農村生活污水處理中SBR工藝效能研究

郝玉芳，王 超

(河北省石家莊水文勘測研究中心，石家莊 050000)

1 概 述

序批式反應器(sequencing batch reactor，SBR)是一類經典的基于微生物懸浮生長的污水凈化工藝，它將進水、反應、排水等多個工序按時間批次安排在同一個生物反應器內，可實現一體化操作，占地少，操作便捷，在多個不同類型的污水處理領域有著十分重要的應用和推廣價值[1]。但是，隨著污水排放標準的日益嚴苛，傳統SBR工藝對污染物的去除效率已經難以滿足現有要求，探尋提高其處理效能的方法[2]，成為近年來污水工藝提標改造方向的研究熱點。

趙鵬程等[3]為提高SBR工藝的污水處理效果，向傳統SBR系統內投加2 000 mg/L的強磁性粉末，結果表明該方法可使COD、NH4+-N和TP污染物的平均去除率分別在98%、95%、83%以上。張發奎等[4]為改良SBR工藝對某污水廠焦化廢水的處理效果，向反應器內投加PFMF后，考察其對污染物去除情況的影響，研究結果表明該方法對COD、NH4+-N和TN均有著較優的去除效率，與傳統SBR工藝相比，上述指標去除率分別提高15%、11%、19%以上。周松偉[5]等以增強SBR系統對印染廢水的處理效果為目的，向系統內添加天然沸石粉，可實現最高NH4+-N去除負荷為1.12 kg/(m3·d)。徐芯渝等[6]為強化SBR系統對垃圾滲濾液的處理效果，從原液中分離出一株光合細菌R1并投加到SBR系統中，研究對其系統處理性能的影響，結果表明投加了R1的反應器對COD、NH4+-N的去除率分別高于76%、65%，同時可實現94%以上的TP去除，且系統的產泥量有所減少。

生物炭是在限氧條件下，通過生物質的熱化學反應轉化得到的富碳產品[7]。日常生活、生產中能被應用于制成生物炭的材料來源非常豐富，常見的有農業廢棄物、林業廢棄物、畜禽糞便、污泥和沼氣殘渣等[8-9]。其中，玉米芯作為一類年產生量巨大的廢棄生物質，用作制備生物炭材料具有較高的可行性和較強的應用基礎[10]。目前，關于玉米芯生物炭吸附水中某些污染物的研究較多，但將其應用于SBR工藝來強化污水處理效能的研究卻鮮見報道。

因此，本文選取廢棄玉米芯為原料，制成生物炭并添加至SBR系統內，分析其對該工藝污染物處理效果及污泥沉降速率的影響，探討其應用于強化SBR工藝污水處理效能的可行性，以期為優化該工藝的凈水性能提供更多的可選方法，也為廢棄玉米芯資源的再利用提供新的途徑。

2 材料與方法

2.1 實驗裝置及接種污泥

SBR反應裝置見圖1，有效容積為10L。在實驗裝置的底部，安裝有一個微孔曝氣盤，通過空氣泵供氧，使曝氣階段的溶解氧濃度保持在3.5mg/L左右。每個周期耗時12h，單個周期的運行程序設定為：進水15min，曝氣(同時攪拌)8h，攪拌2h，沉淀1h，排水15min，閑置30min，在室溫25℃左右運行。曝氣和攪拌階段均開啟攪拌器，攪拌速率為120r/min。接種污泥取自成都某生活污水處理廠的厭氧池污泥，悶曝3d后使用，通過適時排泥控制MLSS為3 000～4 000mg/L。

圖1 SBR反應裝置示意圖

2.2 實驗用水

實驗用水取自成都某生活污水處理廠進水口的實際污水，經測試，進水COD、NH4+-N、TN、TP濃度范圍分別為214.5～263.9、35.2～45.2、40.2～50.1、2.5～4.5mg/L，pH為7.1～7.9。進水前，先通過預處理手段去除污水中較明顯的漂浮物、懸浮物等雜質。

2.3 生物炭制備

采用取自成都某農戶產生的廢棄玉米芯為原材料，洗凈、烘干、粉碎后送入馬弗爐內，在限氧條件下升溫至600℃后恒溫2.5 h，再將得到的每1g熱解產物中加入15ml鹽酸溶液(1mol/L)進行酸洗，結束后，用去離子水清洗至上清液為中性左右，收集固體烘干后過100目篩，得到的篩出物即為玉米芯生物炭，標記為C600，保存備用。

2.4 實驗方案

采用2組相同構型的SBR反應裝置進行實驗啟動，編號分別為S0和S1。S0為對照組，不投加C600，S1內投加1g/L的C600。每個周期排水和進水各4L，當實現80%以上的COD穩定去除時，認定SBR工藝啟動成功。進入穩定運行階段后，考察S0和S1對主要污染物的去除效果及系統內污泥的沉降速率。

2.5 分析方法

水質檢測方法依照國家標準方法進行。污泥沉降體積采用量筒取樣觀測，沉降速率依據不同沉降時間下的污泥沉降體積計算求出。C600表面形貌采用場發射掃描電鏡(Gemini 300，ZEISS)測定。

3 結果與討論

3.1 生物炭表面特征

圖2為C600的電鏡掃描結果。由圖2可以看到，玉米芯生物炭表面有大量的褶皺和孔隙，粗糙不平，介孔數量較多。這是由于高溫熱解使玉米芯內部發生了熱化學反應，有機質在分解過程中產生的氣體從內部沖開，從而形成大量的孔道，使C600擁有更大的比表面積，為提高其對污染物的吸附能力和對微生物的負載能力創造了有利條件。

圖2 玉米芯生物炭SEM圖

3.2 COD去除效能

S0和S1對污水中COD的去除情況見圖3。由圖3可知，在啟動初期，S0和S1均有著較高的COD出水濃度，該類污染物的去除率偏低，這可能是由于新接種的污泥還未完全適應新的曝氣條件所致。隨著運行時間的延長，COD出水濃度逐漸減小，S0在運行至第23d時，COD出水濃度為45.6mg/L，去除率為81.9%，此后進入穩定運行階段，因而其啟動耗時為23d，穩定運行階段COD出水濃度均值達到44.8mg/L，去除率為81.6%。S1表現出和S0類似的變化規律，但其啟動耗時僅為12d，COD去除率即可達到80%以上，相比S0的啟動耗時縮短11d。不僅如此，當運行至第21d時，S1可實現90%以上的COD降解。穩定運行階段，S1的出水COD質量濃度均值僅為19.8mg/L，相比S0減少25mg/L；S1的COD去除率均值達到91.9%，相比未投加C600的S0提高10.3%。由此可見，C600的投加不僅能加速SBR工藝的啟動，同時還能有效提高其對污水中COD的去除效能，使其擁有更高的有機物利用效率。

圖3 SBR工藝對COD的去除情況

3.3 脫氮效能

穩定運行階段，S0和S1對NH4+-N的去除情況見圖4。從圖4來看，未投加C600的S0對NH4+-N的平均去除率為87.5%，出水NH4+-N濃度范圍為3.6～7.1mg/L。投加C600的S1對NH4+-N的平均去除率達到93.4%，相比S0提高5.9%，出水NH4+-N濃度僅為3.6～7.1mg/L。由此可見，C600的投加進一步增強了SBR工藝對污水中NH4+-N的去除效能[11]。

圖4 SBR工藝對NH4+-N的去除情況

為進一步考察氮素污染物的真實去除情況，對穩定運行階段的TN進出水濃度變化和去除效率進行分析，結果見圖5。由圖5可知，S0對污水中TN的去除性能不佳，出水TN的質量濃度在18.5～27.1mg/L范圍內波動，TN去除率均值僅有50.3%。這說明S0雖然有著較為可觀的NH4+-N去除效能，但是TN去除效能卻并未得到同步提升，其原因可能是NH4+-N在曝氣階段被氧化為硝態氮或亞硝態氮后，由于有機碳源缺乏，并未能在攪拌階段高效反硝化還原為氣態氮，而是大量隨出水排出，導致出水中依然含有較高濃度的TN[12]。與之相反，S1的TN去除效果則有明顯的提升，出水TN的質量濃度范圍僅為6.2～10.6mg/L，TN去除率均值升高到81.6%，相比S0提高31.3%，可見C600的投加為反硝化脫氮提供了有利條件。分析認為，C600具有較為可觀的比表面積和較為充裕的吸附空間，不僅能增強對水中氮素污染物的吸附效果，同時也能為脫氮微生物提供良好的附著表面和更多不同類型的微環境，為發生短程反硝化、厭氧氨氧化、同步硝化反硝化等脫氮過程提供了便利[13-14]，從而增強了脫氮效能。

圖5 SBR工藝對TN的去除情況

3.4 除磷效能

C600投加前后，SBR工藝對TP的去除情況見圖6。由圖6可知，污水經過S0處理后，TP的質量濃度降至0.52～1.29mg/L，TP去除率均值可達到75.8%，投加C600后，SBR系統的TP處理效果有所提升，TP出水濃度降至0.13～0.72mg/L，平均去除率升高至90.2%，比S0提高14.4%。玉米芯生物炭的投加為SBR系統更高效地吸附磷素污染物提供了條件，使附著在生物炭上的微生物能充分利用這些污染物進行新陳代謝，從而提高其處理效能[15]。

圖6 SBR工藝對TP的去除情況

3.5 對污泥沉降速率的影響

圖7為穩定運行期S0和S1內污泥沉降體積和沉降速率的變化情況。由圖7可知，2個SBR系統內的污泥沉降比逐漸減小，沉降30min后，未投加C600的S0系統內污泥沉降體積為29ml，相應的污泥的沉降速率為2.37ml/min；而沉降30min后，投加C600的S1系統內的污泥沉降體積為24mL，相比S0有所減少，但相應的污泥沉降速率升至2.53ml/min，相比S0提高7.04%。由此可見，投加C600后，SBR系統內的污泥沉降速率有所提高，更高的污泥沉降速率反映出系統內污泥和污水更優的分離性能，從而在提升出水水質的同時，工藝運行效能也得到強化。

圖7 污泥沉降體積和速率的變化

4 結 論

為增強SBR工藝的污水處理效能，采用玉米芯為原材料，制備了生物炭并投加至SBR系統內，探討玉米芯生物炭對該工藝處理性能的影響，結論如下：

1)按1g/L的量投加玉米芯生物炭到SBR系統內，啟動反應器僅需12d的時間，在穩定運行階段可實現91.9%的COD去除，相比未投加生物炭時提高10.3%。

2)穩定運行階段，投加玉米芯生物炭的SBR系統對NH4+-N、TN的去除率均值分別達到了93.4%、81.6%，相比未投加生物炭時分別提高5.9%、31.3%，生物炭的投加增強了脫氮效能。

3)投加玉米芯生物炭后，SBR工藝對TP的去除效能也有所提升，平均去除率由未投加生物炭時的75.8%提升至90.2%，增幅達到14.4%。

4)玉米芯生物炭的投加有助于提高SBR工藝的污泥沉降速率，由原來的2.37ml/min提高到2.53ml/min，泥水分離效果增強，使出水水質得到進一步提高。