外加碳源對SBR法處理生活污水的影響研究

陳柏成，馬卓汝，唐美珍

（曲阜師范大學 生命科學學院，山東 曲阜273165）

1 引言

近年來，隨著大量未經深度處理的污水（工業廢水、生活廢水、農業面源廢水等［1］）排入河流，水體富營養化現象也日益嚴重。水體富營養化的危害主要包括以下幾個方面：一是引起地表水中植物和藻類的過度生長［2］。正常情況下，植物和藻類的生長受氮和磷等營養元素的限制，當氮、磷隨污水持續進入緩流水體，可造成水生植物和藻類過度生長，引起水質惡化使水變得腥臭難聞；藻類種類逐漸減少，并由以硅藻和綠藻為主轉為以藍藻為主，而藍藻有不少種有膠質膜，不適于作魚餌料，并且其中有一些種屬是有毒的；水生植物和藻類大量繁殖，覆蓋水面，影響江河湖泊的觀賞價值；以富營養化水體作為水源時，藻類可堵塞濾池而影響水廠生產，所含毒素則影響飲用水的質量。二是消耗水體的溶解氧［3］。水生植物和藻類大量繁殖，覆蓋水面，不僅影響江河湖泊的觀賞價值，而且陽光在穿射水層的過程中，由于被藻類吸收而衰竭，因而使得陽光難以透射進入湖泊等水體的深層，造成溶解氧的來源減少，嚴重影響水中魚類的生存。三是水體富營養化常導致水生生態系統紊亂，水生生物種類減少，多樣性受到破壞［4］。而且富營養化水體中含有大量硝酸鹽和亞硝酸鹽，人畜長期飲用這些物質含量超過一定標準的水，會導致中毒。絕大多數水體富營養化是由于氮、磷等營養元素的排入造成的。如能減少或者截斷外部輸入的營養物質，就使水體失去了營養物質富集的可能性。因此脫氮除磷在廢水處理中所占比重逐年加大。而探索經濟有效的脫氮除磷工藝就成為當前亟待解決的問題。

SBR 工藝（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）也叫序批式活性污泥法或間歇式活性污泥法，是一種利用微生物在反應器中按照一定的時間順序間歇式操作的污水處理技術［5］。它通過對進水、曝氣、沉淀、排水、靜置、排泥的靈活操作，在時間上實現厭氧、缺氧、好氧的組合。SBR系統最大優點就是在時間和空間上的運行操作的靈活性［2］。通過改變運行方式、合理分配曝氣和非曝氣的時間，創造交替厭氧、缺氧、好氧條件可實現脫氮除磷。本工藝用于脫氮除磷具有結構簡單、基建運行費用低、操作靈活等優點。目前國內研究認為SBR脫氮、除磷效果的影響因素主要有：進水攪拌時間、進氣量、曝氣時間、停曝攪拌時間、沉淀時間［6，7］。而由于缺氧條件下發揮脫氮作用的反硝化細菌和厭氧條件下發揮除磷作用的聚磷菌均為異養型細菌，如果沒有充足的碳源，該類細菌不能充分發揮作用，脫氮除磷時的效果也將受到抑制。因此碳源的含量也是SBR運行效果的影響因素之一。

試驗選擇生活污水為處理對象，SBR為反應裝置［8］，在運行過程中投加不同種類、不同濃度的外加碳源，通過對氨氮、總氮、總磷［9］等評價指標的測定來確定最佳投加碳源的種類和濃度。

2 材料與方法

2.1 儀器與裝置

主要儀器包括202－2A型電熱恒溫干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司），ALC－210.4電子精密天平（北京賽多利斯儀器系統有限公司），HH－6型化學耗氧量測定儀（江蘇江分電分析儀器有限公司），752紫外可見分光光度計（上海菁華科技儀器有限公司），721型分光光度計（上海第三分析儀器廠），HJ－4A多頭磁力加熱攪拌器（常州國華電器有限公司），還有實驗室常用玻璃儀器等。中心裝置為SBR反應器，反應器高30cm，直徑為10cm，水樣體積為2L。采用鼓風曝氣，用轉子流量計進行曝氣調節，使曝氣量控制在1m3／h左右，水溫為（10±2）℃。為了實現脫氮除磷效果，SBR運行方式為：瞬間進水，曝氣，投加外加碳源，沉淀（總氮需要進行短時間曝氣吹脫N2［10～13］），排水，靜置（圖1）。

圖1 SBR反應器試驗裝置

2.2 試驗材料

采用啤酒廢水、葡萄糖、甲醇作為外加碳源［14～16］。依據外加碳源所產生的CODcr的效應相同的原則，所加啤酒廢水的量為1.0、2.0、4.0、8.0、12.0mL；葡萄糖為0.125、0.25、0.5、1.0、1.5g；甲醇 為0.1、0.2、0.4、0.8、1.2mL。活性污泥取自曲阜市生活污水處理廠AAO工藝的濃縮池；處理水樣取自曲阜市生活污水處理廠進水口，其水質特征如表1所示。

表1 生活污水水質

2.3 試驗方法

2.3.1 SBR運行方法

按 MLSS＝8000mg／L［13］加入活性污泥，進水后加入外加碳源，曝氣120min，停止曝氣攪拌60min（僅總氮測定時需要），沉淀，排水。

2.3.2 各試驗指標的測定方法

對CODcr的測定［17］使用重鉻酸鉀法，NH＋4－N的測定［17］采用納氏試劑分光光度法，TN的測定［18］使用堿性過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法，TP的測定［17］采用孔雀綠－磷鉬雜多酸分光光度法。

3 結果與討論

3.1 外加碳源對NH＋4－N的影響

生活污水中的氨氮主要以游離氨和離子態氨形式存在的氮，是含氮有機物作用下的分解產物，是重要的富營養化物質組成成分。

表2 外加碳源投加前后氨氮的濃度變化及去除率

由表2可以看出：當氨氮的起始濃度為在（11±3）mg／L范圍內，以啤酒廢水為外加碳源時氨氮的去除率為27.8%～65.7%不等，以葡萄糖為外加碳源時氨氮的去除率可達44.0%～67.8%，以甲醇為外加碳源氨氮去除率21.4%～37.6%。均大于對照組的14.0%。結果表明外加碳源的投加確能提高氨氮的去除率，葡萄糖為最佳，啤酒廢水其次，甲醇最差。其中葡萄糖的加入可使除率的增幅達到最大。分析造成這一現象的原因可能是由于葡萄糖可以促進微生物的生長，而微生物的同化作用和反硝化作用可以有效將NH＋4－N去除。

3.2 外加碳源對TN的影響

由表3可以看出：當總氮的濃度處于（39.9～49.3）mg／L時，對照組的總氮去除率為34.6%。投加3種碳源后，總氮的去除率均有明顯提高。投加葡萄糖以后可使總氮的去除率達最高，為65.0%，投加甲醇可使去除率最高能達到56.0%。但綜合各個投加量可以發現，啤酒廢水的投加可以較穩定的提高總氮的去除率，原因可能是啤酒廢水含有豐富的蛋白質、脂肪、氨基酸、碳水化合物等有機物穩定提高了短程硝化反硝化階段的反應速率，使得系統對總氮的去除率保持在49.6%～54.8%之間。因此最佳外加碳源為啤酒廢水。

由圖2可以看出：當進水中所含總氮濃度在（39.9%～49.3%）mg／L時，投加啤酒廢水后，總氮的去除率明顯高于對照組。當投加啤酒廢水的量為4mL時，去除率達到最高值，為54.8%，投加2mL與12mL所得的去除率相等，均為54.1%。投入8mL時去除率稍差，仍大于對照組的34.6%。說明啤酒廢水作為外加碳源對總氮的高效去除作用。

圖2 以啤酒廢水為碳源時總氮的濃度變化

3.3 外加碳源對TP的影響

由表4可以看出：當總磷濃度在（3.59～4.59）mg／L范圍內時，對照組總磷的去除率僅為29.6%。加入啤酒廢水作為碳源可以使其提高到50.4%～57.3%，屬于較穩定范圍內增幅；以葡萄糖為碳源時，總磷去除率最高僅為48.8%，但是上下增幅較大，不穩定；投加甲醇最高可使其達到50.8%。總磷的去除效果啤酒廢水為最佳，最高達到57.3%，其次是甲醇，再次是葡萄糖。結合查閱文獻得知，原因可能是由于葡萄糖可以代替細胞內的糖原力為生物生長提供能量和還原力。因此可以選擇性促進聚糖菌的生長，從而降低了聚磷菌的競爭力，而啤酒廢水正好與之相反作用，抑制了聚糖菌的生長，而提高了聚磷菌的競爭力。

由圖3可以看出：當進水中所含磷的總量為（3.72～4.31）mg／L之間，對照組總磷的去除率較低，僅為29.6%。投加啤酒廢水后，總磷的去除率穩定在50.4%～57.3%之間，其中投加8mL時得最佳去除效果，為57.3%。加入4mL啤酒廢水時所得去除率相對較低，但仍遠大于對照組。

表3 外加碳源投加前后總氮的濃度變化及去除率

表4 外加碳源投加前后總磷的濃度變化及去除率

圖3 以啤酒廢水為碳源時總磷的濃度變化

綜合表2、3、4可知：3種外加碳源的投加確可以提高氮、磷的去除效果。當以葡萄糖為外加碳源時具有最大總氮去除率，甲醇次之，再次為啤酒廢水。在本實驗中，盡管啤酒廢水對總氮去除率稍低于葡萄糖和甲醇，但是表現出對總氮更穩定的去除范圍活力，在對總磷的去除率中，啤酒廢水具有最大去除率和穩定的去除率范圍。所以以啤酒廢水為外加碳源時，總氮、總磷的去除效果總體要比以甲醇、葡萄糖為外加碳源時高。許多研究結果也表明以葡萄糖作為碳源時會使得有除磷效果進一步惡化的現象，甲醇作為碳源時脫氮除磷效果不具有優勢，而且原料來源費用昂貴。因此，啤酒廢水是以SBR法處理生活污水時的最佳碳源。

4 結語

不同種類、濃度的外加碳源的投加均可以使氨氮、總氮、總磷的去除率提高，證明投加外加碳源可以提高SBR法脫氮、除磷的效果。當以啤酒廢水為外加碳源時，總氮、總磷的去除效果均可達研究濃度范圍內的最高值。原因可能是由于啤酒廢水作為生物降解的底物，易于被微生物接受為反硝化階段、厭氧放磷階段的碳源。以啤酒廢水為碳源時，系統脫氮除磷效果明顯高于其他碳源。同時啤酒廢水是一種無毒廢水，可生化性良好，而且來源廣泛價格低廉，因而啤酒廢水是一種低成本、環境友好型碳源，工業可行性良好。

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