低溫下碳氮比對序批式生物膜反應(yīng)器脫氮性能及胞外聚合物的影響*

朱曉丹，郭晴雯，張翰林，馬 涵，李映雪，李姍姍

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109)

隨著社會的發(fā)展，人類直接造成的生活污水量越來越多，將生活污水高效低成本地處理成為全球的理想目標(biāo)。生活污水中氮、磷含量過多會造成水體富營養(yǎng)化，此類污水若不經(jīng)過處理，將會嚴(yán)重威脅人類健康及生態(tài)環(huán)境。

在污水處理過程中，進(jìn)水C/N主要通過影響硝化過程和反硝化過程，進(jìn)而對脫氮產(chǎn)生影響[1]。在缺氧條件下，充足的碳源會使硝化反硝化進(jìn)程會加快，提高脫氮效率[2]。胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substance，EPS)具有防止有害物質(zhì)的毒害以及提供碳源等作用[3-4]。孫洪偉等[5]指出，在C/N較低時，EPS含量隨著C/N比的增加而升高。但有關(guān)于高碳氮比對EPS含量的影響情況鮮有報道。另外，邊德軍等[6]指出，填料的加入，能夠在低溫條件下促進(jìn)硝化反硝化作用，從而強化生物脫氮。因此，有必要針對在低溫條件下高碳氮比對序批式生物膜反應(yīng)器(Sequencing Biofilm Batch Reactor，SBBR)的脫氮性能、脫氮速率和EPS等指標(biāo)的影響開展進(jìn)一步研究。

本文以SBBR作為污水生物脫氮系統(tǒng)，研究了在低溫條件下不同高C/N比對SBBR脫氮性能、脫氮速率、胞外聚合物的影響，對低溫條件下提高高碳氮比廢水的處理效率具有一定的實踐借鑒作用。

1 實驗內(nèi)容

1.1 實驗裝置

實驗使用有效容積為2.2 L、有效高度為38 cm、內(nèi)徑為 10 cm的有機玻璃制成的柱狀SBBR反應(yīng)器。SBBR的容量交換率為50%。SBBR的進(jìn)水由繼電器控制通過蠕動泵和反應(yīng)器上部的進(jìn)水管進(jìn)入，出水由繼電器控制通過出水管進(jìn)行重力排水。SBBR每日運行三個周期，每個周期的時長為8 h，SBBR運行過程中，各階段通過繼電器進(jìn)行自動化調(diào)控，周期內(nèi)各階段時長如下：進(jìn)水階段5 min，曝氣階段270 min，攪拌階段150 min，沉淀階段30 min，排水階段5 min，閑置階段20 min。SBBR使用反應(yīng)器底部兩側(cè)的砂芯曝氣頭來提供曝氣，保持反應(yīng)器在好氧階段和缺氧階段的溶解氧質(zhì)量濃度分別在2.0 mg/L以上和0.5 mg/L以下。SBBR反應(yīng)器底部有磁力攪拌器和轉(zhuǎn)子在攪拌階段運行。SBBR使用懸浮球和多毛型片狀組合填料與活性污泥進(jìn)行掛膜[7]。SBBR的運行條件及運行時間如表1所示。

表1 SBBR的運行條件及運行時間

1.2 接種污泥與進(jìn)水水質(zhì)

1.3 分析方法

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 碳氮比變化對SBBR脫氮性能的影響

圖1 C/N比變化對SBBR脫氮性能的影響

2.2 不同碳氮比下反應(yīng)周期內(nèi)COD和氮的濃度變化

圖2 不同C/N比下SBBR周期和的變化

2.3 碳氮比變化對比耗氧速率和脫氮速率的影響

“*”表示該樣品與進(jìn)水C/N比為13.3的樣品顯著差異(p<0.05)

2.4 碳氮比變化對胞外聚合物的影響

不同C/N比條件下EPS、LB-EPS、TB-EPS的變化如圖4所示。當(dāng)C/N比為13.3時，EPS為(46.28±0.64)mg/gMLSS，隨著C/N比由13.3增加到20.0，EPS下降了16.00%，同時，在此變化過程中，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比的增加會使EPS、LB-EPS和TB-EPS的含量降低。可能的原因為EPS具有提供碳源的作用，當(dāng)COD質(zhì)量濃度增加，污水中不缺少碳源，因此細(xì)胞分泌的EPS的量減少。

“*”表示該樣品與進(jìn)水C/N比為13.3的樣品顯著差異(p<0.05)

2.5 碳氮比變化對PN與PS的影響

不同C/N比條件下LB-EPS和TB-EPS中PN、PS和PN與PS的含量比的變化如圖5所示。PN和PS為EPS中的主要成分[8]。當(dāng)C/N比為13.3時，LB-EPS中PN和PS分別為(6.24±0.14)mg/gMLSS和(2.63±0.27)mg/gMLSS，TB-EPS中PN和PS分別為(24.11±0.89)mg/gMLSS和(10.89±0.44)mg/gMLSS。隨著C/N比由13.3變?yōu)?0.0，LB-EPS中PN和PS以及TB-EPS中PN和PS分別下降了11.19%、20.99%、13.17%和20.47%，同時LB-EPS中的PN與PS的含量比由2.37增加到2.67，TB-EPS中的PN與PS的含量比由2.21增加到2.42。表明在低溫條件下，隨著C/N比的增加，LB-EPS和TB-EPS中的PN和PS含量出現(xiàn)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。出現(xiàn)此情況的原因是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。

“*”表示該樣品與進(jìn)水C/N比為13.3的樣品顯著差異(p<0.05)

3 結(jié) 論

(2)在低溫條件下，隨著進(jìn)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謝活性增加。SAOR、SNOR、SNRR和SNIRR增加，表明低溫下C/N比增加有利于脫氮速率的提高。

(3)在低溫條件下，隨著C/N比由13.3增加到20.0，EPS、LB-EPS和TB-EPS含量減少，LB-EPS和TB-EPS中的PN和PS含量也呈現(xiàn)下降趨勢，并且PS含量的下降幅度大于PN含量的下降幅度。