電氣石強化序批式生物膜反應器脫氮效能研究*

賈 蘭 周 鐸 趙 光 李 崴

(1.遼寧工業大學化學與環境工程學院，遼寧 錦州 121001；2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.阜新市新環水處理運營有限公司，遼寧 阜新 123000)

電氣石強化序批式生物膜反應器脫氮效能研究*

賈 蘭1周 鐸1趙 光2李 崴3

(1.遼寧工業大學化學與環境工程學院，遼寧 錦州 121001；2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.阜新市新環水處理運營有限公司，遼寧 阜新 123000)

比較了含電氣石的新型陶粒生物膜載體和普通陶粒生物膜載體組成的電氣石強化序批式生物膜反應器(SBBR)工藝和普通SBBR工藝的脫氮效能。結果表明，新型陶粒生物膜載體具有更好的吸附性能和生物親和性。單周期分析表明，電氣石強化SBBR工藝中氨氮濃度明顯低于普通SBBR工藝，同步反硝化作用也強于普通SBBR工藝，表明電氣石強化SBBR工藝的的脫氮效果優于普通SBBR工藝。90 d的穩定運行進一步證明了電氣石強化SBBR工藝的脫氮性能優于普通SBBR工藝，而且COD和總磷的去除效果也優于普通SBBR工藝。

電氣石 序批式生物膜反應器 脫氮

隨著水體污染不斷加劇，富營養化問題日益突出，最大限度地控制氮排放進入水環境中是防止水體富營養化的關鍵。生物膜法是城市污水處理廠中廣泛應用的生物脫氮工藝[1]。其中，序批式生物膜反應器(SBBR)是近年來國內外研究的熱點[2]。

電氣石是一種環狀硅酸鹽晶體礦物，具有自發電極性，這種電極性可以引起電氣石兩端具有相反的極性，還使其具有壓電效應和熱電效應[3-5]。夏枚生等[6]通過向富集硝化細菌的活性污泥中添加電氣石，培養21 d后發現，活性污泥中硝化細菌的數量比未添加電氣石的對照組明顯增多。

本研究在SBBR普通陶粒生物膜載體的基礎上摻雜電氣石，自制了新型陶粒生物膜載體用于SBBR，并與普通陶粒生物膜載體對比，研究電氣石強化SBBR工藝的脫氮效能，為污水的脫氮理論研究和工程應用提供指導。

1 材料與方法

1.1 生物膜載體的制備與表征

根據文獻[7]，以電氣石、粉煤灰、污泥為主要原材料，以硅酸鈉為添加劑，NaOH為助溶劑，秸稈為造孔劑，經過干燥、粉碎、篩分、成型、燒制5個過程制備得到摻雜電氣石的新型陶粒生物膜載體。不添加電氣石即制得普通陶粒生物膜載體。

1—柱體；2—排泥斗；3—填料區；4—曝氣盤；5—環形布水器；6、7、8—取樣口；9—排泥口；10—氣體流量計；11—微型曝氣泵；12—進水水泵；13—配水槽；14—循環泵；15—出水槽；16—溶解氧測試儀圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

表1 微量元素溶液的組成

采用汞壓力法對陶粒的比表面積、孔容積和孔徑進行表征；采用排水法對表觀密度進行表征；采用電泳法對Zeta電位進行表征；采用《煤質顆粒活性炭試驗方法 亞甲基藍吸附值的測定》(GB/T 7702.6—2008)對亞甲基藍吸附值進行表征。

1.2 SBBR實驗裝置

SBBR實驗裝置如圖1所示，共有2個，1個填料為新型陶粒生物膜載體，即電氣石強化SBBR工藝；1個填料為普通陶粒生物膜載體，即普通SBBR工藝。其中，SBBR由有機玻璃制成，內徑為20 cm，有效容積30 L，包括下部的排泥斗有效容積3 L。在SBBR上部、中部和下部分別設有3個取樣口，可根據需求分段取樣，本研究取上清液即在上部取樣口取樣。SBBR底部裝有曝氣盤，對裝置均勻布氣，微型曝氣泵開啟與關閉及曝氣量根據不同反應階段所需的溶解氧大小通過氣體流量計進行調節。外接循環泵，在SBBR進行缺氧反應時循環攪拌，以實現污水與生物膜的充分接觸。在反應器底部設有排泥口，定期排泥。

掛膜啟動成功后，1個完整運行周期如下：首先啟動進水水泵，將配水槽中的污水抽入反應器柱體底部的環形布水器進水，循環泵、曝氣盤和微型曝氣泵按預先設定的時間運行，進水30 min、厭氧3 h、好氧7 h、缺氧1 h、排水30 min[8]。溶解氧控制為好氧2.0～3.0 mg/L，缺氧0.2～0.5 mg/L，厭氧小于0.2 mg/L。

1.3 試驗用水

試驗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、總磷、Ca2+、Mg2+質量濃度分別為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，其組成如表1所示，pH控制在6.7～8.2。

1.4 檢測方法

COD、總磷、氨氮、總氮和硝酸鹽氮等主要指標的檢測方法[10]如表2所示。

表2 主要指標的檢測方法

2 試驗結果與分析

2.1 生物膜載體的結構表征

由表3可見，新型陶粒生物膜載體的亞甲藍吸附值較大，比表面積也較大，反映電氣石各孔隙之間的連通較好。從孔徑大小來看，電氣石以大孔和超大孔居多，擁有較好的吸附和固定微生物的能力。由Zeta電位也反映出電氣石與微生物的親和性更好。

2.2 電氣石強化SBBR脫氮效能分析

2.2.1 單周期分析

由圖2(a)可見，氨氮濃度在反應過程中不斷降低。電氣石強化SBBR工藝的好氧段內氨氮下降尤為迅速，好氧段末電氣石強化SBBR工藝和普通SBBR工藝中氨氮質量濃度分別為9.02、16.70 mg/L。

由此可見，電氣石強化SBBR工藝中氨氮濃度明顯低于普通SBBR工藝，說明電氣石能促進SBBR在好氧段對氨氮的氧化能力。

但比較圖2(a)和圖2(b)發現，好氧段氨氮的減少量遠大于硝酸鹽氮生成量，是好氧段發生了同步硝化反硝化作用。經計算得到，電氣石強化SBBR工藝和普通SBBR工藝的同步反硝化脫氮量分別為4.84、2.62 mg/L，反硝化作用也是電氣石強化SBBR工藝強。好氧段發生同步反硝化的原因可能是氧的分布在活性污泥絮凝體上從表面到內核并不均勻，外層為好氧區，進行硝化作用，內層為缺氧區，進行反硝化作用，也可能是好氧反硝化菌的作用。

為進一步明確電氣石強化SBBR工藝的脫氮效能，分析了總氮的變化(見圖3)。電氣石強化SBBR工藝和普通SBBR工藝出水總氮質量濃度分別為12.50、21.40 mg/L，可見電氣石強化SBBR工藝的脫氮效果比普通SBBR工藝好。

圖3 總氮的變化Fig.3 Changes of total nitrogen

2.2.2 穩定運行分析

圖4 穩定運行工況下的水處理效率Fig.4 Water treatment efficiency under stable operating conditions

為評價電氣石強化SBBR工藝的實際運行效果，考察了穩定運行工況下電氣石強化SBBR工藝和普通SBBR工藝運行90 d的COD、氨氮、總磷去除效果(見圖4)。結果表明，電氣石強化SBBR工藝的COD、氨氮、總磷90 d內的平均去除率分別為94.05%、92.28%、93.85%，而普通SBBR工藝的平均去除率分別為92.05%、89.07%、91.36%。由此表明，電氣石強化SBBR工藝的脫氮效果優于普通SBBR工藝，包括COD和總磷的去除效果也是電氣石強化SBBR工藝優于普通SBBR工藝。

3 結 論

(1) 與普通陶粒生物膜載體相比，新型陶粒生物膜載體的亞甲藍吸附值較大，比表面積也較大，反映電氣石各孔隙之間的連通較好。從孔徑大小來看，電氣石以大孔和超大孔居多，擁有較好的吸附和固定微生物的能力。Zeta電位也反映出電氣石與微生物的親和性比普通陶粒生物膜載體更好。

(2) 單周期分析表明：電氣石強化SBBR工藝中氨氮濃度明顯低于普通SBBR工藝，說明電氣石能促進SBBR在好氧段對氨氮的氧化能力；好氧段同時發生了硝化和反硝化作用；總體而言，電氣石強化SBBR工藝的的脫氮效果優于普通SBBR工藝。

(3) 90 d的穩定運行分析表明，電氣石強化SBBR工藝的脫氮性能確實優于普通SBBR工藝，而且COD和總磷的去除效果也優于普通SBBR工藝。

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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.

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[8] 賈蘭,趙光,張婷婷,等.新型陶粒載體—序批式生物膜反應器系統工藝參數優化[J].水處理技術，2017，43(1):111-115.

[9] 沃原.新型陶粒的研制與性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2008.

[10] 國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京:中國環境科學出版社,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

賈 蘭，女，1982年生，博士，副教授，研究方向為微生物水處理技術。

*國家自然科學基金資助項目(No.51541808)；遼寧省公益事業基金資助項目(No.2016002004)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.11.012

2016-12-23)