懸浮填料強化SBR工藝處理高校園區(qū)生活污水實驗研究

吳延虎，王勇康，李想，劉秉濤

(華北水利水電大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南 鄭州 450011)

校園生活污水具有用水高峰期集中，水質(zhì)穩(wěn)定、可生化性好等特點，但化學(xué)需氧量、總氮較高，污染物以有機物為主。不少高校有自身生活污水再回用的需求，但需考慮用地緊張的情況。序批式活性污泥法(SBR)節(jié)約占地，耐沖擊負(fù)荷，且運行方式靈活，可以實現(xiàn)脫氮除磷的目的[1]。

懸浮填料移動床生物膜法是以活性污泥法與生物膜法相結(jié)合的一種組合工藝，具有效率高、微生物相豐富、管理方便等優(yōu)勢[2]，能夠強化SBR工藝對去除難降解的有機污染物的效果。本研究采用懸浮填料輔助強化SBR工藝處理校園生活污水，為校園生活污水處理提供一種新的選擇。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

生活污水，鄭州市龍子湖某高校校園生活區(qū)污水，主要來源于食堂排水、教師公寓、學(xué)生公寓生活污水和學(xué)生洗浴污水，取水時間固定在某排污口上午11～12點，其水質(zhì)指標(biāo)見表1；SBR反應(yīng)器的種泥取自于鄭州市馬頭崗污水處理廠二沉池回流污泥(MLSS=5.623 g/L，MLVSS =4.132 g/L，SV30=88%)，經(jīng)過曝氣馴化后接種到反應(yīng)器的污泥為2.5 L(MLSS=3.154 g/L，MLVSS=2.312 g/L，SV30=64%)；懸浮填料(Φ25 mm×10 mm)，購于大連宇都環(huán)境技術(shù)材料有限公司。

表1 校園生活區(qū)污水水質(zhì)Table 1 Campus living area wastewater quality

QXG041 SBR反應(yīng)器；5B-1FV8智能消解器；N5000紫外可見分光光度計；JPB-607A便攜式溶解氧儀；PHBJ-260便攜式pH計；T100TMThermal Cyeler PCR儀。

1.2 生活污水處理

SBR反應(yīng)裝置見圖1?？傮w積為 12 L，有效體積為 8 L，底面直徑 20 cm，底高 15 cm，柱高 35 cm，進水通過潛水泵供應(yīng)；好氧階段通過微孔曝氣，DO保持在 1～3 mg/L；厭氧、好氧和缺氧階段均通過電動攪拌器進行攪拌，反應(yīng)時間和運行由控制面板控制。

圖1 SBR 反應(yīng)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of SBR reactor1.反應(yīng)器；2.操作面板；3.進水泵；4.進水箱；5.進水流量計；6.曝氣泵；7.曝氣流量計；8.曝氣頭；9.攪拌器；10.取水口；11.排泥管；12.污泥桶；13.自動排水閥；14.集水桶

整個實驗過程均在自然變化的室溫下進行，進水由潛水泵供應(yīng)。好氧區(qū)采用微孔曝氣頭曝氣，在曝氣期間，曝氣強度保持DO 1～3 mg/L。厭氧、好氧和缺氧段均采用電動攪拌器進行不定時攪拌，速度為 30 r/min。反應(yīng)器系統(tǒng)的操作過程，包括進水、厭氧、好氧、缺氧、沉降和排水階段，反應(yīng)時間和運行狀態(tài)由控制面板控制。SBR反應(yīng)器分別運行12，6 h 的循環(huán)周期，觀察在不同的工作時間下，有機物、氮和磷的去除效果。

1.3 分析方法

表2 檢測項目與分析方法Table 2 Test items and analysis methods

污泥樣品委托微基生物科技(上海)有限公司進行微生物群落結(jié)構(gòu)分析，運用高通量測序技術(shù)及PCR擴增技術(shù)，PCR產(chǎn)物進行瓊脂電泳檢測。

2 結(jié)果與討論

雖然SBR反應(yīng)器內(nèi)的混合液呈完全混合狀態(tài)，但是其底物與微生物濃度的變化在時間上是一個推流過程。本研究采用填料輔助強化SBR反應(yīng)器在COD與TN的質(zhì)量比約為8∶1的條件下，通過改變水力停留時間(HRT)的大小，考察SBR反應(yīng)器對COD、氨氮、TN、TP去除效果的影響。

2.1 懸浮填料投配率的確定

懸浮填料投配率對SBR工藝有機物的去除情況見表3。

表3 填料投配率對有機物的去除率的影響Table 3 Influence of filler dosing rate on the removal rate of organic matter

由表3可知，添加懸浮填料時，可以強化SBR工藝的去除效果。這是由于填料的比表面積增大，可以保持較高濃度的生物量，能夠促進污水與生物膜充分接觸，提高了傳質(zhì)過程，且投加的懸浮填料，有助于好氧階段的充氧能力，能夠增強氧的傳遞速率，從而提升有機物的去除率[3]，隨著填料投配率的增加，系統(tǒng)對有機物降解力和抗沖擊負(fù)荷能力隨之提高，然而當(dāng)增大到50%時，各項指標(biāo)的提升幅度就不是很明顯了，并且隨著投配率增加使反應(yīng)器的有效容積相應(yīng)減小。因此，從經(jīng)濟角度考慮，填料的投配率以25%為佳。

2.2 COD的去除效果

在12 h循環(huán)周期內(nèi)，控制厭氧段、好氧段、缺氧段時間分別是4，4，2 h，在6 h循環(huán)周期內(nèi)，控制厭氧段、好氧段、缺氧段時間分別是2，2，1 h。在不同的HRT條件下，懸浮填料強化SBR工藝對COD的處理效果見圖2。

圖2 水力停留時間對COD去除率的影響Fig.2 Effect of HRT on COD removal rate

由圖2可知，隨著HRT由6 h提升至12 h，出水COD質(zhì)量濃度逐漸降低，平均值由160 mg/L降低至37.5 mg/L，說明在HRT為12 h的條件下，懸浮填料輔助強化SBR工藝對COD有較強的抗沖擊負(fù)荷能力。有限的厭氧時間里，進入反應(yīng)器的COD并不能夠被完全去除，這是造成在6 h條件下反應(yīng)器對COD去除率比較低的主要原因。

2.3 氮的去除效果

圖3 水力停留時間對去除率的影響Fig.3 Effect of HRT on removal rate

在不同的HRT條件下，懸浮填料輔助強化SBR工藝對總氮(TN)的處理效果情況見圖4。進水TN濃度一般在56～63 mg/L，含量較高，對后續(xù)處理的影響較大。

圖4 水力停留時間對TN去除率的影響Fig.4 Effect of HRT on TN removal rate

由圖4可知，隨著HRT由6 h調(diào)控至12 h，出水TN質(zhì)量濃度逐漸降低至14.9～17 mg/L。

不同于COD的去除，氮的去除率在反應(yīng)器運行一段時間后，會逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為對于氮的去除主要是由一些生長周期比較長的微生物完成的，一般不會影響到微生物的活性。本次實驗中，進水的有機物濃度偏高，進水碳氮比(COD與TN的比)為8～9，這一比例對脫氮來說認(rèn)為是正常的，所以氮的去除率相對比較高。在通常條件下，認(rèn)為起主要作用的還是硝化-反硝化途徑，由于懸浮填料上存在微生物膜，并且由于填料懸浮在反應(yīng)器中，水經(jīng)過填料時，可能存在反硝化作用[5]。 本實驗過程中反應(yīng)器內(nèi)填料的裝填量比較大，堆積體積為反應(yīng)裝置有效容積的1/4，生物量為10 000～15 000 mg/L，生物量很大且大部分分布在懸浮填料中，在填料的內(nèi)部可較好地進行亞硝化過程，完成脫氮過程[6]。采用懸浮填料，反應(yīng)裝置對溶解氧的變化具有一定的緩沖能力，可保持較好的缺氧環(huán)境，達到較高的脫氮目的[7]。

2.4 對磷的去除效果

當(dāng)進水總磷(TP)質(zhì)量濃度為5.9～6.7 mg/L，隨著HRT由6 h調(diào)控至12 h，出水TP質(zhì)量濃度逐漸降低，由2.2 mg/L降低至0.3 mg/L以下，見圖5。污泥中攜帶的硝態(tài)氮對厭氧聚磷菌的釋磷產(chǎn)生不利影響，反硝化菌將與聚磷菌競爭碳源[8-10]。

圖5 水力停留時間對TP的去除率的影響Fig.5 Effect of HRT on TP removal rate

生活污水通過格柵、水解酸化池調(diào)節(jié)后經(jīng)泵提升進入SBR反應(yīng)池，在SBR反應(yīng)池中進行生化處理，經(jīng)過反應(yīng)周期內(nèi)厭氧-好氧交替進行，大部分有機物在微生物的作用下得到氧化分解，水質(zhì)達到排放要求后排出處理系統(tǒng)。如果需要深度處理，出水可以排入人工濕地，進行處理后回用或進入景觀河湖。

2.5 污泥沉降時間、污泥指數(shù)分析

實驗期間SBR反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度一直保持在2 900～3 500 mg/L之間，不同HRT下，SV和SVI值見圖6。

圖6 各個水力停留時間下SV和SVI值Fig.6 SV and SVI values under different HRT conditions

由圖6可知，當(dāng)HRT為6 h時，SV保持在60%～70%，污泥指數(shù)(SVI)保持在110～120 mL/g；當(dāng)HRT提高到12 h時，SV降至40%～50%，SVI值也降低至70～80 mL/g，表明活性污泥中的優(yōu)勢菌種能夠很好地去除水中各種污染物，SVI值降低[11-12]，微生物群落多樣性指數(shù)逐漸增加。

2.6 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

對實際生活污水在SBR反應(yīng)器內(nèi)運行期間微生物群落變化進行分析，污泥樣品經(jīng)抽提基因組DNA后擴增、測序，測序結(jié)果按照97%相似性對非重復(fù)序列進行OTU(operational taxonomic units)聚類，豐度低于1%的菌合并歸入其他類，結(jié)果見圖7。

圖7 反應(yīng)器內(nèi) 2個樣品中細(xì)菌群落在門(a) 和屬(b)水平下的分布和豐度Fig.7 Distribution and abundance of bacterial communities at the phylum(a) and genus(b) levels in two samples in the reactor

由圖7可知，在樣品中共檢測到11個門，Bacteroidetes和Proteobacteria占細(xì)菌總數(shù)的大部分，表明這兩個門代表了活性污泥經(jīng)過長期馴化后適應(yīng)細(xì)菌群落，它們具有有機降解作用、脫硝和除磷能力，可增強SBR系統(tǒng)中的脫氮和除磷。Chloroflexi也是該系統(tǒng)中的優(yōu)勢門，主要用于有機降解和硝酸鹽還原。在屬群水平上，未分類的物種占優(yōu)勢，其中包括Proteobacteria，Sphingolipids等參與硝化和反硝化過程的重要細(xì)菌成員。

3 結(jié)論

(1)水力停留時間對懸浮填料輔助強化SBR工藝的處理效果影響較大。當(dāng)HRT為12 h時，反應(yīng)器厭氧段4 h、好氧段時長4 h、缺氧段時長2 h，本工藝具有較強脫氮除磷能力。

(2)懸浮填料在強化SBR反應(yīng)器的硝化作用上起著重要的作用。當(dāng)懸浮填料投配率越大，附著在填料上的微生物量就越多，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)擁有的硝化菌就越多，反應(yīng)系統(tǒng)的硝化能力就越強。懸浮填料輔助強化SBR裝置運行穩(wěn)定，對水質(zhì)的變化具有較強的抗沖擊負(fù)荷能力，且能保持較穩(wěn)定的出水水質(zhì)。

(3)微生物群落分析表明，Bacteroidetes、Proteobacteria、Chloroflexi和Sphingolipids是懸浮填料輔助強化SBR工藝處理實際生活污水同步脫氮除磷的優(yōu)勢菌群。