竹屑載體生物膜-活性污泥一體化SBR集成工藝的脫氮性能

陳 園，蔡麗麗，劉壯壯，邵 磊，陳姝婷，黃高鑫，劉 俊

(1.安徽建筑大學環境污染控制與廢棄物資源化利用安徽省重點實驗室，安徽合肥 230601；2.安徽中環環保科技股份有限公司，安徽合肥 230051)

近年來，由氮磷引起的水體富營養化問題日益嚴重，國家對污水排放要求越來越嚴格。然而，目前很多城市生活污水的碳氮比(C/N)都比較低，即進水C/N<5[1-3]。這類污水中碳源含量較低，無法滿足反硝化脫氮對碳源的需求，導致常規污水處理工藝(如AO、AAO)處理該類污水時脫氮效率低，從而導致出水總氮(TN)排放不達標[4-6]。因此，近年來針對此類低C/N污水的高效脫氮工藝成為眾多學者的研究熱點。

經研究，碳源的減少不會對硝化反應產生較大影響[7-8]。反硝化反應是污水脫氮的重要環節，在傳統活性污泥法脫氮工藝中，當反硝化池中的C/N低于4或5時，C/N成為異養反硝化過程的主要限制因素，反硝化細菌難以將硝態氮還原為氮氣，導致出水TN超標[9-10]。通常，污水廠會投加甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸等液體碳源，但液體碳源普遍存在投加量難以控制、出水水質不穩定、緩釋性能差等缺點[11-14]。有些學者提出采用不溶于水的可生物降解聚合物(BDPs)材料作為生物膜載體和反硝化碳源，但由于BDPs材料的成本較高，無法廣泛應用[15-18]。一些學者提出，用富含大量纖維素類物質的天然固體有機物代替傳統反硝化碳源，這類物質在自然界中廣泛存在，不僅價格低廉，而且天然植物在生長過程中吸收了各種元素，可為反硝化細菌生長繁殖提供必需營養，具有廣泛的開發前景[19-21]。當前研究固體纖維素類物質作為生物膜載體和反硝化碳源的材料大多是棉花、稻草、稻殼、花生殼、甘蔗渣等農業固體廢棄物，然而這些物質作為生物膜載體材料存在一些缺陷或不足，影響脫氮效果。如棉花纖維表面光滑不利于微生物附著和利用，稻草、稻殼和花生殼含有一定的生物惰性物質且可持續釋放有機物能力較差，甘蔗渣浸出液中有機碳濃度過高會對水體造成二次污染[22-24]。

竹屑的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，可作為生物反硝化外加的固相碳源，竹屑具有豐富的羥基和羰基等親水基團、比表面積大，能為各種細菌提供優良的生長環境，且價格低廉[21]。但以竹屑作為生物膜載體處理低C/N生活污水的研究鮮有報道。本試驗利用自行加工的竹屑作為生物載體，構建了竹屑載體生物膜-活性污泥復合系統，并將其置于兩段進水脈沖式SBR工藝內運行。著重研究了反應溫度、進水C/N和水力停留時間(HRT)等參數對系統的脫氮性能的影響，并優化系統運行條件，以期達到在不外加外碳源的條件下對低C/N污水高效脫氮的目的。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

序批式反應器(sequencing batch reactor, SBR)由有機玻璃制成，高為400 mm，直徑為150 mm，總進水體積為6 L(圖1)。在反應器壁上設置一排間距為100 mm的取樣口，用以進水和出水。反底部設曝氣盤，采用離心鼓風曝氣泵曝氣，轉子流量計調節曝氣量，石英加熱棒控制溫度，溶氧儀監測溶解氧濃度，離子濃度計監測反應器的pH，整個系統由時控開關控制。

圖1 SBR示意圖Fig.1 Schematic Diagram of SBR

1.2 試驗水質及測定方法

試驗用污水取自合肥市經開區污水處理廠曝氣沉砂池。污水相關數據經檢測后如表1所示(2020年10月—2021年4月)，其中TN、氨氮、化學需氧量(CODCr)、pH等水質指標監測方法均參考《水和廢水監測分析方法》(第四版)。為滿足試驗要求的C/N，向取自污水廠的生活污水投加葡萄糖和氯化銨。

1.3 試驗方法

試驗采用兩段進水脈沖式SBR運行，該工藝通過時間上的分段進水運行方式，充分利用原水中的有機物作為反硝化作用的有機碳源[25-26]。圖2為兩段進水脈沖式SBR示意圖，兩段進水總量為1.8 L，試驗初期HRT=12 h(好氧5 h+缺氧4 h+沉淀3 h)，好氧區溶解氧含量在1.4～1.7 mg/L，缺氧區溶解氧含量在0.25～0.35 mg/L，進水水質如表1所示。

表1 原水水質Tab.1 Raw Water Quality

圖2 兩段進水脈沖式SBR工藝示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Pulse Type SBR Process with Two-Stage Influent

竹子取自安徽省合肥市紫蓬鎮，先將竹子分鋸成塊狀。由于竹子中含有游離的氨基酸[27]，將竹塊放入去離子水中浸泡7 d釋放其含有的竹汁，然后將浸泡好的竹塊用破碎機(Taisite FW100)破碎成粒徑為0.1～0.6 mm的顆粒。取有效容積為6 L的反應器，投加竹屑填料60 g，竹屑填料的質量濃度為10 000 mg/L。反應器采用接種掛膜的方式啟動，接種污泥取自合肥市經開區污水處理廠，污泥質量濃度約為6 000 mg/L，該污泥具有良好的脫氮除磷性能。由于試驗過程中部分竹屑腐敗較快，每周根據竹屑消耗量向其中補充一定量的竹屑。試驗分為反應器啟動掛膜階段(30 d)和穩定運行階段(100 d)，生物膜掛膜階段利用污水廠原污水對反應器進行連續掛膜，30 d后取部分竹屑利用顯微鏡(OLYMPUS BX51)對其進行觀測，在確定生物膜成熟后即進入穩定運行階段。在穩定運行階段，調節反應溫度、C/N和HRT探究工藝的脫氮性能，試驗數據均為每一參數運行穩定后取5～6次數據的平均值。

2 結果與討論

2.1 溫度對系統脫氮效果的影響

為考察溫度對竹屑載體生物膜-活性污泥一體化系統脫氮效果的影響，通過調節溫控器控制反應器溫度分別為30、25、20、15、10 ℃。進水中CODCr、氨氮、TN質量濃度分別為152.48～155.73、32.81～34.82、35.26～38.28 mg/L，保持試驗進水C/N=4.0±0.5，pH值=7.4±0.3，HRT=12 h。調節系統運行溫度并每天對出水CODCr、氨氮、TN取樣檢測，結果如圖 3所示。

圖3 溫度對系統脫氮效果的影響Fig.3 Influence of Temperature on Denitrification Efficiency of the System

如圖3(a)所示，系統運行溫度分別為30、25、20、15、10 ℃時，系統的氨氮去除率分別為90.88%、91.23%、85.44%、74.26%、56.04%，氨氮去除率隨著運行溫度的降低而逐漸下降。分析原因一般認為在5～30 ℃時，溫度對硝化作用的影響遵循阿倫尼烏斯公式[28]，硝化速率影響如式(1)，溫度越低硝化速率越慢。

(1)

其中：μ——硝化速率；

θ——溫度系數；

T——反應溫度，℃。

由圖3(b)可知，隨著系統運行溫度的降低，TN去除率也逐漸降低，在10 ℃時系統對TN的去除率僅為47.10%，出水TN質量濃度為19.72 mg/L。低溫下污水廠出水的TN去除率較低，原因是溫度過低降低了反應器中微生物數量和酶的催化反應速率，抑制了微生物的活性，影響基質的擴散速率，進而影響微生物對污染物的處理效果[29]，造成和脫氮相關的硝化作用和反硝化作用降低。系統溫度在25 ℃時TN去除率達到最高，為76.56%，出水TN質量濃度為8.46 mg/L。溫度高時微生物活性好，新陳代謝旺盛，對污染物的去除效果好[30]。由圖3(c)可知，當運行溫度下降時，系統的CODCr去除率并沒有出現與氨氮去除率類似的大幅下降，且在整個低溫運行過程中，CODCr去除率一直保持良好，穩定在70%以上，出水CODCr質量濃度始終維持在45 mg/L以下。溫度大于15 ℃時，CODCr的去除率達到80%以上并能一直保持穩定。整體而言，低溫對于本系統CODCr的去除并沒有顯著影響。綜上，當溫度為25 ℃時，系統達到最佳運行狀態。

2.2 進水C/N對系統脫氮效果的影響

取自污水廠的原污水C/N約為4.0±0.5，為滿足試驗要求的C/N，考察C/N對竹屑載體生物膜-活性污泥一體化系統脫氮的影響，需向污水中加入少量的葡萄糖和氯化銨，調配進水的C/N分別為2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0，反應HRT=12 h，pH值=7.4±0.3。

圖4為反應器運行期間進出水CODCr、氨氮、TN濃度及其去除率變化情況。由圖4(a)可知，C/N=5.0時CODCr平均去除率為82.19%，出水CODCr質量濃度為33.69 mg/L，當C/N降至2.5時去除率為80.34%，出水質量濃度為19.74 mg/L，隨著C/N的降低反應器對CODCr的去除并無太大變化，出水CODCr均達到國家污水處理一級A標準(GB 18918—2002)。由圖4(b)可知，降低C/N對反應器TN去除率影響較大，隨著C/N的降低，出水TN濃度逐漸升高，去除率逐漸下降。當進水C/N=5.0、4.5、4.0時，TN去除率分別為81.26%、75.11%、73.56%，出水TN質量濃度分別為7.13、9.04、9.57 mg/L。C/N=4.0時系統出水TN質量濃度小于10.00 mg/L，在不外加碳源的前提下充分利用原水中有機物實現高效脫氮。當C/N降至2.5時，出水TN質量濃度為18.54 mg/L，TN的去除率僅為52.13%。由圖4(c)可知，系統的氨氮去除率一直維持較高的水平，氨氮的最低去除率與最高去除率分別為87.07%和92.31%，C/N降低的過程中，氨氮的去除率并未受到太大的沖擊。研究表明，碳源減少不會對硝化反應產生較大影響[7-8]，因此，出水的TN大部分為硝態氮。

圖4 C/N對系統脫氮效果的影響Fig.4 Influence of C/N on Denitrification Efficiency of the System

反硝化是將硝態氮還原為氣態氮的過程，該過程一般由異養型兼性反硝化菌在缺氧區完成，反硝化菌以硝酸鹽和亞硝酸鹽中的氮為電子受體，從電子供體的氧化反應中獲得能量。進水C/N由5.0降至2.5的過程中，碳源逐漸減少，有機物無法為硝態氮還原提供足夠電子，反硝化無法徹底進行。同時，硝酸鹽氮得電子的能力弱于氧氣，缺氧區中兼性微生物首先以氧氣為電子受體降解有機物[31]，導致出水中硝酸鹽氮大量積累。根據試驗結果，竹屑載體生物膜-活性污泥一體化系統在處理C/N=4.0的原污水時系統有較高的脫氮率。

2.3 HRT對系統脫氮效果的影響

為考察HRT對竹屑載體生物膜-活性污泥一體化系統脫氮的影響，試驗通過調節時控開關來控制系統HRT分別為8、12、16、20 h，反應時間分別為5、9、13、17 h，保持試驗進水C/N=4.0±0.5，溫度為25 ℃，pH值在7.4±0.3。

HRT直接影響微生物與基質底物的接觸時間和傳質過程[32]。圖5(a)為不同HRT條件下CODCr的去除效果，CODCr去除率隨著HRT的縮短而降低，HRT=8 h時CODCr去除率為64.29%，出水CODCr質量濃度為54.75 mg/L，HRT增至12～20 h時，出水CODCr質量濃度均小于50 mg/L，CODCr去除率在79.38%～85.36%，出水CODCr濃度滿足國家污水處理一級A標準(GB 18918—2002)。HRT是影響有機污染物去除的重要因素之一，低HRT意味著較高有機負荷，隨著HRT的增加，有機物與污染物接觸氧化時間增加，有機負荷降低，有機物去除率升高。試驗污水取自污水處理廠，污水中存在一部分難降解的有機物難以被微生物分解利用，因此，當HRT大于12 h時CODCr去除率增加不明顯。改變HRT可以顯著影響系統的脫氮效果，不同HRT下氨氮去除效果的變化如圖5(b)所示，HRT=8 h時出水氨氮質量濃度為13.83 mg/L，遠高于出水規定的一級A排放標準，氨氮的去除率隨HRT的延長而增加，當HRT=12 h時出水氨氮質量濃度為3.59 mg/L，去除率達到88.97%，已滿足排污標準。系統對TN的影響如圖5(c)所示，當HRT=8 h時，TN的平均去除率為55.54%，此時出水TN平均質量濃度為16.82 mg/L，當HRT=12、16 h時，其相應的TN去除率為77.50%、78.64%，出水的TN平均質量濃度為8.05、7.86 mg/L。在一定范圍內延長HRT，TN去除率也隨之增加，這是因為增大HRT可使反硝化細菌與硝酸鹽氮的接觸時間增加，反硝化過程進行得更徹底[33]。HRT=20 h時TN去除率明顯下降，這是因為HRT的增大使氨氮與生物膜有足夠的接觸時間被氧化成硝態氮，大量的硝態氮進入生物膜內部缺氧區進行生物反硝化，大量的有機物消耗造成碳源不足，甚至導致生物膜脫落[34-35]，最終影響系統脫氮。

圖5 HRT對系統脫氮效果的影響Fig.5 Influence of HRT on Denitrification Efficiency of the System

2.4 生物膜觀察

試驗用取自污水廠的污水進行連續掛膜，掛膜階段共持續30 d。在掛膜啟動初期，通過顯微鏡觀察竹屑表面并沒有明顯變化，至第19 d時，竹屑表面附著層明顯變大[圖6(a)]，呈淺黃色，生物膜手感黏稠并帶有泥腥味。這是由于竹屑的比表面積大，具有較強的吸附能力，水中的微生物逐漸附著到竹屑表面并形成生物膜。隨著掛膜時間的逐漸增加，到第30 d時，生物膜內層呈深褐色外表面呈黃褐色，厚度約為1 mm[圖6(b)]。對生物膜清洗后進行鏡檢，發現了大量的線蟲、鐘蟲、輪蟲等微型動物，微生物數量多且保持較高活性，30 d后，系統對CODCr的平均去除率為78%±3.0%，氨氮的去除率為81%±4.0%，TN的去除率達到67%±4.0%，且去除率趨于穩定，表明生物膜已經成熟。

圖6 竹屑掛膜效果圖Fig.6 Effect Pictures of Biofilm Culturing of Bamboo Shavings

3 結論

(1)竹屑載體生物膜-活性污泥一體化SBR工藝系統在特定的條件下能對低C/N污水實現高效脫氮，處理效果受系統運行溫度、C/N、HRT影響顯著。當系統運行溫度為25 ℃、C/N=4.0、HRT=12 h時，CODCr質量濃度從155.35 mg/L降至32.03 mg/L，TN質量濃度從35.79 mg/L降至8.05 mg/L，氨氮質量濃度從32.55 mg/L降至3.59 mg/L，平均去除率分別達到79.38%、77.50%、88.97%，均達到國家污水處理一級A標準(GB 18918—2002)。

(2)反應器采用接種掛膜的方式啟動，掛膜共持續約30 d，取部分竹屑鏡檢發現生物膜內層呈深褐色外表面呈黃褐色，厚度約為1 mm，通過對系統CODCr、TN、氨氮的連續檢測發現其去除率趨于穩定，表明生物膜已經成熟。

(3)系統置于兩段進水脈沖式SBR反應器內運行，充分利用原水中的有機物和竹屑載體釋放的碳源強化系統的脫氮效果，在無外加碳源的條件下通過調節系統運行參數實現了低C/N污水的高效脫氮。