěn)定運行兩周，待出水穩(wěn)定之后開始采集數(shù)據(jù)，連續(xù)采集數(shù)據(jù)一個月[22]，用于后續(xù)比較分析。

本研究以羅非魚工廠化養(yǎng)殖廢水為處理對象，探究利用SBBR處理的可行性。由于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的污染物主要來源于魚類糞便和未被利用的飼料[23]，故本研究在前期實際監(jiān)測的基礎(chǔ)上[24]采取如下措施模擬配制羅非魚工廠化養(yǎng)殖廢水：稱取20.00 g魚飼料溶解至3 L水中，沉淀15 min之后取其上清液用于配制養(yǎng)殖廢水，再分別稱取4.90 g無水乙酸鈉、2.44 g氯化銨、1.09 g磷酸二氫鉀以補充廢水中的碳氮磷物質(zhì)。模擬配制的羅非魚工廠化養(yǎng)殖廢水各項污染物濃度指標見表1。同時向配制的養(yǎng)殖廢水中加入微生物生長所必需的微量元素[25]，微量元素的組成特征見表2。

表1 模擬配制的羅非魚工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水營養(yǎng)組成Tab.1 The nutrient compositions of the simulated wastewater from tilapia industrial aquaculture

表2 模擬配制的羅非魚工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水微量元素組成Tab.2 The trace element compositions of the simulated wastewater from tilapia industrial aquaculture

1.3 數(shù)據(jù)收集

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

去除率=(Cin-Cout)/Cin×100%

(1)

其中Cin和Cout分別表示進/出水污染物濃度(mg/L)。

采用雙因素方差分析探討不同溶解氧水平和曝停比調(diào)整對SBBR凈化效能的影響。進一步地，采用單因素方差分析比較同一溶解氧水平不同曝停比間凈化效率的差異，對應(yīng)多重比較選擇 LSD(假定方差齊)或Tamhane’s T2(假定方差不齊)；采用獨立樣本t-test比較同一曝停比不同溶解氧水平間凈化效率的差異。所有顯著性差異被定義為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同曝停比對進/出水理化性質(zhì)的影響

由表3可知，在曝氣段DO=2 mg/L工況下，與進水相比，出水達顯著變化的指標有溶解氧、溫度、pH等；鹽度、電導率、總?cè)芙夤腆w三者的變化具有一致性，且只有在中低曝停比(1/5、2/4、3/3)工況下這三項出水指標與進水存在顯著差異。與進水相比，出水溶解氧顯著降低表明反應(yīng)器內(nèi)部存在生物耗氧過程，如有機物的好氧降解及硝化過程等。出水溫度顯著降低是因為反應(yīng)器置于室內(nèi)，出水受室溫影響較大。pH顯著降低可能是因為反應(yīng)器中的硝化過程較反硝化過程進行得更充分，造成硝化耗堿和反硝化產(chǎn)堿的平衡向耗堿方向偏移，從而導致pH降低[27]。不同曝停比對出水溶解氧和溫度的影響較小，但對pH有顯著影響，且出水pH隨曝停比的增加呈降低趨勢，可能是因為長時間曝氣強化了硝化過程而增加了堿度消耗，這與前面推斷一致。不同曝停比對鹽度、電導率和總?cè)芙夤腆w的影響較小，且隨曝停比的增加無顯著變化趨勢。

表3 不同曝停比進/出水理化性質(zhì)的比較Tab.3 Comparison on physicochemical properties between inflow and outflow under different aeration/non-aeration ratios

續(xù)表3

類似地，在曝氣段DO=3 mg/L工況下，與進水相比，出水溶解氧和pH呈顯著降低趨勢，而溫度呈顯著增加趨勢，分析原因同前。與曝氣段DO=2 mg/L相似，曝氣段DO=3 mg/L工況下的鹽度、電導率及總?cè)芙夤腆w三者的變化也具有一致性，但是在中高曝停比(2/4、3/3、4/2、5/1)工況下這三項出水指標與進水存在顯著差異。就曝停比而言，pH隨曝停比的增加而降低，且其變化趨勢與曝氣段DO=2 mg/L工況下的相同(表3)。此外，由表4可知，不同溶解氧對所有出水理化指標均有顯著影響，而不同曝停比僅對溶解氧、pH和鹽度有顯著影響，表明實驗設(shè)定的不同溶解氧水平較不同曝停比對反應(yīng)器出水理化性質(zhì)的影響更為明顯，且溶解氧與曝停比對出水溶解氧、鹽度、電導率及總?cè)芙夤腆w存在顯著的交互效應(yīng)，這可能是因為不同溶解氧及曝停比與總無機氮(尤其是硝酸鹽)的去除密切相關(guān)，而后者又是鹽度、比電導率、總?cè)芙夤腆w等的重要組分。

表4 出水理化性質(zhì)的雙因素方差分析結(jié)果(P值)Tab.4 Results of two-way ANOVA on outflow physicochemical properties (P value)

2.2 不同曝停比對氮素去除的影響

圖2 不同曝停比工況下各種氮素的出水濃度及凈化效率比較Fig.2 Comparison on effluent concentration and purification efficiency of each form nitrogen under different aeration/non-aeration ratios (ANRs)

(1)

由于出水中Org-N含量不穩(wěn)定，實驗工況下TN的去除率隨曝停比的增加未呈現(xiàn)明顯的變化趨勢(圖2F)。由圖2F可以看出，當曝氣段DO=2 mg/L時，曝停比為5/1工況下的TN去除率明顯高于其它工況，且這個最高值與曝氣段DO=3 mg/L曝停比為4/2工況下的去除率基本相同，表明曝氣段高DO有助于TIN的去除，但是曝氣段低DO有利于污水中Org-N的截留，從而也會有利于總氮的去除。

圖3 不同曝停比工況下SBBR出水各形態(tài)氮素堆積圖比較Fig.3 Comparison on stacked column of each form nitrogen in SBBR effluent under different aeration/non-aeration ratios (ANRs)

此外，由SBBR出水各氮素堆積圖可知，在曝氣段DO=2 mg/L工況下，出水總氮以無機氮為主，其中無機氮中又以氨氮為主，出水中硝氮或亞硝氮含量較低(圖3A)，說明在DO=2 mg/L工況下，各反應(yīng)器的硝化能力較弱，系統(tǒng)的脫氮能力受控于硝化作用強弱，且硝化作用強度隨曝停比的增加基本呈升高趨勢(曝停比4/2除外)，但是對出水有機氮的影響較弱。類似地，在曝氣段DO=3 mg/L工況下，出水總氮仍然以無機氮為主。與前者不同，在低曝停比(1/5)工況下，無機氮以氨氮為主，而在中或高曝停比(≥2/4)工況下，無機氮以硝氮為主(圖3B)，說明在中或高曝停比工況下反應(yīng)器的硝化能力較強。與曝氣段DO=2 mg/L工況相比，曝氣段DO=3 mg/L工況下的出水無機氮或總氮含量更低，說明高溶解氧條件下系統(tǒng)的同步硝化-好氧反硝化能力更強，系統(tǒng)的脫氮效率更高。

最后，方差分析結(jié)果表明：不同溶解氧水平對氮素去除的各項指標均有顯著影響(表5)，實驗工況下高溶解氧水平(DO=3 mg/L)更有利于同步硝化反硝化。而不同曝停比僅對氨氮的去除有顯著影響。另外，溶解氧與曝停比的交互效應(yīng)僅對氨氮和總無機氮有顯著影響，這是因為實驗設(shè)定的溶解氧水平和曝停比與同步硝化反硝化緊密相關(guān)，而同步硝化反硝化主要體現(xiàn)在TAN和TIN的去除效率上。

表5 各項污染物去除率的雙因素方差分析結(jié)果(P值)Tab.5 Results of two-way ANOVA on the removal rate of various pollutants (P value)

2.3 不同曝停比對有機物和磷素去除的影響

方差分析結(jié)果表明：實驗工況下不同溶解氧水平對COD的去除無顯著影響，但是不同曝停比對COD的去除卻有顯著影響(表5)。無論是DCOD還是TCOD，實驗各工況下反應(yīng)器均呈現(xiàn)出較高的去除效果(平均DCOD去除率在78.9%～86.4%，TCOD去除率在78.8%～91.0%)。

就DCOD去除而言，在曝氣段DO=2 mg/L工況下不同曝停比間無顯著差異。相反地，在曝氣段DO=3 mg/L工況下僅曝停比為1/5的DCOD去除率顯著低于其它四組，但是其它四組之間并無顯著差異(圖4A)，這可能是因為乙酸鈉為易生物降解碳源。在曝氣條件下，反應(yīng)初期(約1 h內(nèi))進水中的乙酸鈉被聚糖菌(GAOs)快速吸收，同時其他異養(yǎng)型細菌的快速增殖也加快了COD的消耗[31]。李志靜等[19]在探究不同曝停比和氨氮濃度下SBR中微生物群落的演變規(guī)律時也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，即COD的去除率隨曝停比調(diào)整變化不大，其去除率基本在75%以上，他們認為這是由于反應(yīng)提供的曝氣時間均在4 h以上，能夠滿足系統(tǒng)對葡萄糖的降解需求。我們在比較不同工況生物濾池凈化二級出水凈化效率時也發(fā)現(xiàn)，以葡萄糖為碳源的反應(yīng)體系經(jīng)1 h處理后，COD的去除率可達80%左右[33]。本研究中除曝停比為1/5工況的曝氣時長為1 h外，其它各組都超過了1 h，且DCOD的去除率基本在80%以上(除DO=2 mg/L且曝停比為3/3外)。

TCOD去除率的變化趨勢與DCOD類似，即在曝氣段DO=2 mg/L工況下，僅曝停比為3/3的工況顯著低于其它四組，后者之間無顯著差異；同樣地，在曝氣段 DO=3 mg/L工況下，低曝停比工況(1/5組)顯著低于高曝停比工況(3/3、4/2、5/1)，后者之間無顯著差異(圖4B)。

圖4 不同曝停比工況下COD的出水值及凈化效率比較Fig.4 Comparison on effluent value and purification efficiency of COD under different aeration/non-aeration ratios (ANRs)

目前有關(guān)不同曝停比實驗主要在于探究反應(yīng)器脫氮除碳效率及相關(guān)功能微生物群落結(jié)構(gòu)解析，幾乎沒有涉足到不同曝停比調(diào)整對磷素去除的影響分析[7,18-21]。由圖5可以看出，IP和TP的去除率隨曝停比增加的變化趨勢基本一致。曝氣段DO=2 mg/L工況下，出水IP濃度隨曝停比的增加呈現(xiàn)先積累后去除趨勢，且磷素的去除率隨曝停比的增加而增加。而曝氣段DO=3 mg/L工況下IP的去除率均為正值，且磷素的去除率隨曝停比的增加先升高后降低，在曝停比為4/2時達到最高。與曝氣段DO=2 mg/L相比，在相同曝停比工況下，曝氣段DO=3 mg/L工況下的磷素去除效率始終較高。在本研究中，磷素去除率最高的工況是曝氣段DO=3 mg/L且曝停比為4/2，該工況下IP和TP的平均去除率均為69.2%(圖5A和B)。

方差分析結(jié)果表明：不同溶解氧水平和曝停比對磷素的去除均產(chǎn)生顯著影響，但是二者的交互效應(yīng)不顯著(表5)。實驗工況下高溶解氧水平和適度提升的曝停比均有利于提高磷素的去除效果。此外，相關(guān)分析表明：TIN與IP、TP的去除率間均存在顯著的正相關(guān)(斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)R均為0.9，P=0.037)。因為TIN的去除途徑為反硝化，由此推斷反應(yīng)器中磷素的去除途徑可能主要為反硝化除磷[34]。

圖5 不同曝停比工況下磷素的出水濃度及凈化效率比較Fig.5 Comparison on effluent concentration and purification efficiency of phosphorus under different aeration/non-aeration ratios (ANRs)

3 結(jié)論

不同曝停比對出水溶解氧和溫度的影響較小，但對pH有顯著影響，且出水pH隨曝停比的增加而降低，不同曝停比對鹽度、電導率和總?cè)芙夤腆w的影響較小。實驗設(shè)定的不同溶解氧水平較不同曝停比對反應(yīng)器出水理化性質(zhì)的影響更為明顯。

不同曝停比工況下氮素去除途徑主要為同步硝化反硝化。實驗工況下不同溶解氧水平對氮素去除的各項指標均有顯著影響，高溶解氧水平更有利于同步硝化反硝化。而不同曝停比僅對氨氮的去除有顯著影響，TAN的去除率均隨曝停比的增大呈升高趨勢。

不同溶解氧水平對COD的去除無顯著影響，但是不同曝停比對COD的去除卻有顯著影響。不同溶解氧水平和曝停比對磷素的去除均產(chǎn)生顯著影響，高溶解氧水平和適度提升的曝停比均有利于提高磷素的去除效果，磷素的去除途徑可能主要為反硝化除磷。在曝氣段DO=2 mg/L工況下，曝停比為5/1時系統(tǒng)脫氮除磷效果最佳；而在曝氣段DO=3 mg/L工況下，曝停比為4/2時系統(tǒng)凈化效率最高。