低温下碳氮比对序批式生物膜反应器脱氮性能及胞外聚合物的影响*

朱晓丹，郭晴雯，张翰林，马 涵，李映雪，李姗姗

(青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109)

随着社会的发展，人类直接造成的生活污水量越来越多，将生活污水高效低成本地处理成为全球的理想目标。生活污水中氮、磷含量过多会造成水体富营养化，此类污水若不经过处理，将会严重威胁人类健康及生态环境。

在污水处理过程中，进水C/N主要通过影响硝化过程和反硝化过程，进而对脱氮产生影响[1]。在缺氧条件下，充足的碳源会使硝化反硝化进程会加快，提高脱氮效率[2]。胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substance，EPS)具有防止有害物质的毒害以及提供碳源等作用[3-4]。孙洪伟等[5]指出，在C/N较低时，EPS含量随着C/N比的增加而升高。但有关于高碳氮比对EPS含量的影响情况鲜有报道。另外，边德军等[6]指出，填料的加入，能够在低温条件下促进硝化反硝化作用，从而强化生物脱氮。因此，有必要针对在低温条件下高碳氮比对序批式生物膜反应器(Sequencing Biofilm Batch Reactor，SBBR)的脱氮性能、脱氮速率和EPS等指标的影响开展进一步研究。

本文以SBBR作为污水生物脱氮系统，研究了在低温条件下不同高C/N比对SBBR脱氮性能、脱氮速率、胞外聚合物的影响，对低温条件下提高高碳氮比废水的处理效率具有一定的实践借鉴作用。

1 实验内容

1.1 实验装置

实验使用有效容积为2.2 L、有效高度为38 cm、内径为 10 cm的有机玻璃制成的柱状SBBR反应器。SBBR的容量交换率为50%。SBBR的进水由继电器控制通过蠕动泵和反应器上部的进水管进入，出水由继电器控制通过出水管进行重力排水。SBBR每日运行三个周期，每个周期的时长为8 h，SBBR运行过程中，各阶段通过继电器进行自动化调控，周期内各阶段时长如下：进水阶段5 min，曝气阶段270 min，搅拌阶段150 min，沉淀阶段30 min，排水阶段5 min，闲置阶段20 min。SBBR使用反应器底部两侧的砂芯曝气头来提供曝气，保持反应器在好氧阶段和缺氧阶段的溶解氧质量浓度分别在2.0 mg/L以上和0.5 mg/L以下。SBBR反应器底部有磁力搅拌器和转子在搅拌阶段运行。SBBR使用悬浮球和多毛型片状组合填料与活性污泥进行挂膜[7]。SBBR的运行条件及运行时间如表1所示。

表1 SBBR的运行条件及运行时间

1.2 接种污泥与进水水质

1.3 分析方法

2 实验结果与讨论

2.1 碳氮比变化对SBBR脱氮性能的影响

图1 C/N比变化对SBBR脱氮性能的影响

2.2 不同碳氮比下反应周期内COD和氮的浓度变化

图2 不同C/N比下SBBR周期和的变化

2.3 碳氮比变化对比耗氧速率和脱氮速率的影响

“*”表示该样品与进水C/N比为13.3的样品显著差异(p<0.05)

2.4 碳氮比变化对胞外聚合物的影响

不同C/N比条件下EPS、LB-EPS、TB-EPS的变化如图4所示。当C/N比为13.3时，EPS为(46.28±0.64)mg/gMLSS，随着C/N比由13.3增加到20.0，EPS下降了16.00%，同时，在此变化过程中，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比的增加会使EPS、LB-EPS和TB-EPS的含量降低。可能的原因为EPS具有提供碳源的作用，当COD质量浓度增加，污水中不缺少碳源，因此细胞分泌的EPS的量减少。

“*”表示该样品与进水C/N比为13.3的样品显著差异(p<0.05)

2.5 碳氮比变化对PN与PS的影响

不同C/N比条件下LB-EPS和TB-EPS中PN、PS和PN与PS的含量比的变化如图5所示。PN和PS为EPS中的主要成分[8]。当C/N比为13.3时，LB-EPS中PN和PS分别为(6.24±0.14)mg/gMLSS和(2.63±0.27)mg/gMLSS，TB-EPS中PN和PS分别为(24.11±0.89)mg/gMLSS和(10.89±0.44)mg/gMLSS。随着C/N比由13.3变为20.0，LB-EPS中PN和PS以及TB-EPS中PN和PS分别下降了11.19%、20.99%、13.17%和20.47%，同时LB-EPS中的PN与PS的含量比由2.37增加到2.67，TB-EPS中的PN与PS的含量比由2.21增加到2.42。表明在低温条件下，随着C/N比的增加，LB-EPS和TB-EPS中的PN和PS含量出现不同程度的下降，并且PS含量的下降幅度大于PN含量的下降幅度。出现此情况的原因是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。

“*”表示该样品与进水C/N比为13.3的样品显著差异(p<0.05)

3 结 论

(2)在低温条件下，随着进水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谢活性增加。SAOR、SNOR、SNRR和SNIRR增加，表明低温下C/N比增加有利于脱氮速率的提高。

(3)在低温条件下，随着C/N比由13.3增加到20.0，EPS、LB-EPS和TB-EPS含量减少，LB-EPS和TB-EPS中的PN和PS含量也呈现下降趋势，并且PS含量的下降幅度大于PN含量的下降幅度。