填料尺寸對SBBR工藝低溫脫氮影響的實驗研究

邊德軍，閆藝明，艾勝書，聶澤兵，，王 帆，朱遂一

(1.長春工程學院水利與環境工程學院，吉林省城市污水處理重點實驗室，吉林 長春 130012；2.東北師范大學環境學院，吉林省城市污水處理與水質保障科技創新中心，吉林 長春 130117)

溫度對微生物的生長、繁殖、新陳代謝、種群分布和種群數量起著十分重要的作用，可以直接影響污水處理效率的高低.當前我國污水處理的主要工藝仍是生物處理，而低溫城市污水處理則是污水處理行業的一大挑戰[1].相關研究結果表明，城市污水處理廠低溫運行時，微生物的新陳代謝和活性會受到影響，有機物的去除效率和脫氮效率降低，而絲狀菌卻比較活躍，這些變化直接影響污水廠出水水質[2].同時隨著城市污水處理廠出水排放標準越來越嚴格，我國大多數污水廠都面臨升級改造的問題[3].污水廠在升級改造工程中受到原有生物池容的限制，通常的做法是向生物池中投加懸浮填料[4].填料的加入，一方面能夠提高系統的生物量，延長污泥停留時間，可以使低溫弱勢菌種硝化菌的濃度提高，進而促進硝化作用；另一方面，附著于填料表面的生物膜內部為厭氧或缺氧狀態，可以進行反硝化作用，因而達到低溫時強化生物脫氮的目的[5].近年來，有關填料的研究主要涉及填料的種類、形狀、顏色等方面[6-8]，而低溫下填料尺寸對系統脫氮的影響研究則鮮見報道.為此，本文在控制水溫為(10±1)℃的條件下，利用同一材質不同尺寸的海綿作為序批式生物膜反應器(sequencing batch bio-film reactor，SBBR)的填料，探究了填料尺寸對序批式生物膜反應器低溫脫氮的影響.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

圖1 實驗裝置示意圖

實驗裝置如圖1所示.采用有效容積為2 L的柱形容器作為反應器，設定三個工況(Run1、Run2、Run3)的填充率均為16%，其中Run1、Run2、Run3對應海綿的邊長分別為1，1.5，2 cm，對應填料個數分別為320，96，40.實驗所用海綿填料參數如下：比重16～17 kg/m3；比表面積3.8×105m2/m3；孔結構為多邊形網泡內孔結構形式，大孔、小孔、微孔互穿共布，材質為親水性聚氨酯.實驗在低溫控制室內進行，控制風機啟停溫度分別為9.5℃及12℃，實測水溫為(10±1)℃.使用空氣壓縮機進行曝氣，并用空氣轉子流量計對各工況曝氣量進行控制.

1.2 實驗用水

實驗用水為人工配制的模擬城市污水.為避免水中余氯及溫度對后續實驗產生影響，將用于配水的自來水放置在低溫控制室內晾置12 h；配水所使用的藥劑為葡萄糖(C6H12O6)、氯化銨(NH4Cl)、硝酸鉀(KNO3)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、碳酸氫鈉(NaHCO3)，分別用來提供有機物、氨氮、硝氮、磷以及調節pH.藥劑純度均為分析純，采購自天津市光復科技發展有限公司.運行期間配水詳細水質參數見表1.pH=6.92～7.53，平均值為7.25；進水溫度變化范圍為9.5～10.7℃，平均值為10℃.

表1 試驗用水水質參數

1.3 分析檢測方法

(2) 生物量的測定.隨機取出3塊填料浸泡在超純水中，洗去可逆附著成分，然后在103～105℃條件下烘干4 h，稱得質量M1，然后將填料置于0.1 mol/L的NaOH堿液中超聲波洗脫30 min，再機械剝離處理，用超純水反復洗凈，同樣再次烘干4 h，稱得質量M2，二者之差除以填料的個數即為單個填料上的生物量[10].

(3) 胞外聚合物(EPS)檢測方法.蛋白質檢測采用考馬斯亮藍法[11]，多糖檢測采用蒽酮比色法[12].

(4) 脫氫酶活性檢測利用TTC法，采用常溫萃取檢測法[13].

(5) 實驗樣品掃描電鏡檢測的前處理方法參考文獻[14].

1.4 實驗運行

本研究的目的是探究低溫條件下填料尺寸對序批式生物膜系統的影響，因此控制單一變量即填料尺寸，其他因素如曝氣量、環境溫度、運行周期、進水水質等均保持一致.配水使用的自來水儲水桶及實驗全套裝置均存放于低溫控制室內，通過控制室溫來保證水溫為10℃左右.實驗開始時，先向反應器中填充尺寸為1 cm的立方體海綿，隨后向其中倒入2 L城市污水(接種硝化及反硝化菌)，該污水取自長春市某污水處理廠.連續曝氣2 d后進入初期掛膜培養階段.為加快掛膜，以連續曝氣、每隔12 h換水、排水比為50%的方式運行.當COD去除率超過80%，即認為掛膜成功[15]，實驗轉入正式運行階段.正式階段運行穩定，則本工況運行結束.正式運行期間，每12 h換一次水，排水比100%，曝氣10 h，閑置2 h，曝氣量同初期培養階段.其中啟動及穩定運行期間的曝氣量均為45 mL/min.Run1運行完畢之后，將反應器刷洗干凈即開展后續工況的實驗研究.工況Run2、Run3除填充填料不同外其啟動及運行均與Run1相同.

2 結果與分析

2.1 對有機物、氮去除的影響

2.1.1 對COD去除的影響

Run1、Run2、Run3在正式運行期間進水COD平均質量濃度分別為344.0，343.9，348.3 mg/L，波動區間分別為295.3～350.6，311.5～363.4，317.5～389.8 mg/L.三種工況下對COD的去除結果如圖2所示.從圖2可以看出，在正式運行期間，各工況COD平均去除率基本在90%以上.每種工況正式運行的0～10 d內有機物的去除效果均有所波動，并容易受到進水水質的影響；10 d后三個工況COD去除效果基本穩定.雖然此區間進水水質波動較大，但三種工況COD去除率基本穩定在90%以上.其原因是：在反應器中微生物大部分以生物膜形式附著在載體表面，泥齡長且不易流失，總的微生物濃度相對較高，故對有機物的去除效果較好[16].從有機物去除效果來看，低溫下填料尺寸對SBBR系統有機物的去除無顯著影響.

圖2 三種工況下反應器中COD的去除效果

2.1.2 對氨氮去除的影響

實驗正式運行期間Run1、Run2、Run3進水氨氮質量濃度分別為14.79～24.55，18.63～23.04，18.94～20.97 mg/L，平均進水質量濃度分別為21.50，20.44，20.01 mg/L.三種工況對氨氮的去除效果如圖3所示.從圖3可以看出，Run1、Run2、Run3在正式運行的0～10 d內氨氮去除率波動均較大，10 d之后三種工況氨氮去除率趨于穩定.在穩定時期，Run1去除率基本保持在98%左右，Run2、Run3分別在75%，80%上下波動.其原因是：在填料材質相同的情況下，Run1填充的小尺寸填料的比表面積是Run2及Run3的1.5及2倍，因此Run1為硝化菌提供了更大的附著環境；同時Run1填料個數明顯多于Run2、Run3系統，系統內的填料間隙要多于其他系統，氣泡在填料中曲折穿過，與水的接觸面積越大，使氧從氣相向液相的轉移效率越高[16]，相比Run2、Run3，Run1擁有更大的比表面積和氧的傳質效率，這為硝化菌的生長及穩定提供了有利條件.Run2、Run3氨氮去除情況較差，其原因是：培養階段對硝化菌的富集能力偏低；同時由于低溫的影響，導致其對氨氮的去除效果難以進一步提高.綜上，從氨氮的去除結果來看，Run1效果最好，同時表明低溫下尺寸較小的填料更易于去除氨氮.

圖3 三種工況下反應器中氨氮的去除效果

2.1.3 對TN去除的影響

三種工況正式運行期間進水總氮(TN)質量濃度分別在17.59～27.35，19.70～25.26，19.62～22.56 mg/L之間變化，平均質量濃度分別為24.30，21.72，21.02 mg/L.三種工況對TN的去除效果如圖4所示.正式運行期間，Run1、Run2、Run3的去除效率受進水水質及氨氮去除的影響較大，其去除率分別在80%，70%，70%附近波動.結合氨氮去除效果分析發現，Run1對TN去除率較Run2和Run3高出10%左右，這低于氨氮去除率的差值(20%左右).在本實驗條件下，總氮的去除主要依靠系統同步硝化反硝化作用，而硝化是其第一步.對于SBBR工藝來說，填料所處的外環境為好氧環境，反硝化細菌生長部位主要在填料的內部，其次是生物膜內層.正是由于比表面積大且孔隙多，因而相同氣量下填料與氣泡接觸面積以及受沖刷作用均較高，導致Run1反硝化菌生長區域會相對較小，進而使反硝化作用受到一定的限制，表現為總氮去除差異小于氨氮.相反地，由于硝化效果較好，Run1硝氮濃度在同一反應階段稍高于Run2和Run3，在填料內外形成一定的濃度差，有利于傳質；同時雖然Run2、Run3系統海綿體積大，但是填料深處由于物質交換的匱乏，也并不利于反硝化菌的繁殖.在綜合多種因素影響下，宏觀上表現為Run2、Run3總氮的去效果劣于Run1系統.在穩定運行期間，總氮去除率不如氨氮穩定，這是因為不僅僅受硝氮產率的影響，同時還有低溫、碳源以及DO等多因素的影響.從以上分析可知，低溫下小尺寸填料在反硝化上會受到一定的限制，但從最終的脫氮結果來看硝化作用是限制工藝低溫脫氮的主要因素.

圖4 三種工況下反應器中TN的去除效果

2.2 對系統生物膜的影響

圖5是三種工況實驗正式運行至結束期間的5次生物量檢測結果.為了方便比較，計算時將生物量依據反應器的有效容積換算成質量濃度單位(mg/L)；此外，為防止因生物量的檢測對系統產生影響，在培養初期，即按同樣的方式培養了一定數量的3種尺寸的海綿填料，每次生物量檢測完畢后向反應器內補充對應數量及尺寸的填料.從圖5可以看出，Run1生物量5次測定結果明顯高于Run2和Run3，而且Run1生物生長繁殖最為迅速，在整個正式運行期間生物量也比較穩定.至系統穩定時Run1、Run3生物量分別達到5 800，4 500 mg/L，Run2填料上生物量為2 500 mg/L左右.從生物量的檢測結果來看，Run2脫氮效果差的主要原因在于生物量偏低，并且填料內部的生物量也比較少.Run3在整個運行期間生物量均在緩慢增長，但從氨氮去除結果上看其效率依舊偏低，其主要原因是：一方面Run3內部填料尺寸偏大，在本次實驗的水力條件下有可能發生老化生物膜的積累；另一方面Run3的微生物主要附著在填料表面，影響了電子供受體硝酸鹽氮向填料內部傳遞.

圖6給出了4次比耗氧速率(SOUR)的檢測結果.從圖6可以看出，Run1的SOUR值波動劇烈，而Run2、Run3的SOUR值則是下降后基本穩定，說明Run1在運行過程中生物膜更新較為頻繁，而Run2、Run3在后期運行過程中生物膜更新速度較慢.李圭白等[17]研究認為，生物膜系統需要加快老化生物膜的脫落，這有助于提高系統的除污能力.較為穩定的生物膜不利于系統更新，同時易發生老化生物膜的積累，降低生物活性進而影響污染物去除效果.

圖5 三種工況下載體表面的生物量

圖6 三種工況下活性污泥的SOUR值

2.3 生物膜的形貌特征

取三個系統運行穩定階段生物膜進行掃描電鏡觀察，結果見圖7.從圖7(a)可以看出，Run1填料表面的生物膜結構較緊密，含有大量的球菌及短桿菌，可能是生長于填料表面的硝化菌，這有利于促進其硝化作用.從圖7(b)可以看出，Run2的生物膜中生長著大量的絲狀菌.少量的絲狀菌可以在生物膜之間起勾連作用，有助于脫落的生物膜的沉淀，而當其大量繁殖時會擠占功能菌群如硝化菌、反硝化菌的生存空間，同時絲狀菌還不具備硝化作用，因而導致Run2生物量偏低且脫氮效果不佳.從圖7(c)可以看出，Run3生物膜中存在著絲狀菌和少量的球菌.絲狀菌的連接作用以及Run3受到的水力沖刷作用相對較小的情況，很容易導致Run3發生老化生物膜的積累現象.

(a)—(c)分別對應Run1、Run2、Run3工況試驗

通過掃描電鏡觀察結果同樣可以驗證，低溫條件下填料尺寸會影響填料上硝化、反硝化菌數量，同時也對硝氮、亞硝氮、有機物等向填料傳質產生影響，最終導致各工況在脫氮方面表現出巨大差異.從掃描電鏡結果上看，Run1在硝化菌積累以及生物膜生長結構上表現較好.

2.4 歷時檢測結果對比分析

圖8為各工況穩定運行階段氨氮的歷時檢測結果.從圖8可以看出，0～2 h時Run1、Run3的氨氮降解速率基本相同，Run2較之明顯偏小；Run2、Run3在2 h后發生轉折，降解速率變緩；Run1在6 h時氨氮降解基本停止，而Run2、Run3的氨氮仍在緩慢下降.其原因是：在歷時開始的0～2 h內，由于氨氮濃度較高，系統傳質效率等均處于較佳的狀態；而在2 h之后，就需要依靠曝氣進行傳質并依靠硝化菌的吸收去除水中的氨氮，由于Run1中硝化菌數量較多，因而在2 h之后仍能維持相對較高的氨氮去除速率.

圖8 出水氨氮隨時間變化情況

圖9 出水TN隨時間變化情況

圖9為系統穩定運行階段TN的歷時檢測結果.從圖9可以看出，TN降解差異主要發生在0～2 h內，Run1和Run3在此時間段內TN的降解速率明顯高于Run2，三個系統在6 h后TN降解速度均減緩，且7 h后Run1的TN濃度依舊在下降，而Run2、Run3的TN降解基本停止.其原因是：0～2 h時間段內Run1、Run3系統TN降解受到氨氮降解的影響，氨氮在這個時間段轉化為硝酸鹽較快，系統中大量的硝氮促進了反硝化作用的進行；Run2由于氨氮降解速率明顯小于其他兩系統，進而減弱了Run2的反硝化作用.6～10 h時間段，由于Run2富集的硝化菌生物量較小影響了其硝化作用，導致反硝化效果不好；在6～8 h時間段Run1、Run3的TN去除速率基本相同，這是因為Run1和Run3在0～2 h時間段內均積累了一定數量的硝酸鹽氮，同時由于Run1反硝化的抑制作用，從而表現出Run1、Run3的TN去除率基本一致.在8 h之后Run1的TN進一步下降，其原因是Run1硝化較為徹底，在8 h之后系統中可供反硝化菌利用的底物依然充足，可以對TN做進一步的去除.

分析氨氮和TN的歷時檢測結果可以發現，三個反應器對氮的降解差異主要來源于對氨氮的降解；同時低溫下較快的硝化反應對TN的降解速率有一定的幫助，高硝化率是TN降解達標的前提，但TN的降解主導作用仍是反硝化作用.

3 結論

本文采用三種不同尺寸的立方體聚氨酯海綿作為SBBR系統工藝的填料，控制溫度為(10±1)℃，通過實驗發現三個工況下SBBR系統對COD的去除率均能達到90%以上，且Run1即邊長1 cm的填料工況系統能更有效地去除氨氮以及TN，去除率分別達98%，80%.

低溫下邊長1 cm的填料工況系統具有較大的比表面積，能夠富集更多的硝化菌，使得硝化能力優于其他兩個工況；在反硝化方面，1 cm邊長的填料更有利于硝酸鹽氮的傳質，同時較為徹底的硝化效果使得反硝化作用持續時間更長，最終使TN去除率高于其他兩個工況10%左右.