外加碳源对SBR法处理生活污水的影响研究

2012-11-16陈柏成马卓汝唐美珍

绿色科技 2012年9期

陈柏成，马卓汝，唐美珍

（曲阜师范大学生命科学学院，山东曲阜273165）

1 引言

近年来，随着大量未经深度处理的污水（工业废水、生活废水、农业面源废水等［1］）排入河流，水体富营养化现象也日益严重。水体富营养化的危害主要包括以下几个方面：一是引起地表水中植物和藻类的过度生长［2］。正常情况下，植物和藻类的生长受氮和磷等营养元素的限制，当氮、磷随污水持续进入缓流水体，可造成水生植物和藻类过度生长，引起水质恶化使水变得腥臭难闻；藻类种类逐渐减少，并由以硅藻和绿藻为主转为以蓝藻为主，而蓝藻有不少种有胶质膜，不适于作鱼饵料，并且其中有一些种属是有毒的；水生植物和藻类大量繁殖，覆盖水面，影响江河湖泊的观赏价值；以富营养化水体作为水源时，藻类可堵塞滤池而影响水厂生产，所含毒素则影响饮用水的质量。二是消耗水体的溶解氧［3］。水生植物和藻类大量繁殖，覆盖水面，不仅影响江河湖泊的观赏价值，而且阳光在穿射水层的过程中，由于被藻类吸收而衰竭，因而使得阳光难以透射进入湖泊等水体的深层，造成溶解氧的来源减少，严重影响水中鱼类的生存。三是水体富营养化常导致水生生态系统紊乱，水生生物种类减少，多样性受到破坏［4］。而且富营养化水体中含有大量硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，会导致中毒。绝大多数水体富营养化是由于氮、磷等营养元素的排入造成的。如能减少或者截断外部输入的营养物质，就使水体失去了营养物质富集的可能性。因此脱氮除磷在废水处理中所占比重逐年加大。而探索经济有效的脱氮除磷工艺就成为当前亟待解决的问题。

SBR 工艺（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）也叫序批式活性污泥法或间歇式活性污泥法，是一种利用微生物在反应器中按照一定的时间顺序间歇式操作的污水处理技术［5］。它通过对进水、曝气、沉淀、排水、静置、排泥的灵活操作，在时间上实现厌氧、缺氧、好氧的组合。SBR系统最大优点就是在时间和空间上的运行操作的灵活性［2］。通过改变运行方式、合理分配曝气和非曝气的时间，创造交替厌氧、缺氧、好氧条件可实现脱氮除磷。本工艺用于脱氮除磷具有结构简单、基建运行费用低、操作灵活等优点。目前国内研究认为SBR脱氮、除磷效果的影响因素主要有：进水搅拌时间、进气量、曝气时间、停曝搅拌时间、沉淀时间［6，7］。而由于缺氧条件下发挥脱氮作用的反硝化细菌和厌氧条件下发挥除磷作用的聚磷菌均为异养型细菌，如果没有充足的碳源，该类细菌不能充分发挥作用，脱氮除磷时的效果也将受到抑制。因此碳源的含量也是SBR运行效果的影响因素之一。

试验选择生活污水为处理对象，SBR为反应装置［8］，在运行过程中投加不同种类、不同浓度的外加碳源，通过对氨氮、总氮、总磷［9］等评价指标的测定来确定最佳投加碳源的种类和浓度。

2 材料与方法

2.1 仪器与装置

主要仪器包括202－2A型电热恒温干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司），ALC－210.4电子精密天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司），HH－6型化学耗氧量测定仪（江苏江分电分析仪器有限公司），752紫外可见分光光度计（上海菁华科技仪器有限公司），721型分光光度计（上海第三分析仪器厂），HJ－4A多头磁力加热搅拌器（常州国华电器有限公司），还有实验室常用玻璃仪器等。中心装置为SBR反应器，反应器高30cm，直径为10cm，水样体积为2L。采用鼓风曝气，用转子流量计进行曝气调节，使曝气量控制在1m3／h左右，水温为（10±2）℃。为了实现脱氮除磷效果，SBR运行方式为：瞬间进水，曝气，投加外加碳源，沉淀（总氮需要进行短时间曝气吹脱N2［10～13］），排水，静置（图1）。

图1 SBR反应器试验装置

2.2 试验材料

采用啤酒废水、葡萄糖、甲醇作为外加碳源［14～16］。依据外加碳源所产生的CODcr的效应相同的原则，所加啤酒废水的量为1.0、2.0、4.0、8.0、12.0mL；葡萄糖为0.125、0.25、0.5、1.0、1.5g；甲醇为0.1、0.2、0.4、0.8、1.2mL。活性污泥取自曲阜市生活污水处理厂AAO工艺的浓缩池；处理水样取自曲阜市生活污水处理厂进水口，其水质特征如表1所示。

表1 生活污水水质

2.3 试验方法

2.3.1 SBR运行方法

按 MLSS＝8000mg／L［13］加入活性污泥，进水后加入外加碳源，曝气120min，停止曝气搅拌60min（仅总氮测定时需要），沉淀，排水。

2.3.2 各试验指标的测定方法

对CODcr的测定［17］使用重铬酸钾法，NH＋4－N的测定［17］采用纳氏试剂分光光度法，TN的测定［18］使用碱性过硫酸钾氧化－紫外分光光度法，TP的测定［17］采用孔雀绿－磷钼杂多酸分光光度法。

3 结果与讨论

3.1 外加碳源对NH＋4－N的影响

生活污水中的氨氮主要以游离氨和离子态氨形式存在的氮，是含氮有机物作用下的分解产物，是重要的富营养化物质组成成分。

表2 外加碳源投加前后氨氮的浓度变化及去除率

由表2可以看出：当氨氮的起始浓度为在（11±3）mg／L范围内，以啤酒废水为外加碳源时氨氮的去除率为27.8%～65.7%不等，以葡萄糖为外加碳源时氨氮的去除率可达44.0%～67.8%，以甲醇为外加碳源氨氮去除率21.4%～37.6%。均大于对照组的14.0%。结果表明外加碳源的投加确能提高氨氮的去除率，葡萄糖为最佳，啤酒废水其次，甲醇最差。其中葡萄糖的加入可使除率的增幅达到最大。分析造成这一现象的原因可能是由于葡萄糖可以促进微生物的生长，而微生物的同化作用和反硝化作用可以有效将NH＋4－N去除。

3.2 外加碳源对TN的影响

由表3可以看出：当总氮的浓度处于（39.9～49.3）mg／L时，对照组的总氮去除率为34.6%。投加3种碳源后，总氮的去除率均有明显提高。投加葡萄糖以后可使总氮的去除率达最高，为65.0%，投加甲醇可使去除率最高能达到56.0%。但综合各个投加量可以发现，啤酒废水的投加可以较稳定的提高总氮的去除率，原因可能是啤酒废水含有丰富的蛋白质、脂肪、氨基酸、碳水化合物等有机物稳定提高了短程硝化反硝化阶段的反应速率，使得系统对总氮的去除率保持在49.6%～54.8%之间。因此最佳外加碳源为啤酒废水。

由图2可以看出：当进水中所含总氮浓度在（39.9%～49.3%）mg／L时，投加啤酒废水后，总氮的去除率明显高于对照组。当投加啤酒废水的量为4mL时，去除率达到最高值，为54.8%，投加2mL与12mL所得的去除率相等，均为54.1%。投入8mL时去除率稍差，仍大于对照组的34.6%。说明啤酒废水作为外加碳源对总氮的高效去除作用。

图2 以啤酒废水为碳源时总氮的浓度变化

3.3 外加碳源对TP的影响

由表4可以看出：当总磷浓度在（3.59～4.59）mg／L范围内时，对照组总磷的去除率仅为29.6%。加入啤酒废水作为碳源可以使其提高到50.4%～57.3%，属于较稳定范围内增幅；以葡萄糖为碳源时，总磷去除率最高仅为48.8%，但是上下增幅较大，不稳定；投加甲醇最高可使其达到50.8%。总磷的去除效果啤酒废水为最佳，最高达到57.3%，其次是甲醇，再次是葡萄糖。结合查阅文献得知，原因可能是由于葡萄糖可以代替细胞内的糖原力为生物生长提供能量和还原力。因此可以选择性促进聚糖菌的生长，从而降低了聚磷菌的竞争力，而啤酒废水正好与之相反作用，抑制了聚糖菌的生长，而提高了聚磷菌的竞争力。

由图3可以看出：当进水中所含磷的总量为（3.72～4.31）mg／L之间，对照组总磷的去除率较低，仅为29.6%。投加啤酒废水后，总磷的去除率稳定在50.4%～57.3%之间，其中投加8mL时得最佳去除效果，为57.3%。加入4mL啤酒废水时所得去除率相对较低，但仍远大于对照组。

表3 外加碳源投加前后总氮的浓度变化及去除率

表4 外加碳源投加前后总磷的浓度变化及去除率

图3 以啤酒废水为碳源时总磷的浓度变化

综合表2、3、4可知：3种外加碳源的投加确可以提高氮、磷的去除效果。当以葡萄糖为外加碳源时具有最大总氮去除率，甲醇次之，再次为啤酒废水。在本实验中，尽管啤酒废水对总氮去除率稍低于葡萄糖和甲醇，但是表现出对总氮更稳定的去除范围活力，在对总磷的去除率中，啤酒废水具有最大去除率和稳定的去除率范围。所以以啤酒废水为外加碳源时，总氮、总磷的去除效果总体要比以甲醇、葡萄糖为外加碳源时高。许多研究结果也表明以葡萄糖作为碳源时会使得有除磷效果进一步恶化的现象，甲醇作为碳源时脱氮除磷效果不具有优势，而且原料来源费用昂贵。因此，啤酒废水是以SBR法处理生活污水时的最佳碳源。

4 结语

不同种类、浓度的外加碳源的投加均可以使氨氮、总氮、总磷的去除率提高，证明投加外加碳源可以提高SBR法脱氮、除磷的效果。当以啤酒废水为外加碳源时，总氮、总磷的去除效果均可达研究浓度范围内的最高值。原因可能是由于啤酒废水作为生物降解的底物，易于被微生物接受为反硝化阶段、厌氧放磷阶段的碳源。以啤酒废水为碳源时，系统脱氮除磷效果明显高于其他碳源。同时啤酒废水是一种无毒废水，可生化性良好，而且来源广泛价格低廉，因而啤酒废水是一种低成本、环境友好型碳源，工业可行性良好。

［1］张占平.水体中氨氮污染来源及其控制［J］.内蒙古环境科学，2008，20（5）：71～72.

［2］张自杰.排水工程（下册）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2001.

［3］高庭耀.水污染控制工程［M］.北京：中国高等教育出版社，2002.

［4］胡萍，周青.太湖水体富营养化的植物修复［J］.农业系统科学与综合研究，2008，24（4）：447～451.

［5］冯云，蔡春红.SBR污水处理工艺技术分析［J］.江汉石油科技，2008，18（2）：68～70.

［6］薛军，戴士博，惠振强，等.SBR工艺运行方式对污染物去除效果的试验研究［J］.工业用水与废水，2008，39（1）：45～48.

［7］魏瑞霞，孙剑辉，陈金龙，等.SBR法处理废水的影响因素［J］.重庆环境科学，2003，25（11）：156～158.

［8］刘永淞.应用间歇活性污泥法处理啤酒厂污水［J］.湘潭大学自然科学学报，1989，11（2）：70～73.

［9］李燕，丁毅，张雁秋.SBR优化运行对脱氮除磷影响的研究［J］.安徽农业科学，2009，37（9）：4238～4239.

［10］高艳玲，马达.污水生物处理新技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［11］沈耀良，赵丹.强化SBR工艺脱氮除磷效果的若干对策［J］.中国给水排水，2000，16（7）：23～25.

［12］于晓彩，单连彬，刘长风，等.SBR法处理城市污水的脱氮除磷功能研究［J］.沈阳化工学院学报，2003，17（2）：99～101.