前置和后置玉米芯強(qiáng)化A/O 反應(yīng)器處理低碳氮比生活污水的試驗(yàn)研究

胡旭坤， 沈浩， 周凱， 余軼鵬， 王志明， 王偉*

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 合肥 230009； 2.安徽舜禹水務(wù)股份有限公司， 合肥 231131；3.合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 合肥 230041）

低成本合流制城市污水排放方式是導(dǎo)致生活污水碳氮比低（ρ（COD） ＜200 mg／L、 碳氮比小于8）的主要原因［1-2］， 而碳氮比低的生活污水經(jīng)過常規(guī)生物處理后的TN 濃度易超標(biāo)， 導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，對環(huán)境和人體健康構(gòu)成較大威脅。 因此， 在實(shí)際操作中需要投加甲醇、 乙酸鈉等碳源來提高生物脫氮效果， 這顯著增加了污水處理廠的運(yùn)營成本［3-4］。

農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯因價(jià)格低廉、 天然有機(jī)物含量高且釋碳性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注， 同時(shí)它還具有組織均勻、 硬度適中等特點(diǎn)［5］， 非常適合作為填料。 有研究發(fā)現(xiàn)， 較高的玉米芯投加量能夠有效提高低碳氮比污水的脫氮效果， 但會增加COD的處理負(fù)荷， 導(dǎo)致COD 的去除率下降［6］。 另外，通過酸堿等預(yù)處理手段提高玉米芯內(nèi)碳源的可利用性同樣能夠促進(jìn)生物脫氮過程， 但該方法操作復(fù)雜， 成本較高［7］。

本研究在驗(yàn)證了玉米芯具備良好碳源釋放性能的基礎(chǔ)上， 根據(jù)進(jìn)水碳源重新分配理念， 探究了玉米芯在A／O 反應(yīng)器中不同位置（前置和后置）的脫氮性能的差異， 綜合分析各指標(biāo)變化情況， 優(yōu)選其投加位置， 以提高玉米芯資源化綜合利用效率， 為開發(fā)經(jīng)濟(jì)環(huán)保的低碳氮比生活污水處理模式提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為2 個(gè)A／O 反應(yīng)器， Y1（前置玉米芯反應(yīng)器）和Y2（后置玉米芯反應(yīng)器）。 試驗(yàn)裝置示意如圖1 所示。 有機(jī)玻璃制成的A／O 反應(yīng)器的長、寬分別為47、 10 cm， 有效水深30 cm。 從左至右依次為缺氧區(qū)、 好氧區(qū)和出水區(qū)， 對應(yīng)的體積分別為3、 9、 2 L。 缺氧區(qū)和好氧區(qū)分別添加了0.75 L和2.25 L 的掛膜載體， 便于微生物生長富集， 提高污染物去除效果［8］。 出水區(qū)下端設(shè)有承托板用于承載玉米芯。 前置和后置分別位于缺氧區(qū)底部和出水區(qū)承托板處。 試驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)水方式， 并設(shè)置回流將好氧區(qū)產(chǎn)生的NO3--N 不斷送至缺氧區(qū)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Experimental equipment

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水為某高校內(nèi)教職工生活污水， 用濾網(wǎng)篩除雜質(zhì)后進(jìn)行試驗(yàn)。 水質(zhì)指標(biāo)如表1 所示， 生活污水碳氮比為0.8 ～4.4。

表1 生活污水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Quality indexes of domestic sewage

1.3 試驗(yàn)材料和接種污泥

試驗(yàn)所用玉米芯被切成5 ～10 mm 的小塊， 使用前用去離子水浸泡3 d， 沖洗干凈置于40 ℃的烘箱中烘干備用。

接種污泥取自某污水處理廠SBR 池， 使用前用濾網(wǎng)篩除雜質(zhì)后再用生理鹽水清洗， 重復(fù)3 次。

1.4 試驗(yàn)方法

（1） 玉米芯靜態(tài)釋碳試驗(yàn)。 取5 g（干重）玉米芯放置于棕色瓶中， 加入100 mL 去離子水， 密封后置于黑暗環(huán)境， 并在25 ℃下以150 r／min 轉(zhuǎn)速振蕩15 d。 期間共取樣8 次， 水樣使用0.45 μm 的濾膜過濾并測定COD 濃度。 另外， 每天都會重新加入去離子水替換瓶內(nèi)的玉米芯浸出液。

（2） 前置和后置玉米芯試驗(yàn)。 將2 份0.28 L 玉米芯分別置于2 個(gè)反應(yīng)器的缺氧區(qū)和出水區(qū)， 同時(shí)接種活性污泥， 使反應(yīng)器內(nèi)各區(qū)域的污泥濃度均為2 g［VSS］／L。 試驗(yàn)共進(jìn)行了95 d， 考察其對低碳氮比生活污水的處理效果， 優(yōu)選出玉米芯的投加位置。 試驗(yàn)中未使用恒溫設(shè)備， 試驗(yàn)過程中由于天氣原因出現(xiàn)了降溫階段。 反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)如表2 所示。

表2 反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)Tab.2 Reactor operating parameters

1.5 分析方法

COD、 NH4+-N、 NO3--N 及NO2--N 采用國家標(biāo)準(zhǔn) 方 法 測 定［9］， TN 濃 度 為NH4+-N、 NO3--N 和NO2--N 濃度之和。 反應(yīng)器各區(qū)域內(nèi)有機(jī)物成分通過日立F4600 型熒光光譜儀掃描后測定分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米芯碳源釋放性能

玉米芯的COD 釋放速率如圖2 所示。

圖2 玉米芯的COD 釋放速率Fig.2 COD release capacity of corncob

由圖2 可以看出， 第1 天和第15 天的COD 釋放速率分別為8.3、 0.8 mg／（g·d）。 玉米芯的碳源釋放過程大概可以分為2 個(gè)階段， 第1 階段為1 ～7 d， 玉米芯中水溶性有機(jī)物溶脹溶解， 此階段為碳源的快速釋放期， 且碳源釋放速率下降較快； 第2 階段， 7 d 以后， 難溶性大分子有機(jī)物通過微生物降解緩慢釋放到溶液中［10］， 因此， 整體上碳源釋放量較低， 釋放速率較慢。

玉米芯浸泡了15 d 后其有機(jī)物釋放能力仍然存在， 且仍能夠維持后期釋碳的穩(wěn)定性［11］。 另外，玉米芯浸出液中主要含有色氨酸， 這種物質(zhì)易被生物降解利用［12］， 同時(shí)還檢測出微生物活動所需的常量元素（K、 Na、 Mg、 Ca）和部分微量元素 （Fe、Cu、 Mn、 Co、 Ni）［10］。 因此， 玉米芯可被視為一種良好的固體緩釋碳源。

2.2 前置和后置玉米芯對反應(yīng)器運(yùn)行效果的影響

2.2.1 COD 去除效果

2 組反應(yīng)器進(jìn)出水COD 濃度變化情況如圖3所示。 由于玉米芯投加前進(jìn)行了浸泡預(yù)處理， 這有效削弱了玉米芯的碳源釋放量， 避免了反應(yīng)器啟動時(shí) 出 水COD 濃 度 超 標(biāo)［13］。 常 溫 條 件 下（20 ～25℃）， 隨著異養(yǎng)反硝化細(xì)菌的不斷富集， Y1 和Y2在第20 天左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)， 出水COD 質(zhì)量濃度及去除率分別為19.1 mg／L、 53.4% 和22.2 mg／L、46.3%， 均低于GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A 標(biāo)準(zhǔn)。 從第60 天開始， 氣溫下降導(dǎo)致反應(yīng)器水溫下降（10 ～15 ℃），低溫導(dǎo)致異養(yǎng)反硝化細(xì)菌的活性受到抑制［14］， 使其利用有機(jī)物的能力下降， 并在進(jìn)水COD 濃度產(chǎn)生小幅波動的影響下， Y1 和Y2 出水COD 濃度明顯上升， 最終兩者COD 質(zhì)量濃度及去除率分別穩(wěn)定在43.7 mg／L、 54.2% 和51.1 mg／L、 47.6%， 較降溫前COD 出水濃度上升明顯， 但去除率基本不變。

圖3 反應(yīng)器進(jìn)出水COD 濃度變化情況Fig.3 Changes of COD concentrations in influent and effluent water of reactor

2.2.2 氮素去除效果

2 組反應(yīng)器進(jìn)出水NH4+-N 濃度變化情況如圖4所示。 由圖4 可以看出， 反應(yīng)器運(yùn)行初始階段， 出水NH4+-N 濃度快速下降， 表明好氧硝化細(xì)菌在載體上不斷富集［15］。 隨后即使進(jìn)水NH4+-N 濃度波動較大， Y1 和Y2 出水NH4+-N 質(zhì)量濃度也能分別穩(wěn)定在0.3 mg／L 和0.6 mg／L， 去除率都在95%以上。 然而在降溫后， 硝化細(xì)菌活性受到明顯抑制［16］， 后期Y1 和Y2 出水NH4+-N 質(zhì)量濃度和去除率分別上升為3.2 mg／L、 89.5%和3.0 mg／L、 90.2%， 此時(shí)兩者對NH4+-N 的去除效果更接近， 但Y2 穩(wěn)定性更強(qiáng)。

圖4 反應(yīng)器進(jìn)出水NH4+-N 濃度變化情況Fig.4 Changes of NH4+-N concentrations in influent and effluent water of reactor

2 組反應(yīng)器進(jìn)出水NO3--N、 NO2--N、 TN 濃度變化情況分別如圖5、 圖6、 圖7 所示。 由圖5、圖6 可知， Y1 和Y2 出水中NO3--N 和NO2--N 濃度在第10 天達(dá)到穩(wěn)定， 并持續(xù)一段時(shí)間， 這是因?yàn)橛衩仔窘莩跗谀軌蜥尫糯罅坑袡C(jī)物， 改善了低碳氮比生活污水碳源不足問題［17］， 2 組反應(yīng)器在較短的時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出良好的異養(yǎng)反硝化能力。 由圖7可知， 第10 ～35 天， Y1 和Y2 的TN 去除率分別達(dá)到61.2% 和88.7%， 根據(jù)試驗(yàn)前20 d 內(nèi)Y2 出水COD 濃度高于Y1 的現(xiàn)象， 推測此時(shí)Y2 中含有更多有機(jī)物能為異養(yǎng)反硝化過程提供電子， 因此Y2的脫氮效果更好。 第36 ～60 天， 由于進(jìn)水COD 濃度的增幅相較TN 的更低， 碳氮比從2.2 下降到1.8， 導(dǎo)致出水NO3--N 濃度上升， Y1 與Y2 的TN去除率分別下降到46.0% 和55.3%。 在后續(xù)低溫情況下， 細(xì)菌活性降低， 因此， 2 組反應(yīng)器出水TN濃度持續(xù)上升， Y1 和Y2 的TN 去除率再次下降到35.4% 和49.7%， 但此時(shí)Y2 的脫氮效果依舊高于Y1。 綜上所述， 在長時(shí)間的反應(yīng)器運(yùn)行中， 后置玉米芯能夠獲得更好的TN 去除效果。

圖5 反應(yīng)器進(jìn)出水NO3--N 濃度變化情況Fig.5 Changes of NO3--N concentration in influent and effluent water of reactor

圖6 反應(yīng)器進(jìn)出水NO2--N 濃度變化情況Fig.6 Changes of NO2--N concentration in influent and effluent water of reactor

2.3 前置和后置玉米芯的反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物變化分析

進(jìn)水中的有機(jī)物主要為芳香蛋白類（Ex／Em=（200 ～250 nm）／（280 ～380 nm））和微生物副產(chǎn)物SMP（Ex／Em= （250 ～340 nm）／（280 ～380 nm））， 熒光峰值越高代表濃度越高。 2 組反應(yīng)器各區(qū)域的三維熒光光譜如圖8 所示， 處理后芳香蛋白類物質(zhì)和SMP 被微生物利用后其含量明顯下降。 由于反應(yīng)器內(nèi)微生物的新陳代謝和衰老死亡能生成SMP，SMP 下降幅度更小。 有研究表明， 玉米芯除了會釋放易生化物質(zhì)， 同時(shí)也能溶出難降解的腐殖酸（Ex／Em=（250 ～400 nm）／（380 ～550 nm））［18］。 因此， 在Y1 和Y2 內(nèi)可明顯觀察到腐殖酸類物質(zhì)的存在。

圖8 Y1 和Y2 各區(qū)域的三維熒光光譜Fig.8 Three-dimensional fluorescence spectra of Y1 and Y2 reagions

對比Y1 和Y2 各區(qū)域的三維熒光光譜圖， 盡管有機(jī)物種類相同， 但Y2 內(nèi)的芳香蛋白類和腐殖酸類物質(zhì)都要高于Y1， 證明了玉米芯后置的方式能夠釋放出更多易生化碳源， 這有利于Y2 中發(fā)生異養(yǎng)反硝化， 因此， Y2 對TN 的去除效果高于Y1。 另外， Y2 缺氧區(qū)中SMP 含量高于Y1， 由于SMP 與細(xì)菌的生命活動密切相關(guān)， 微生物代謝量的增加能夠產(chǎn)生更多的SMP［19］， 因此， Y2 缺氧區(qū)內(nèi)異養(yǎng)反硝化細(xì)菌的活性要高于Y1。

3 結(jié)論

（1） 采用前置和后置玉米芯強(qiáng)化A／O 反應(yīng)器處理低碳氮比污水， 結(jié)果表明玉米芯前置和后置對COD 的去除率始終保持在50%左右。 常溫條件下，后置玉米芯反應(yīng)器的TN 去除率可達(dá)88.7%， 高出前置27.5%； 在低溫條件下， 后置玉米芯反應(yīng)器的TN 去除率下降為49.7%， 高出前置14.3%。

（2） 三維熒光光譜分析結(jié)果表明， 后置玉米芯反應(yīng)器中存在更多易生化有機(jī)物， 有利于異養(yǎng)反硝化過程的進(jìn)行， 從而獲得更好的TN 去除效果。