低溫下碳氮比對(duì)序批式生物膜反應(yīng)器脫氮性能及胞外聚合物的影響*

朱曉丹，郭晴雯，張翰林，馬 涵，李映雪，李?yuàn)檴?/p>

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類直接造成的生活污水量越來越多，將生活污水高效低成本地處理成為全球的理想目標(biāo)。生活污水中氮、磷含量過多會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，此類污水若不經(jīng)過處理，將會(huì)嚴(yán)重威脅人類健康及生態(tài)環(huán)境。

在污水處理過程中，進(jìn)水C/N主要通過影響硝化過程和反硝化過程，進(jìn)而對(duì)脫氮產(chǎn)生影響[1]。在缺氧條件下，充足的碳源會(huì)使硝化反硝化進(jìn)程會(huì)加快，提高脫氮效率[2]。胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substance，EPS)具有防止有害物質(zhì)的毒害以及提供碳源等作用[3-4]。孫洪偉等[5]指出，在C/N較低時(shí)，EPS含量隨著C/N比的增加而升高。但有關(guān)于高碳氮比對(duì)EPS含量的影響情況鮮有報(bào)道。另外，邊德軍等[6]指出，填料的加入，能夠在低溫條件下促進(jìn)硝化反硝化作用，從而強(qiáng)化生物脫氮。因此，有必要針對(duì)在低溫條件下高碳氮比對(duì)序批式生物膜反應(yīng)器(Sequencing Biofilm Batch Reactor，SBBR)的脫氮性能、脫氮速率和EPS等指標(biāo)的影響開展進(jìn)一步研究。

本文以SBBR作為污水生物脫氮系統(tǒng)，研究了在低溫條件下不同高C/N比對(duì)SBBR脫氮性能、脫氮速率、胞外聚合物的影響，對(duì)低溫條件下提高高碳氮比廢水的處理效率具有一定的實(shí)踐借鑒作用。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)使用有效容積為2.2 L、有效高度為38 cm、內(nèi)徑為 10 cm的有機(jī)玻璃制成的柱狀SBBR反應(yīng)器。SBBR的容量交換率為50%。SBBR的進(jìn)水由繼電器控制通過蠕動(dòng)泵和反應(yīng)器上部的進(jìn)水管進(jìn)入，出水由繼電器控制通過出水管進(jìn)行重力排水。SBBR每日運(yùn)行三個(gè)周期，每個(gè)周期的時(shí)長(zhǎng)為8 h，SBBR運(yùn)行過程中，各階段通過繼電器進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)控，周期內(nèi)各階段時(shí)長(zhǎng)如下：進(jìn)水階段5 min，曝氣階段270 min，攪拌階段150 min，沉淀階段30 min，排水階段5 min，閑置階段20 min。SBBR使用反應(yīng)器底部?jī)蓚?cè)的砂芯曝氣頭來提供曝氣，保持反應(yīng)器在好氧階段和缺氧階段的溶解氧質(zhì)量濃度分別在2.0 mg/L以上和0.5 mg/L以下。SBBR反應(yīng)器底部有磁力攪拌器和轉(zhuǎn)子在攪拌階段運(yùn)行。SBBR使用懸浮球和多毛型片狀組合填料與活性污泥進(jìn)行掛膜[7]。SBBR的運(yùn)行條件及運(yùn)行時(shí)間如表1所示。

表1 SBBR的運(yùn)行條件及運(yùn)行時(shí)間

1.2 接種污泥與進(jìn)水水質(zhì)

1.3 分析方法

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 碳氮比變化對(duì)SBBR脫氮性能的影響

圖1 C/N比變化對(duì)SBBR脫氮性能的影響

2.2 不同碳氮比下反應(yīng)周期內(nèi)COD和氮的濃度變化

圖2 不同C/N比下SBBR周期和的變化

2.3 碳氮比變化對(duì)比耗氧速率和脫氮速率的影響

“*”表示該樣品與進(jìn)水C/N比為13.3的樣品顯著差異(p<0.05)

2.4 碳氮比變化對(duì)胞外聚合物的影響

不同C/N比條件下EPS、LB-EPS、TB-EPS的變化如圖4所示。當(dāng)C/N比為13.3時(shí)，EPS為(46.28±0.64)mg/gMLSS，隨著C/N比由13.3增加到20.0，EPS下降了16.00%，同時(shí)，在此變化過程中，LB-EPS由(9.83±0.24)mg/gMLSS降低至(8.39±0.08)mg/gMLSS，下降了14.65%；TB-EPS由(36.46±0.45)mg/gMLSS降低至(30.49±0.56)mg/gMLSS，下降了16.36%，表明C/N比的增加會(huì)使EPS、LB-EPS和TB-EPS的含量降低。可能的原因?yàn)镋PS具有提供碳源的作用，當(dāng)COD質(zhì)量濃度增加，污水中不缺少碳源，因此細(xì)胞分泌的EPS的量減少。

“*”表示該樣品與進(jìn)水C/N比為13.3的樣品顯著差異(p<0.05)

2.5 碳氮比變化對(duì)PN與PS的影響

不同C/N比條件下LB-EPS和TB-EPS中PN、PS和PN與PS的含量比的變化如圖5所示。PN和PS為EPS中的主要成分[8]。當(dāng)C/N比為13.3時(shí)，LB-EPS中PN和PS分別為(6.24±0.14)mg/gMLSS和(2.63±0.27)mg/gMLSS，TB-EPS中PN和PS分別為(24.11±0.89)mg/gMLSS和(10.89±0.44)mg/gMLSS。隨著C/N比由13.3變?yōu)?0.0，LB-EPS中PN和PS以及TB-EPS中PN和PS分別下降了11.19%、20.99%、13.17%和20.47%，同時(shí)LB-EPS中的PN與PS的含量比由2.37增加到2.67，TB-EPS中的PN與PS的含量比由2.21增加到2.42。表明在低溫條件下，隨著C/N比的增加，LB-EPS和TB-EPS中的PN和PS含量出現(xiàn)不同程度的下降，并且PS含量的下降幅度大于PN含量的下降幅度。出現(xiàn)此情況的原因是EPS含量降低，而EPS的主要成分是PS和PN，所以PS和PN的含量降低。

“*”表示該樣品與進(jìn)水C/N比為13.3的樣品顯著差異(p<0.05)

3 結(jié) 論

(2)在低溫條件下，隨著進(jìn)水C/N比由13.3增加到20.0，SOUR增加，表明活性污泥中微生物代謝活性增加。SAOR、SNOR、SNRR和SNIRR增加，表明低溫下C/N比增加有利于脫氮速率的提高。

(3)在低溫條件下，隨著C/N比由13.3增加到20.0，EPS、LB-EPS和TB-EPS含量減少，LB-EPS和TB-EPS中的PN和PS含量也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且PS含量的下降幅度大于PN含量的下降幅度。