農(nóng)村生活污水處理中SBR工藝效能研究

郝玉芳，王 超

(河北省石家莊水文勘測研究中心，石家莊 050000)

1 概 述

序批式反應(yīng)器(sequencing batch reactor，SBR)是一類經(jīng)典的基于微生物懸浮生長的污水凈化工藝，它將進(jìn)水、反應(yīng)、排水等多個工序按時間批次安排在同一個生物反應(yīng)器內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)一體化操作，占地少，操作便捷，在多個不同類型的污水處理領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用和推廣價值[1]。但是，隨著污水排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)苛，傳統(tǒng)SBR工藝對污染物的去除效率已經(jīng)難以滿足現(xiàn)有要求，探尋提高其處理效能的方法[2]，成為近年來污水工藝提標(biāo)改造方向的研究熱點(diǎn)。

趙鵬程等[3]為提高SBR工藝的污水處理效果，向傳統(tǒng)SBR系統(tǒng)內(nèi)投加2 000 mg/L的強(qiáng)磁性粉末，結(jié)果表明該方法可使COD、NH4+-N和TP污染物的平均去除率分別在98%、95%、83%以上。張發(fā)奎等[4]為改良SBR工藝對某污水廠焦化廢水的處理效果，向反應(yīng)器內(nèi)投加PFMF后，考察其對污染物去除情況的影響，研究結(jié)果表明該方法對COD、NH4+-N和TN均有著較優(yōu)的去除效率，與傳統(tǒng)SBR工藝相比，上述指標(biāo)去除率分別提高15%、11%、19%以上。周松偉[5]等以增強(qiáng)SBR系統(tǒng)對印染廢水的處理效果為目的，向系統(tǒng)內(nèi)添加天然沸石粉，可實(shí)現(xiàn)最高NH4+-N去除負(fù)荷為1.12 kg/(m3·d)。徐芯渝等[6]為強(qiáng)化SBR系統(tǒng)對垃圾滲濾液的處理效果，從原液中分離出一株光合細(xì)菌R1并投加到SBR系統(tǒng)中，研究對其系統(tǒng)處理性能的影響，結(jié)果表明投加了R1的反應(yīng)器對COD、NH4+-N的去除率分別高于76%、65%，同時可實(shí)現(xiàn)94%以上的TP去除，且系統(tǒng)的產(chǎn)泥量有所減少。

生物炭是在限氧條件下，通過生物質(zhì)的熱化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化得到的富碳產(chǎn)品[7]。日常生活、生產(chǎn)中能被應(yīng)用于制成生物炭的材料來源非常豐富，常見的有農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、畜禽糞便、污泥和沼氣殘?jiān)萚8-9]。其中，玉米芯作為一類年產(chǎn)生量巨大的廢棄生物質(zhì)，用作制備生物炭材料具有較高的可行性和較強(qiáng)的應(yīng)用基礎(chǔ)[10]。目前，關(guān)于玉米芯生物炭吸附水中某些污染物的研究較多，但將其應(yīng)用于SBR工藝來強(qiáng)化污水處理效能的研究卻鮮見報(bào)道。

因此，本文選取廢棄玉米芯為原料，制成生物炭并添加至SBR系統(tǒng)內(nèi)，分析其對該工藝污染物處理效果及污泥沉降速率的影響，探討其應(yīng)用于強(qiáng)化SBR工藝污水處理效能的可行性，以期為優(yōu)化該工藝的凈水性能提供更多的可選方法，也為廢棄玉米芯資源的再利用提供新的途徑。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及接種污泥

SBR反應(yīng)裝置見圖1，有效容積為10L。在實(shí)驗(yàn)裝置的底部，安裝有一個微孔曝氣盤，通過空氣泵供氧，使曝氣階段的溶解氧濃度保持在3.5mg/L左右。每個周期耗時12h，單個周期的運(yùn)行程序設(shè)定為：進(jìn)水15min，曝氣(同時攪拌)8h，攪拌2h，沉淀1h，排水15min，閑置30min，在室溫25℃左右運(yùn)行。曝氣和攪拌階段均開啟攪拌器，攪拌速率為120r/min。接種污泥取自成都某生活污水處理廠的厭氧池污泥，悶曝3d后使用，通過適時排泥控制MLSS為3 000～4 000mg/L。

圖1 SBR反應(yīng)裝置示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水取自成都某生活污水處理廠進(jìn)水口的實(shí)際污水，經(jīng)測試，進(jìn)水COD、NH4+-N、TN、TP濃度范圍分別為214.5～263.9、35.2～45.2、40.2～50.1、2.5～4.5mg/L，pH為7.1～7.9。進(jìn)水前，先通過預(yù)處理手段去除污水中較明顯的漂浮物、懸浮物等雜質(zhì)。

2.3 生物炭制備

采用取自成都某農(nóng)戶產(chǎn)生的廢棄玉米芯為原材料，洗凈、烘干、粉碎后送入馬弗爐內(nèi)，在限氧條件下升溫至600℃后恒溫2.5 h，再將得到的每1g熱解產(chǎn)物中加入15ml鹽酸溶液(1mol/L)進(jìn)行酸洗，結(jié)束后，用去離子水清洗至上清液為中性左右，收集固體烘干后過100目篩，得到的篩出物即為玉米芯生物炭，標(biāo)記為C600，保存?zhèn)溆谩?/p>

2.4 實(shí)驗(yàn)方案

采用2組相同構(gòu)型的SBR反應(yīng)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)啟動，編號分別為S0和S1。S0為對照組，不投加C600，S1內(nèi)投加1g/L的C600。每個周期排水和進(jìn)水各4L，當(dāng)實(shí)現(xiàn)80%以上的COD穩(wěn)定去除時，認(rèn)定SBR工藝啟動成功。進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段后，考察S0和S1對主要污染物的去除效果及系統(tǒng)內(nèi)污泥的沉降速率。

2.5 分析方法

水質(zhì)檢測方法依照國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。污泥沉降體積采用量筒取樣觀測，沉降速率依據(jù)不同沉降時間下的污泥沉降體積計(jì)算求出。C600表面形貌采用場發(fā)射掃描電鏡(Gemini 300，ZEISS)測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 生物炭表面特征

圖2為C600的電鏡掃描結(jié)果。由圖2可以看到，玉米芯生物炭表面有大量的褶皺和孔隙，粗糙不平，介孔數(shù)量較多。這是由于高溫?zé)峤馐褂衩仔緝?nèi)部發(fā)生了熱化學(xué)反應(yīng)，有機(jī)質(zhì)在分解過程中產(chǎn)生的氣體從內(nèi)部沖開，從而形成大量的孔道，使C600擁有更大的比表面積，為提高其對污染物的吸附能力和對微生物的負(fù)載能力創(chuàng)造了有利條件。

圖2 玉米芯生物炭SEM圖

3.2 COD去除效能

S0和S1對污水中COD的去除情況見圖3。由圖3可知，在啟動初期，S0和S1均有著較高的COD出水濃度，該類污染物的去除率偏低，這可能是由于新接種的污泥還未完全適應(yīng)新的曝氣條件所致。隨著運(yùn)行時間的延長，COD出水濃度逐漸減小，S0在運(yùn)行至第23d時，COD出水濃度為45.6mg/L，去除率為81.9%，此后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，因而其啟動耗時為23d，穩(wěn)定運(yùn)行階段COD出水濃度均值達(dá)到44.8mg/L，去除率為81.6%。S1表現(xiàn)出和S0類似的變化規(guī)律，但其啟動耗時僅為12d，COD去除率即可達(dá)到80%以上，相比S0的啟動耗時縮短11d。不僅如此，當(dāng)運(yùn)行至第21d時，S1可實(shí)現(xiàn)90%以上的COD降解。穩(wěn)定運(yùn)行階段，S1的出水COD質(zhì)量濃度均值僅為19.8mg/L，相比S0減少25mg/L；S1的COD去除率均值達(dá)到91.9%，相比未投加C600的S0提高10.3%。由此可見，C600的投加不僅能加速SBR工藝的啟動，同時還能有效提高其對污水中COD的去除效能，使其擁有更高的有機(jī)物利用效率。

圖3 SBR工藝對COD的去除情況

3.3 脫氮效能

穩(wěn)定運(yùn)行階段，S0和S1對NH4+-N的去除情況見圖4。從圖4來看，未投加C600的S0對NH4+-N的平均去除率為87.5%，出水NH4+-N濃度范圍為3.6～7.1mg/L。投加C600的S1對NH4+-N的平均去除率達(dá)到93.4%，相比S0提高5.9%，出水NH4+-N濃度僅為3.6～7.1mg/L。由此可見，C600的投加進(jìn)一步增強(qiáng)了SBR工藝對污水中NH4+-N的去除效能[11]。

圖4 SBR工藝對NH4+-N的去除情況

為進(jìn)一步考察氮素污染物的真實(shí)去除情況，對穩(wěn)定運(yùn)行階段的TN進(jìn)出水濃度變化和去除效率進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5。由圖5可知，S0對污水中TN的去除性能不佳，出水TN的質(zhì)量濃度在18.5～27.1mg/L范圍內(nèi)波動，TN去除率均值僅有50.3%。這說明S0雖然有著較為可觀的NH4+-N去除效能，但是TN去除效能卻并未得到同步提升，其原因可能是NH4+-N在曝氣階段被氧化為硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮后，由于有機(jī)碳源缺乏，并未能在攪拌階段高效反硝化還原為氣態(tài)氮，而是大量隨出水排出，導(dǎo)致出水中依然含有較高濃度的TN[12]。與之相反，S1的TN去除效果則有明顯的提升，出水TN的質(zhì)量濃度范圍僅為6.2～10.6mg/L，TN去除率均值升高到81.6%，相比S0提高31.3%，可見C600的投加為反硝化脫氮提供了有利條件。分析認(rèn)為，C600具有較為可觀的比表面積和較為充裕的吸附空間，不僅能增強(qiáng)對水中氮素污染物的吸附效果，同時也能為脫氮微生物提供良好的附著表面和更多不同類型的微環(huán)境，為發(fā)生短程反硝化、厭氧氨氧化、同步硝化反硝化等脫氮過程提供了便利[13-14]，從而增強(qiáng)了脫氮效能。

圖5 SBR工藝對TN的去除情況

3.4 除磷效能

C600投加前后，SBR工藝對TP的去除情況見圖6。由圖6可知，污水經(jīng)過S0處理后，TP的質(zhì)量濃度降至0.52～1.29mg/L，TP去除率均值可達(dá)到75.8%，投加C600后，SBR系統(tǒng)的TP處理效果有所提升，TP出水濃度降至0.13～0.72mg/L，平均去除率升高至90.2%，比S0提高14.4%。玉米芯生物炭的投加為SBR系統(tǒng)更高效地吸附磷素污染物提供了條件，使附著在生物炭上的微生物能充分利用這些污染物進(jìn)行新陳代謝，從而提高其處理效能[15]。

圖6 SBR工藝對TP的去除情況

3.5 對污泥沉降速率的影響

圖7為穩(wěn)定運(yùn)行期S0和S1內(nèi)污泥沉降體積和沉降速率的變化情況。由圖7可知，2個SBR系統(tǒng)內(nèi)的污泥沉降比逐漸減小，沉降30min后，未投加C600的S0系統(tǒng)內(nèi)污泥沉降體積為29ml，相應(yīng)的污泥的沉降速率為2.37ml/min；而沉降30min后，投加C600的S1系統(tǒng)內(nèi)的污泥沉降體積為24mL，相比S0有所減少，但相應(yīng)的污泥沉降速率升至2.53ml/min，相比S0提高7.04%。由此可見，投加C600后，SBR系統(tǒng)內(nèi)的污泥沉降速率有所提高，更高的污泥沉降速率反映出系統(tǒng)內(nèi)污泥和污水更優(yōu)的分離性能，從而在提升出水水質(zhì)的同時，工藝運(yùn)行效能也得到強(qiáng)化。

圖7 污泥沉降體積和速率的變化

4 結(jié) 論

為增強(qiáng)SBR工藝的污水處理效能，采用玉米芯為原材料，制備了生物炭并投加至SBR系統(tǒng)內(nèi)，探討玉米芯生物炭對該工藝處理性能的影響，結(jié)論如下：

1)按1g/L的量投加玉米芯生物炭到SBR系統(tǒng)內(nèi)，啟動反應(yīng)器僅需12d的時間，在穩(wěn)定運(yùn)行階段可實(shí)現(xiàn)91.9%的COD去除，相比未投加生物炭時提高10.3%。

2)穩(wěn)定運(yùn)行階段，投加玉米芯生物炭的SBR系統(tǒng)對NH4+-N、TN的去除率均值分別達(dá)到了93.4%、81.6%，相比未投加生物炭時分別提高5.9%、31.3%，生物炭的投加增強(qiáng)了脫氮效能。

3)投加玉米芯生物炭后，SBR工藝對TP的去除效能也有所提升，平均去除率由未投加生物炭時的75.8%提升至90.2%，增幅達(dá)到14.4%。

4)玉米芯生物炭的投加有助于提高SBR工藝的污泥沉降速率，由原來的2.37ml/min提高到2.53ml/min，泥水分離效果增強(qiáng)，使出水水質(zhì)得到進(jìn)一步提高。