电气石强化序批式生物膜反应器脱氮效能研究*

贾 兰 周 铎 赵 光 李 崴

(1.辽宁工业大学化学与环境工程学院，辽宁 锦州 121001；2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；3.阜新市新环水处理运营有限公司，辽宁 阜新 123000)

电气石强化序批式生物膜反应器脱氮效能研究*

贾 兰1周 铎1赵 光2李 崴3

(1.辽宁工业大学化学与环境工程学院，辽宁 锦州 121001；2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；3.阜新市新环水处理运营有限公司，辽宁 阜新 123000)

比较了含电气石的新型陶粒生物膜载体和普通陶粒生物膜载体组成的电气石强化序批式生物膜反应器(SBBR)工艺和普通SBBR工艺的脱氮效能。结果表明，新型陶粒生物膜载体具有更好的吸附性能和生物亲和性。单周期分析表明，电气石强化SBBR工艺中氨氮浓度明显低于普通SBBR工艺，同步反硝化作用也强于普通SBBR工艺，表明电气石强化SBBR工艺的的脱氮效果优于普通SBBR工艺。90 d的稳定运行进一步证明了电气石强化SBBR工艺的脱氮性能优于普通SBBR工艺，而且COD和总磷的去除效果也优于普通SBBR工艺。

电气石 序批式生物膜反应器 脱氮

随着水体污染不断加剧，富营养化问题日益突出，最大限度地控制氮排放进入水环境中是防止水体富营养化的关键。生物膜法是城市污水处理厂中广泛应用的生物脱氮工艺[1]。其中，序批式生物膜反应器(SBBR)是近年来国内外研究的热点[2]。

电气石是一种环状硅酸盐晶体矿物，具有自发电极性，这种电极性可以引起电气石两端具有相反的极性，还使其具有压电效应和热电效应[3-5]。夏枚生等[6]通过向富集硝化细菌的活性污泥中添加电气石，培养21 d后发现，活性污泥中硝化细菌的数量比未添加电气石的对照组明显增多。

本研究在SBBR普通陶粒生物膜载体的基础上掺杂电气石，自制了新型陶粒生物膜载体用于SBBR，并与普通陶粒生物膜载体对比，研究电气石强化SBBR工艺的脱氮效能，为污水的脱氮理论研究和工程应用提供指导。

1 材料与方法

1.1 生物膜载体的制备与表征

根据文献[7]，以电气石、粉煤灰、污泥为主要原材料，以硅酸钠为添加剂，NaOH为助溶剂，秸秆为造孔剂，经过干燥、粉碎、筛分、成型、烧制5个过程制备得到掺杂电气石的新型陶粒生物膜载体。不添加电气石即制得普通陶粒生物膜载体。

1—柱体；2—排泥斗；3—填料区；4—曝气盘；5—环形布水器；6、7、8—取样口；9—排泥口；10—气体流量计；11—微型曝气泵；12—进水水泵；13—配水槽；14—循环泵；15—出水槽；16—溶解氧测试仪图1 实验装置Fig.1 Experimental device

表1 微量元素溶液的组成

采用汞压力法对陶粒的比表面积、孔容积和孔径进行表征；采用排水法对表观密度进行表征；采用电泳法对Zeta电位进行表征；采用《煤质颗粒活性炭试验方法 亚甲基蓝吸附值的测定》(GB/T 7702.6—2008)对亚甲基蓝吸附值进行表征。

1.2 SBBR实验装置

SBBR实验装置如图1所示，共有2个，1个填料为新型陶粒生物膜载体，即电气石强化SBBR工艺；1个填料为普通陶粒生物膜载体，即普通SBBR工艺。其中，SBBR由有机玻璃制成，内径为20 cm，有效容积30 L，包括下部的排泥斗有效容积3 L。在SBBR上部、中部和下部分别设有3个取样口，可根据需求分段取样，本研究取上清液即在上部取样口取样。SBBR底部装有曝气盘，对装置均匀布气，微型曝气泵开启与关闭及曝气量根据不同反应阶段所需的溶解氧大小通过气体流量计进行调节。外接循环泵，在SBBR进行缺氧反应时循环搅拌，以实现污水与生物膜的充分接触。在反应器底部设有排泥口，定期排泥。

挂膜启动成功后，1个完整运行周期如下：首先启动进水水泵，将配水槽中的污水抽入反应器柱体底部的环形布水器进水，循环泵、曝气盘和微型曝气泵按预先设定的时间运行，进水30 min、厌氧3 h、好氧7 h、缺氧1 h、排水30 min[8]。溶解氧控制为好氧2.0～3.0 mg/L，缺氧0.2～0.5 mg/L，厌氧小于0.2 mg/L。

1.3 试验用水

试验用污水由人工配制而成[9]，由葡萄糖、KH2PO4、NH4Cl、CaCl2、MgSO4·7H2O配得COD、氨氮、总磷、Ca2+、Mg2+质量浓度分别为250.00、60.00、12.00、21.00、8.00 mg/L，再每升污水中加入1 mL微量元素溶液，其组成如表1所示，pH控制在6.7～8.2。

1.4 检测方法

COD、总磷、氨氮、总氮和硝酸盐氮等主要指标的检测方法[10]如表2所示。

表2 主要指标的检测方法

2 试验结果与分析

2.1 生物膜载体的结构表征

由表3可见，新型陶粒生物膜载体的亚甲蓝吸附值较大，比表面积也较大，反映电气石各孔隙之间的连通较好。从孔径大小来看，电气石以大孔和超大孔居多，拥有较好的吸附和固定微生物的能力。由Zeta电位也反映出电气石与微生物的亲和性更好。

2.2 电气石强化SBBR脱氮效能分析

2.2.1 单周期分析

由图2(a)可见，氨氮浓度在反应过程中不断降低。电气石强化SBBR工艺的好氧段内氨氮下降尤为迅速，好氧段末电气石强化SBBR工艺和普通SBBR工艺中氨氮质量浓度分别为9.02、16.70 mg/L。

由此可见，电气石强化SBBR工艺中氨氮浓度明显低于普通SBBR工艺，说明电气石能促进SBBR在好氧段对氨氮的氧化能力。

但比较图2(a)和图2(b)发现，好氧段氨氮的减少量远大于硝酸盐氮生成量，是好氧段发生了同步硝化反硝化作用。经计算得到，电气石强化SBBR工艺和普通SBBR工艺的同步反硝化脱氮量分别为4.84、2.62 mg/L，反硝化作用也是电气石强化SBBR工艺强。好氧段发生同步反硝化的原因可能是氧的分布在活性污泥絮凝体上从表面到内核并不均匀，外层为好氧区，进行硝化作用，内层为缺氧区，进行反硝化作用，也可能是好氧反硝化菌的作用。

为进一步明确电气石强化SBBR工艺的脱氮效能，分析了总氮的变化(见图3)。电气石强化SBBR工艺和普通SBBR工艺出水总氮质量浓度分别为12.50、21.40 mg/L，可见电气石强化SBBR工艺的脱氮效果比普通SBBR工艺好。

图3 总氮的变化Fig.3 Changes of total nitrogen

2.2.2 稳定运行分析

图4 稳定运行工况下的水处理效率Fig.4 Water treatment efficiency under stable operating conditions

为评价电气石强化SBBR工艺的实际运行效果，考察了稳定运行工况下电气石强化SBBR工艺和普通SBBR工艺运行90 d的COD、氨氮、总磷去除效果(见图4)。结果表明，电气石强化SBBR工艺的COD、氨氮、总磷90 d内的平均去除率分别为94.05%、92.28%、93.85%，而普通SBBR工艺的平均去除率分别为92.05%、89.07%、91.36%。由此表明，电气石强化SBBR工艺的脱氮效果优于普通SBBR工艺，包括COD和总磷的去除效果也是电气石强化SBBR工艺优于普通SBBR工艺。

3 结 论

(1) 与普通陶粒生物膜载体相比，新型陶粒生物膜载体的亚甲蓝吸附值较大，比表面积也较大，反映电气石各孔隙之间的连通较好。从孔径大小来看，电气石以大孔和超大孔居多，拥有较好的吸附和固定微生物的能力。Zeta电位也反映出电气石与微生物的亲和性比普通陶粒生物膜载体更好。

(2) 单周期分析表明：电气石强化SBBR工艺中氨氮浓度明显低于普通SBBR工艺，说明电气石能促进SBBR在好氧段对氨氮的氧化能力；好氧段同时发生了硝化和反硝化作用；总体而言，电气石强化SBBR工艺的的脱氮效果优于普通SBBR工艺。

(3) 90 d的稳定运行分析表明，电气石强化SBBR工艺的脱氮性能确实优于普通SBBR工艺，而且COD和总磷的去除效果也优于普通SBBR工艺。

[1] 李耀中,贺延龄,刘永红,等.污水处理中膜生物反应器的脱氮途径[J].环境污染与防治,2005,27(2):127-131.

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[4] QIU S,XU S W,MA F,et al.The biological promotion effect of a new biological promotive ceramsite[J].Journal of Wuhan University of Technology (Materials Science Edition),2010,25(4):604-608.

[5] HINSBERG V J,HENRY D J,MARSCHALL H R.Tourmaline:an ideal indicator of its host environment[J].The Canadian Mineralogist,2011,49(1):1-16.

[6] 夏枚生,胡彩虹,张红梅,等.电气石处理水对Caco-2细胞生长和碱性磷酸酶活性的影响[J].细胞生物学杂志,2005,27(3):358-362.

[7] 郑盼,赵光,贾兰,等.一种利用污水污泥、粉煤灰烧轻质电气石陶粒的制备方法:201510471059.3[P].2015-08-05.

[8] 贾兰,赵光,张婷婷,等.新型陶粒载体—序批式生物膜反应器系统工艺参数优化[J].水处理技术，2017，43(1):111-115.

[9] 沃原.新型陶粒的研制与性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

[10] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

Studyonthenitrogenremovalbytourmalinestrengtheningsequencingbatchbiofilmreactor

JIALan1，ZHOUDuo1，ZHAOGuang2，LIWei3.

(1.CollegeofChemistryandEnvironmentalEngineering,LiaoningUniversityofTechnology,JinzhouLiaoning121001;2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,HarbinHeilongjiang150090;3.FuxinXinhuanWaterTreatmentOperationCo.,Ltd.,FuxinLiaoning123000)

Tourmaline was applied to strengthen sequencing batch biofilm reactor (SBBR). Nitrogen removal by tourmaline strengthening SBBR and common SBBR was compared. Results showed that tourmaline ceramic carrier had better adsorption capability and biological affinity. One cycle of the SBBR showed that ammonia nitrogen in tourmaline strengthening SBBR was lower than that in common SBBR. Denitrification in tourmaline strengthening SBBR was also stronger than that in common SBBR,demonstrating that nitrogen removal effect of tourmaline strengthening SBBR was better. 90 d stable running further confirmed the above conclusion. Moreover,tourmaline strengthening SBBR had better removal effects on COD and total phosphorus.

tourmaline; sequencing batch biofilm reactor; nitrogen removal

贾 兰，女，1982年生，博士，副教授，研究方向为微生物水处理技术。

*国家自然科学基金资助项目(No.51541808)；辽宁省公益事业基金资助项目(No.2016002004)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.11.012

2016-12-23)