竹屑载体生物膜-活性污泥一体化SBR集成工艺的脱氮性能

陈 园，蔡丽丽，刘壮壮，邵 磊，陈姝婷，黄高鑫，刘 俊

(1.安徽建筑大学环境污染控制与废弃物资源化利用安徽省重点实验室，安徽合肥 230601；2.安徽中环环保科技股份有限公司，安徽合肥 230051)

近年来，由氮磷引起的水体富营养化问题日益严重，国家对污水排放要求越来越严格。然而，目前很多城市生活污水的碳氮比(C/N)都比较低，即进水C/N<5[1-3]。这类污水中碳源含量较低，无法满足反硝化脱氮对碳源的需求，导致常规污水处理工艺(如AO、AAO)处理该类污水时脱氮效率低，从而导致出水总氮(TN)排放不达标[4-6]。因此，近年来针对此类低C/N污水的高效脱氮工艺成为众多学者的研究热点。

经研究，碳源的减少不会对硝化反应产生较大影响[7-8]。反硝化反应是污水脱氮的重要环节，在传统活性污泥法脱氮工艺中，当反硝化池中的C/N低于4或5时，C/N成为异养反硝化过程的主要限制因素，反硝化细菌难以将硝态氮还原为氮气，导致出水TN超标[9-10]。通常，污水厂会投加甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸等液体碳源，但液体碳源普遍存在投加量难以控制、出水水质不稳定、缓释性能差等缺点[11-14]。有些学者提出采用不溶于水的可生物降解聚合物(BDPs)材料作为生物膜载体和反硝化碳源，但由于BDPs材料的成本较高，无法广泛应用[15-18]。一些学者提出，用富含大量纤维素类物质的天然固体有机物代替传统反硝化碳源，这类物质在自然界中广泛存在，不仅价格低廉，而且天然植物在生长过程中吸收了各种元素，可为反硝化细菌生长繁殖提供必需营养，具有广泛的开发前景[19-21]。当前研究固体纤维素类物质作为生物膜载体和反硝化碳源的材料大多是棉花、稻草、稻壳、花生壳、甘蔗渣等农业固体废弃物，然而这些物质作为生物膜载体材料存在一些缺陷或不足，影响脱氮效果。如棉花纤维表面光滑不利于微生物附着和利用，稻草、稻壳和花生壳含有一定的生物惰性物质且可持续释放有机物能力较差，甘蔗渣浸出液中有机碳浓度过高会对水体造成二次污染[22-24]。

竹屑的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，可作为生物反硝化外加的固相碳源，竹屑具有丰富的羟基和羰基等亲水基团、比表面积大，能为各种细菌提供优良的生长环境，且价格低廉[21]。但以竹屑作为生物膜载体处理低C/N生活污水的研究鲜有报道。本试验利用自行加工的竹屑作为生物载体，构建了竹屑载体生物膜-活性污泥复合系统，并将其置于两段进水脉冲式SBR工艺内运行。着重研究了反应温度、进水C/N和水力停留时间(HRT)等参数对系统的脱氮性能的影响，并优化系统运行条件，以期达到在不外加外碳源的条件下对低C/N污水高效脱氮的目的。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

序批式反应器(sequencing batch reactor, SBR)由有机玻璃制成，高为400 mm，直径为150 mm，总进水体积为6 L(图1)。在反应器壁上设置一排间距为100 mm的取样口，用以进水和出水。反底部设曝气盘，采用离心鼓风曝气泵曝气，转子流量计调节曝气量，石英加热棒控制温度，溶氧仪监测溶解氧浓度，离子浓度计监测反应器的pH，整个系统由时控开关控制。

图1 SBR示意图Fig.1 Schematic Diagram of SBR

1.2 试验水质及测定方法

试验用污水取自合肥市经开区污水处理厂曝气沉砂池。污水相关数据经检测后如表1所示(2020年10月—2021年4月)，其中TN、氨氮、化学需氧量(CODCr)、pH等水质指标监测方法均参考《水和废水监测分析方法》(第四版)。为满足试验要求的C/N，向取自污水厂的生活污水投加葡萄糖和氯化铵。

1.3 试验方法

试验采用两段进水脉冲式SBR运行，该工艺通过时间上的分段进水运行方式，充分利用原水中的有机物作为反硝化作用的有机碳源[25-26]。图2为两段进水脉冲式SBR示意图，两段进水总量为1.8 L，试验初期HRT=12 h(好氧5 h+缺氧4 h+沉淀3 h)，好氧区溶解氧含量在1.4～1.7 mg/L，缺氧区溶解氧含量在0.25～0.35 mg/L，进水水质如表1所示。

表1 原水水质Tab.1 Raw Water Quality

图2 两段进水脉冲式SBR工艺示意图Fig.2 Schematic Diagram of Pulse Type SBR Process with Two-Stage Influent

竹子取自安徽省合肥市紫蓬镇，先将竹子分锯成块状。由于竹子中含有游离的氨基酸[27]，将竹块放入去离子水中浸泡7 d释放其含有的竹汁，然后将浸泡好的竹块用破碎机(Taisite FW100)破碎成粒径为0.1～0.6 mm的颗粒。取有效容积为6 L的反应器，投加竹屑填料60 g，竹屑填料的质量浓度为10 000 mg/L。反应器采用接种挂膜的方式启动，接种污泥取自合肥市经开区污水处理厂，污泥质量浓度约为6 000 mg/L，该污泥具有良好的脱氮除磷性能。由于试验过程中部分竹屑腐败较快，每周根据竹屑消耗量向其中补充一定量的竹屑。试验分为反应器启动挂膜阶段(30 d)和稳定运行阶段(100 d)，生物膜挂膜阶段利用污水厂原污水对反应器进行连续挂膜，30 d后取部分竹屑利用显微镜(OLYMPUS BX51)对其进行观测，在确定生物膜成熟后即进入稳定运行阶段。在稳定运行阶段，调节反应温度、C/N和HRT探究工艺的脱氮性能，试验数据均为每一参数运行稳定后取5～6次数据的平均值。

2 结果与讨论

2.1 温度对系统脱氮效果的影响

为考察温度对竹屑载体生物膜-活性污泥一体化系统脱氮效果的影响，通过调节温控器控制反应器温度分别为30、25、20、15、10 ℃。进水中CODCr、氨氮、TN质量浓度分别为152.48～155.73、32.81～34.82、35.26～38.28 mg/L，保持试验进水C/N=4.0±0.5，pH值=7.4±0.3，HRT=12 h。调节系统运行温度并每天对出水CODCr、氨氮、TN取样检测，结果如图 3所示。

图3 温度对系统脱氮效果的影响Fig.3 Influence of Temperature on Denitrification Efficiency of the System

如图3(a)所示，系统运行温度分别为30、25、20、15、10 ℃时，系统的氨氮去除率分别为90.88%、91.23%、85.44%、74.26%、56.04%，氨氮去除率随着运行温度的降低而逐渐下降。分析原因一般认为在5～30 ℃时，温度对硝化作用的影响遵循阿伦尼乌斯公式[28]，硝化速率影响如式(1)，温度越低硝化速率越慢。

(1)

其中：μ——硝化速率；

θ——温度系数；

T——反应温度，℃。

由图3(b)可知，随着系统运行温度的降低，TN去除率也逐渐降低，在10 ℃时系统对TN的去除率仅为47.10%，出水TN质量浓度为19.72 mg/L。低温下污水厂出水的TN去除率较低，原因是温度过低降低了反应器中微生物数量和酶的催化反应速率，抑制了微生物的活性，影响基质的扩散速率，进而影响微生物对污染物的处理效果[29]，造成和脱氮相关的硝化作用和反硝化作用降低。系统温度在25 ℃时TN去除率达到最高，为76.56%，出水TN质量浓度为8.46 mg/L。温度高时微生物活性好，新陈代谢旺盛，对污染物的去除效果好[30]。由图3(c)可知，当运行温度下降时，系统的CODCr去除率并没有出现与氨氮去除率类似的大幅下降，且在整个低温运行过程中，CODCr去除率一直保持良好，稳定在70%以上，出水CODCr质量浓度始终维持在45 mg/L以下。温度大于15 ℃时，CODCr的去除率达到80%以上并能一直保持稳定。整体而言，低温对于本系统CODCr的去除并没有显著影响。综上，当温度为25 ℃时，系统达到最佳运行状态。

2.2 进水C/N对系统脱氮效果的影响

取自污水厂的原污水C/N约为4.0±0.5，为满足试验要求的C/N，考察C/N对竹屑载体生物膜-活性污泥一体化系统脱氮的影响，需向污水中加入少量的葡萄糖和氯化铵，调配进水的C/N分别为2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0，反应HRT=12 h，pH值=7.4±0.3。

图4为反应器运行期间进出水CODCr、氨氮、TN浓度及其去除率变化情况。由图4(a)可知，C/N=5.0时CODCr平均去除率为82.19%，出水CODCr质量浓度为33.69 mg/L，当C/N降至2.5时去除率为80.34%，出水质量浓度为19.74 mg/L，随着C/N的降低反应器对CODCr的去除并无太大变化，出水CODCr均达到国家污水处理一级A标准(GB 18918—2002)。由图4(b)可知，降低C/N对反应器TN去除率影响较大，随着C/N的降低，出水TN浓度逐渐升高，去除率逐渐下降。当进水C/N=5.0、4.5、4.0时，TN去除率分别为81.26%、75.11%、73.56%，出水TN质量浓度分别为7.13、9.04、9.57 mg/L。C/N=4.0时系统出水TN质量浓度小于10.00 mg/L，在不外加碳源的前提下充分利用原水中有机物实现高效脱氮。当C/N降至2.5时，出水TN质量浓度为18.54 mg/L，TN的去除率仅为52.13%。由图4(c)可知，系统的氨氮去除率一直维持较高的水平，氨氮的最低去除率与最高去除率分别为87.07%和92.31%，C/N降低的过程中，氨氮的去除率并未受到太大的冲击。研究表明，碳源减少不会对硝化反应产生较大影响[7-8]，因此，出水的TN大部分为硝态氮。

图4 C/N对系统脱氮效果的影响Fig.4 Influence of C/N on Denitrification Efficiency of the System

反硝化是将硝态氮还原为气态氮的过程，该过程一般由异养型兼性反硝化菌在缺氧区完成，反硝化菌以硝酸盐和亚硝酸盐中的氮为电子受体，从电子供体的氧化反应中获得能量。进水C/N由5.0降至2.5的过程中，碳源逐渐减少，有机物无法为硝态氮还原提供足够电子，反硝化无法彻底进行。同时，硝酸盐氮得电子的能力弱于氧气，缺氧区中兼性微生物首先以氧气为电子受体降解有机物[31]，导致出水中硝酸盐氮大量积累。根据试验结果，竹屑载体生物膜-活性污泥一体化系统在处理C/N=4.0的原污水时系统有较高的脱氮率。

2.3 HRT对系统脱氮效果的影响

为考察HRT对竹屑载体生物膜-活性污泥一体化系统脱氮的影响，试验通过调节时控开关来控制系统HRT分别为8、12、16、20 h，反应时间分别为5、9、13、17 h，保持试验进水C/N=4.0±0.5，温度为25 ℃，pH值在7.4±0.3。

HRT直接影响微生物与基质底物的接触时间和传质过程[32]。图5(a)为不同HRT条件下CODCr的去除效果，CODCr去除率随着HRT的缩短而降低，HRT=8 h时CODCr去除率为64.29%，出水CODCr质量浓度为54.75 mg/L，HRT增至12～20 h时，出水CODCr质量浓度均小于50 mg/L，CODCr去除率在79.38%～85.36%，出水CODCr浓度满足国家污水处理一级A标准(GB 18918—2002)。HRT是影响有机污染物去除的重要因素之一，低HRT意味着较高有机负荷，随着HRT的增加，有机物与污染物接触氧化时间增加，有机负荷降低，有机物去除率升高。试验污水取自污水处理厂，污水中存在一部分难降解的有机物难以被微生物分解利用，因此，当HRT大于12 h时CODCr去除率增加不明显。改变HRT可以显著影响系统的脱氮效果，不同HRT下氨氮去除效果的变化如图5(b)所示，HRT=8 h时出水氨氮质量浓度为13.83 mg/L，远高于出水规定的一级A排放标准，氨氮的去除率随HRT的延长而增加，当HRT=12 h时出水氨氮质量浓度为3.59 mg/L，去除率达到88.97%，已满足排污标准。系统对TN的影响如图5(c)所示，当HRT=8 h时，TN的平均去除率为55.54%，此时出水TN平均质量浓度为16.82 mg/L，当HRT=12、16 h时，其相应的TN去除率为77.50%、78.64%，出水的TN平均质量浓度为8.05、7.86 mg/L。在一定范围内延长HRT，TN去除率也随之增加，这是因为增大HRT可使反硝化细菌与硝酸盐氮的接触时间增加，反硝化过程进行得更彻底[33]。HRT=20 h时TN去除率明显下降，这是因为HRT的增大使氨氮与生物膜有足够的接触时间被氧化成硝态氮，大量的硝态氮进入生物膜内部缺氧区进行生物反硝化，大量的有机物消耗造成碳源不足，甚至导致生物膜脱落[34-35]，最终影响系统脱氮。

图5 HRT对系统脱氮效果的影响Fig.5 Influence of HRT on Denitrification Efficiency of the System

2.4 生物膜观察

试验用取自污水厂的污水进行连续挂膜，挂膜阶段共持续30 d。在挂膜启动初期，通过显微镜观察竹屑表面并没有明显变化，至第19 d时，竹屑表面附着层明显变大[图6(a)]，呈浅黄色，生物膜手感黏稠并带有泥腥味。这是由于竹屑的比表面积大，具有较强的吸附能力，水中的微生物逐渐附着到竹屑表面并形成生物膜。随着挂膜时间的逐渐增加，到第30 d时，生物膜内层呈深褐色外表面呈黄褐色，厚度约为1 mm[图6(b)]。对生物膜清洗后进行镜检，发现了大量的线虫、钟虫、轮虫等微型动物，微生物数量多且保持较高活性，30 d后，系统对CODCr的平均去除率为78%±3.0%，氨氮的去除率为81%±4.0%，TN的去除率达到67%±4.0%，且去除率趋于稳定，表明生物膜已经成熟。

图6 竹屑挂膜效果图Fig.6 Effect Pictures of Biofilm Culturing of Bamboo Shavings

3 结论

(1)竹屑载体生物膜-活性污泥一体化SBR工艺系统在特定的条件下能对低C/N污水实现高效脱氮，处理效果受系统运行温度、C/N、HRT影响显著。当系统运行温度为25 ℃、C/N=4.0、HRT=12 h时，CODCr质量浓度从155.35 mg/L降至32.03 mg/L，TN质量浓度从35.79 mg/L降至8.05 mg/L，氨氮质量浓度从32.55 mg/L降至3.59 mg/L，平均去除率分别达到79.38%、77.50%、88.97%，均达到国家污水处理一级A标准(GB 18918—2002)。

(2)反应器采用接种挂膜的方式启动，挂膜共持续约30 d，取部分竹屑镜检发现生物膜内层呈深褐色外表面呈黄褐色，厚度约为1 mm，通过对系统CODCr、TN、氨氮的连续检测发现其去除率趋于稳定，表明生物膜已经成熟。

(3)系统置于两段进水脉冲式SBR反应器内运行，充分利用原水中的有机物和竹屑载体释放的碳源强化系统的脱氮效果，在无外加碳源的条件下通过调节系统运行参数实现了低C/N污水的高效脱氮。