填料尺寸对SBBR工艺低温脱氮影响的实验研究

边德军，闫艺明，艾胜书，聂泽兵，，王 帆，朱遂一

(1.长春工程学院水利与环境工程学院，吉林省城市污水处理重点实验室，吉林 长春 130012；2.东北师范大学环境学院，吉林省城市污水处理与水质保障科技创新中心，吉林 长春 130117)

温度对微生物的生长、繁殖、新陈代谢、种群分布和种群数量起着十分重要的作用，可以直接影响污水处理效率的高低.当前我国污水处理的主要工艺仍是生物处理，而低温城市污水处理则是污水处理行业的一大挑战[1].相关研究结果表明，城市污水处理厂低温运行时，微生物的新陈代谢和活性会受到影响，有机物的去除效率和脱氮效率降低，而丝状菌却比较活跃，这些变化直接影响污水厂出水水质[2].同时随着城市污水处理厂出水排放标准越来越严格，我国大多数污水厂都面临升级改造的问题[3].污水厂在升级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悬浮填料[4].填料的加入，一方面能够提高系统的生物量，延长污泥停留时间，可以使低温弱势菌种硝化菌的浓度提高，进而促进硝化作用；另一方面，附着于填料表面的生物膜内部为厌氧或缺氧状态，可以进行反硝化作用，因而达到低温时强化生物脱氮的目的[5].近年来，有关填料的研究主要涉及填料的种类、形状、颜色等方面[6-8]，而低温下填料尺寸对系统脱氮的影响研究则鲜见报道.为此，本文在控制水温为(10±1)℃的条件下，利用同一材质不同尺寸的海绵作为序批式生物膜反应器(sequencing batch bio-film reactor，SBBR)的填料，探究了填料尺寸对序批式生物膜反应器低温脱氮的影响.

1 材料与方法

1.1 实验装置

图1 实验装置示意图

实验装置如图1所示.采用有效容积为2 L的柱形容器作为反应器，设定三个工况(Run1、Run2、Run3)的填充率均为16%，其中Run1、Run2、Run3对应海绵的边长分别为1，1.5，2 cm，对应填料个数分别为320，96，40.实验所用海绵填料参数如下：比重16～17 kg/m3；比表面积3.8×105m2/m3；孔结构为多边形网泡内孔结构形式，大孔、小孔、微孔互穿共布，材质为亲水性聚氨酯.实验在低温控制室内进行，控制风机启停温度分别为9.5℃及12℃，实测水温为(10±1)℃.使用空气压缩机进行曝气，并用空气转子流量计对各工况曝气量进行控制.

1.2 实验用水

实验用水为人工配制的模拟城市污水.为避免水中余氯及温度对后续实验产生影响，将用于配水的自来水放置在低温控制室内晾置12 h；配水所使用的药剂为葡萄糖(C6H12O6)、氯化铵(NH4Cl)、硝酸钾(KNO3)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、碳酸氢钠(NaHCO3)，分别用来提供有机物、氨氮、硝氮、磷以及调节pH.药剂纯度均为分析纯，采购自天津市光复科技发展有限公司.运行期间配水详细水质参数见表1.pH=6.92～7.53，平均值为7.25；进水温度变化范围为9.5～10.7℃，平均值为10℃.

表1 试验用水水质参数

1.3 分析检测方法

(2) 生物量的测定.随机取出3块填料浸泡在超纯水中，洗去可逆附着成分，然后在103～105℃条件下烘干4 h，称得质量M1，然后将填料置于0.1 mol/L的NaOH碱液中超声波洗脱30 min，再机械剥离处理，用超纯水反复洗净，同样再次烘干4 h，称得质量M2，二者之差除以填料的个数即为单个填料上的生物量[10].

(3) 胞外聚合物(EPS)检测方法.蛋白质检测采用考马斯亮蓝法[11]，多糖检测采用蒽酮比色法[12].

(4) 脱氢酶活性检测利用TTC法，采用常温萃取检测法[13].

(5) 实验样品扫描电镜检测的前处理方法参考文献[14].

1.4 实验运行

本研究的目的是探究低温条件下填料尺寸对序批式生物膜系统的影响，因此控制单一变量即填料尺寸，其他因素如曝气量、环境温度、运行周期、进水水质等均保持一致.配水使用的自来水储水桶及实验全套装置均存放于低温控制室内，通过控制室温来保证水温为10℃左右.实验开始时，先向反应器中填充尺寸为1 cm的立方体海绵，随后向其中倒入2 L城市污水(接种硝化及反硝化菌)，该污水取自长春市某污水处理厂.连续曝气2 d后进入初期挂膜培养阶段.为加快挂膜，以连续曝气、每隔12 h换水、排水比为50%的方式运行.当COD去除率超过80%，即认为挂膜成功[15]，实验转入正式运行阶段.正式阶段运行稳定，则本工况运行结束.正式运行期间，每12 h换一次水，排水比100%，曝气10 h，闲置2 h，曝气量同初期培养阶段.其中启动及稳定运行期间的曝气量均为45 mL/min.Run1运行完毕之后，将反应器刷洗干净即开展后续工况的实验研究.工况Run2、Run3除填充填料不同外其启动及运行均与Run1相同.

2 结果与分析

2.1 对有机物、氮去除的影响

2.1.1 对COD去除的影响

Run1、Run2、Run3在正式运行期间进水COD平均质量浓度分别为344.0，343.9，348.3 mg/L，波动区间分别为295.3～350.6，311.5～363.4，317.5～389.8 mg/L.三种工况下对COD的去除结果如图2所示.从图2可以看出，在正式运行期间，各工况COD平均去除率基本在90%以上.每种工况正式运行的0～10 d内有机物的去除效果均有所波动，并容易受到进水水质的影响；10 d后三个工况COD去除效果基本稳定.虽然此区间进水水质波动较大，但三种工况COD去除率基本稳定在90%以上.其原因是：在反应器中微生物大部分以生物膜形式附着在载体表面，泥龄长且不易流失，总的微生物浓度相对较高，故对有机物的去除效果较好[16].从有机物去除效果来看，低温下填料尺寸对SBBR系统有机物的去除无显著影响.

图2 三种工况下反应器中COD的去除效果

2.1.2 对氨氮去除的影响

实验正式运行期间Run1、Run2、Run3进水氨氮质量浓度分别为14.79～24.55，18.63～23.04，18.94～20.97 mg/L，平均进水质量浓度分别为21.50，20.44，20.01 mg/L.三种工况对氨氮的去除效果如图3所示.从图3可以看出，Run1、Run2、Run3在正式运行的0～10 d内氨氮去除率波动均较大，10 d之后三种工况氨氮去除率趋于稳定.在稳定时期，Run1去除率基本保持在98%左右，Run2、Run3分别在75%，80%上下波动.其原因是：在填料材质相同的情况下，Run1填充的小尺寸填料的比表面积是Run2及Run3的1.5及2倍，因此Run1为硝化菌提供了更大的附着环境；同时Run1填料个数明显多于Run2、Run3系统，系统内的填料间隙要多于其他系统，气泡在填料中曲折穿过，与水的接触面积越大，使氧从气相向液相的转移效率越高[16]，相比Run2、Run3，Run1拥有更大的比表面积和氧的传质效率，这为硝化菌的生长及稳定提供了有利条件.Run2、Run3氨氮去除情况较差，其原因是：培养阶段对硝化菌的富集能力偏低；同时由于低温的影响，导致其对氨氮的去除效果难以进一步提高.综上，从氨氮的去除结果来看，Run1效果最好，同时表明低温下尺寸较小的填料更易于去除氨氮.

图3 三种工况下反应器中氨氮的去除效果

2.1.3 对TN去除的影响

三种工况正式运行期间进水总氮(TN)质量浓度分别在17.59～27.35，19.70～25.26，19.62～22.56 mg/L之间变化，平均质量浓度分别为24.30，21.72，21.02 mg/L.三种工况对TN的去除效果如图4所示.正式运行期间，Run1、Run2、Run3的去除效率受进水水质及氨氮去除的影响较大，其去除率分别在80%，70%，70%附近波动.结合氨氮去除效果分析发现，Run1对TN去除率较Run2和Run3高出10%左右，这低于氨氮去除率的差值(20%左右).在本实验条件下，总氮的去除主要依靠系统同步硝化反硝化作用，而硝化是其第一步.对于SBBR工艺来说，填料所处的外环境为好氧环境，反硝化细菌生长部位主要在填料的内部，其次是生物膜内层.正是由于比表面积大且孔隙多，因而相同气量下填料与气泡接触面积以及受冲刷作用均较高，导致Run1反硝化菌生长区域会相对较小，进而使反硝化作用受到一定的限制，表现为总氮去除差异小于氨氮.相反地，由于硝化效果较好，Run1硝氮浓度在同一反应阶段稍高于Run2和Run3，在填料内外形成一定的浓度差，有利于传质；同时虽然Run2、Run3系统海绵体积大，但是填料深处由于物质交换的匮乏，也并不利于反硝化菌的繁殖.在综合多种因素影响下，宏观上表现为Run2、Run3总氮的去效果劣于Run1系统.在稳定运行期间，总氮去除率不如氨氮稳定，这是因为不仅仅受硝氮产率的影响，同时还有低温、碳源以及DO等多因素的影响.从以上分析可知，低温下小尺寸填料在反硝化上会受到一定的限制，但从最终的脱氮结果来看硝化作用是限制工艺低温脱氮的主要因素.

图4 三种工况下反应器中TN的去除效果

2.2 对系统生物膜的影响

图5是三种工况实验正式运行至结束期间的5次生物量检测结果.为了方便比较，计算时将生物量依据反应器的有效容积换算成质量浓度单位(mg/L)；此外，为防止因生物量的检测对系统产生影响，在培养初期，即按同样的方式培养了一定数量的3种尺寸的海绵填料，每次生物量检测完毕后向反应器内补充对应数量及尺寸的填料.从图5可以看出，Run1生物量5次测定结果明显高于Run2和Run3，而且Run1生物生长繁殖最为迅速，在整个正式运行期间生物量也比较稳定.至系统稳定时Run1、Run3生物量分别达到5 800，4 500 mg/L，Run2填料上生物量为2 500 mg/L左右.从生物量的检测结果来看，Run2脱氮效果差的主要原因在于生物量偏低，并且填料内部的生物量也比较少.Run3在整个运行期间生物量均在缓慢增长，但从氨氮去除结果上看其效率依旧偏低，其主要原因是：一方面Run3内部填料尺寸偏大，在本次实验的水力条件下有可能发生老化生物膜的积累；另一方面Run3的微生物主要附着在填料表面，影响了电子供受体硝酸盐氮向填料内部传递.

图6给出了4次比耗氧速率(SOUR)的检测结果.从图6可以看出，Run1的SOUR值波动剧烈，而Run2、Run3的SOUR值则是下降后基本稳定，说明Run1在运行过程中生物膜更新较为频繁，而Run2、Run3在后期运行过程中生物膜更新速度较慢.李圭白等[17]研究认为，生物膜系统需要加快老化生物膜的脱落，这有助于提高系统的除污能力.较为稳定的生物膜不利于系统更新，同时易发生老化生物膜的积累，降低生物活性进而影响污染物去除效果.

图5 三种工况下载体表面的生物量

图6 三种工况下活性污泥的SOUR值

2.3 生物膜的形貌特征

取三个系统运行稳定阶段生物膜进行扫描电镜观察，结果见图7.从图7(a)可以看出，Run1填料表面的生物膜结构较紧密，含有大量的球菌及短杆菌，可能是生长于填料表面的硝化菌，这有利于促进其硝化作用.从图7(b)可以看出，Run2的生物膜中生长着大量的丝状菌.少量的丝状菌可以在生物膜之间起勾连作用，有助于脱落的生物膜的沉淀，而当其大量繁殖时会挤占功能菌群如硝化菌、反硝化菌的生存空间，同时丝状菌还不具备硝化作用，因而导致Run2生物量偏低且脱氮效果不佳.从图7(c)可以看出，Run3生物膜中存在着丝状菌和少量的球菌.丝状菌的连接作用以及Run3受到的水力冲刷作用相对较小的情况，很容易导致Run3发生老化生物膜的积累现象.

(a)—(c)分别对应Run1、Run2、Run3工况试验

通过扫描电镜观察结果同样可以验证，低温条件下填料尺寸会影响填料上硝化、反硝化菌数量，同时也对硝氮、亚硝氮、有机物等向填料传质产生影响，最终导致各工况在脱氮方面表现出巨大差异.从扫描电镜结果上看，Run1在硝化菌积累以及生物膜生长结构上表现较好.

2.4 历时检测结果对比分析

图8为各工况稳定运行阶段氨氮的历时检测结果.从图8可以看出，0～2 h时Run1、Run3的氨氮降解速率基本相同，Run2较之明显偏小；Run2、Run3在2 h后发生转折，降解速率变缓；Run1在6 h时氨氮降解基本停止，而Run2、Run3的氨氮仍在缓慢下降.其原因是：在历时开始的0～2 h内，由于氨氮浓度较高，系统传质效率等均处于较佳的状态；而在2 h之后，就需要依靠曝气进行传质并依靠硝化菌的吸收去除水中的氨氮，由于Run1中硝化菌数量较多，因而在2 h之后仍能维持相对较高的氨氮去除速率.

图8 出水氨氮随时间变化情况

图9 出水TN随时间变化情况

图9为系统稳定运行阶段TN的历时检测结果.从图9可以看出，TN降解差异主要发生在0～2 h内，Run1和Run3在此时间段内TN的降解速率明显高于Run2，三个系统在6 h后TN降解速度均减缓，且7 h后Run1的TN浓度依旧在下降，而Run2、Run3的TN降解基本停止.其原因是：0～2 h时间段内Run1、Run3系统TN降解受到氨氮降解的影响，氨氮在这个时间段转化为硝酸盐较快，系统中大量的硝氮促进了反硝化作用的进行；Run2由于氨氮降解速率明显小于其他两系统，进而减弱了Run2的反硝化作用.6～10 h时间段，由于Run2富集的硝化菌生物量较小影响了其硝化作用，导致反硝化效果不好；在6～8 h时间段Run1、Run3的TN去除速率基本相同，这是因为Run1和Run3在0～2 h时间段内均积累了一定数量的硝酸盐氮，同时由于Run1反硝化的抑制作用，从而表现出Run1、Run3的TN去除率基本一致.在8 h之后Run1的TN进一步下降，其原因是Run1硝化较为彻底，在8 h之后系统中可供反硝化菌利用的底物依然充足，可以对TN做进一步的去除.

分析氨氮和TN的历时检测结果可以发现，三个反应器对氮的降解差异主要来源于对氨氮的降解；同时低温下较快的硝化反应对TN的降解速率有一定的帮助，高硝化率是TN降解达标的前提，但TN的降解主导作用仍是反硝化作用.

3 结论

本文采用三种不同尺寸的立方体聚氨酯海绵作为SBBR系统工艺的填料，控制温度为(10±1)℃，通过实验发现三个工况下SBBR系统对COD的去除率均能达到90%以上，且Run1即边长1 cm的填料工况系统能更有效地去除氨氮以及TN，去除率分别达98%，80%.

低温下边长1 cm的填料工况系统具有较大的比表面积，能够富集更多的硝化菌，使得硝化能力优于其他两个工况；在反硝化方面，1 cm边长的填料更有利于硝酸盐氮的传质，同时较为彻底的硝化效果使得反硝化作用持续时间更长，最终使TN去除率高于其他两个工况10%左右.