前置和后置玉米芯強化A/O 反應器處理低碳氮比生活污水的試驗研究

胡旭坤， 沈浩， 周凱， 余軼鵬， 王志明， 王偉*

（1.合肥工業大學 土木與水利工程學院， 合肥 230009； 2.安徽舜禹水務股份有限公司， 合肥 231131；3.合肥市市政設計研究總院有限公司， 合肥 230041）

低成本合流制城市污水排放方式是導致生活污水碳氮比低（ρ（COD） ＜200 mg／L、 碳氮比小于8）的主要原因［1-2］， 而碳氮比低的生活污水經過常規生物處理后的TN 濃度易超標， 導致水體富營養化，對環境和人體健康構成較大威脅。 因此， 在實際操作中需要投加甲醇、 乙酸鈉等碳源來提高生物脫氮效果， 這顯著增加了污水處理廠的運營成本［3-4］。

農業廢棄物玉米芯因價格低廉、 天然有機物含量高且釋碳性能穩定等優點受到廣泛關注， 同時它還具有組織均勻、 硬度適中等特點［5］， 非常適合作為填料。 有研究發現， 較高的玉米芯投加量能夠有效提高低碳氮比污水的脫氮效果， 但會增加COD的處理負荷， 導致COD 的去除率下降［6］。 另外，通過酸堿等預處理手段提高玉米芯內碳源的可利用性同樣能夠促進生物脫氮過程， 但該方法操作復雜， 成本較高［7］。

本研究在驗證了玉米芯具備良好碳源釋放性能的基礎上， 根據進水碳源重新分配理念， 探究了玉米芯在A／O 反應器中不同位置（前置和后置）的脫氮性能的差異， 綜合分析各指標變化情況， 優選其投加位置， 以提高玉米芯資源化綜合利用效率， 為開發經濟環保的低碳氮比生活污水處理模式提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置為2 個A／O 反應器， Y1（前置玉米芯反應器）和Y2（后置玉米芯反應器）。 試驗裝置示意如圖1 所示。 有機玻璃制成的A／O 反應器的長、寬分別為47、 10 cm， 有效水深30 cm。 從左至右依次為缺氧區、 好氧區和出水區， 對應的體積分別為3、 9、 2 L。 缺氧區和好氧區分別添加了0.75 L和2.25 L 的掛膜載體， 便于微生物生長富集， 提高污染物去除效果［8］。 出水區下端設有承托板用于承載玉米芯。 前置和后置分別位于缺氧區底部和出水區承托板處。 試驗采用連續進水方式， 并設置回流將好氧區產生的NO3--N 不斷送至缺氧區。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Experimental equipment

1.2 試驗用水

試驗用水為某高校內教職工生活污水， 用濾網篩除雜質后進行試驗。 水質指標如表1 所示， 生活污水碳氮比為0.8 ～4.4。

表1 生活污水水質指標Tab.1 Quality indexes of domestic sewage

1.3 試驗材料和接種污泥

試驗所用玉米芯被切成5 ～10 mm 的小塊， 使用前用去離子水浸泡3 d， 沖洗干凈置于40 ℃的烘箱中烘干備用。

接種污泥取自某污水處理廠SBR 池， 使用前用濾網篩除雜質后再用生理鹽水清洗， 重復3 次。

1.4 試驗方法

（1） 玉米芯靜態釋碳試驗。 取5 g（干重）玉米芯放置于棕色瓶中， 加入100 mL 去離子水， 密封后置于黑暗環境， 并在25 ℃下以150 r／min 轉速振蕩15 d。 期間共取樣8 次， 水樣使用0.45 μm 的濾膜過濾并測定COD 濃度。 另外， 每天都會重新加入去離子水替換瓶內的玉米芯浸出液。

（2） 前置和后置玉米芯試驗。 將2 份0.28 L 玉米芯分別置于2 個反應器的缺氧區和出水區， 同時接種活性污泥， 使反應器內各區域的污泥濃度均為2 g［VSS］／L。 試驗共進行了95 d， 考察其對低碳氮比生活污水的處理效果， 優選出玉米芯的投加位置。 試驗中未使用恒溫設備， 試驗過程中由于天氣原因出現了降溫階段。 反應器運行參數如表2 所示。

表2 反應器運行參數Tab.2 Reactor operating parameters

1.5 分析方法

COD、 NH4+-N、 NO3--N 及NO2--N 采用國家標準 方 法 測 定［9］， TN 濃 度 為NH4+-N、 NO3--N 和NO2--N 濃度之和。 反應器各區域內有機物成分通過日立F4600 型熒光光譜儀掃描后測定分析。

2 結果與討論

2.1 玉米芯碳源釋放性能

玉米芯的COD 釋放速率如圖2 所示。

圖2 玉米芯的COD 釋放速率Fig.2 COD release capacity of corncob

由圖2 可以看出， 第1 天和第15 天的COD 釋放速率分別為8.3、 0.8 mg／（g·d）。 玉米芯的碳源釋放過程大概可以分為2 個階段， 第1 階段為1 ～7 d， 玉米芯中水溶性有機物溶脹溶解， 此階段為碳源的快速釋放期， 且碳源釋放速率下降較快； 第2 階段， 7 d 以后， 難溶性大分子有機物通過微生物降解緩慢釋放到溶液中［10］， 因此， 整體上碳源釋放量較低， 釋放速率較慢。

玉米芯浸泡了15 d 后其有機物釋放能力仍然存在， 且仍能夠維持后期釋碳的穩定性［11］。 另外，玉米芯浸出液中主要含有色氨酸， 這種物質易被生物降解利用［12］， 同時還檢測出微生物活動所需的常量元素（K、 Na、 Mg、 Ca）和部分微量元素 （Fe、Cu、 Mn、 Co、 Ni）［10］。 因此， 玉米芯可被視為一種良好的固體緩釋碳源。

2.2 前置和后置玉米芯對反應器運行效果的影響

2.2.1 COD 去除效果

2 組反應器進出水COD 濃度變化情況如圖3所示。 由于玉米芯投加前進行了浸泡預處理， 這有效削弱了玉米芯的碳源釋放量， 避免了反應器啟動時 出 水COD 濃 度 超 標［13］。 常 溫 條 件 下（20 ～25℃）， 隨著異養反硝化細菌的不斷富集， Y1 和Y2在第20 天左右達到穩定狀態， 出水COD 質量濃度及去除率分別為19.1 mg／L、 53.4% 和22.2 mg／L、46.3%， 均低于GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A 標準。 從第60 天開始， 氣溫下降導致反應器水溫下降（10 ～15 ℃），低溫導致異養反硝化細菌的活性受到抑制［14］， 使其利用有機物的能力下降， 并在進水COD 濃度產生小幅波動的影響下， Y1 和Y2 出水COD 濃度明顯上升， 最終兩者COD 質量濃度及去除率分別穩定在43.7 mg／L、 54.2% 和51.1 mg／L、 47.6%， 較降溫前COD 出水濃度上升明顯， 但去除率基本不變。

圖3 反應器進出水COD 濃度變化情況Fig.3 Changes of COD concentrations in influent and effluent water of reactor

2.2.2 氮素去除效果

2 組反應器進出水NH4+-N 濃度變化情況如圖4所示。 由圖4 可以看出， 反應器運行初始階段， 出水NH4+-N 濃度快速下降， 表明好氧硝化細菌在載體上不斷富集［15］。 隨后即使進水NH4+-N 濃度波動較大， Y1 和Y2 出水NH4+-N 質量濃度也能分別穩定在0.3 mg／L 和0.6 mg／L， 去除率都在95%以上。 然而在降溫后， 硝化細菌活性受到明顯抑制［16］， 后期Y1 和Y2 出水NH4+-N 質量濃度和去除率分別上升為3.2 mg／L、 89.5%和3.0 mg／L、 90.2%， 此時兩者對NH4+-N 的去除效果更接近， 但Y2 穩定性更強。

圖4 反應器進出水NH4+-N 濃度變化情況Fig.4 Changes of NH4+-N concentrations in influent and effluent water of reactor

2 組反應器進出水NO3--N、 NO2--N、 TN 濃度變化情況分別如圖5、 圖6、 圖7 所示。 由圖5、圖6 可知， Y1 和Y2 出水中NO3--N 和NO2--N 濃度在第10 天達到穩定， 并持續一段時間， 這是因為玉米芯浸泡初期能夠釋放大量有機物， 改善了低碳氮比生活污水碳源不足問題［17］， 2 組反應器在較短的時間內表現出良好的異養反硝化能力。 由圖7可知， 第10 ～35 天， Y1 和Y2 的TN 去除率分別達到61.2% 和88.7%， 根據試驗前20 d 內Y2 出水COD 濃度高于Y1 的現象， 推測此時Y2 中含有更多有機物能為異養反硝化過程提供電子， 因此Y2的脫氮效果更好。 第36 ～60 天， 由于進水COD 濃度的增幅相較TN 的更低， 碳氮比從2.2 下降到1.8， 導致出水NO3--N 濃度上升， Y1 與Y2 的TN去除率分別下降到46.0% 和55.3%。 在后續低溫情況下， 細菌活性降低， 因此， 2 組反應器出水TN濃度持續上升， Y1 和Y2 的TN 去除率再次下降到35.4% 和49.7%， 但此時Y2 的脫氮效果依舊高于Y1。 綜上所述， 在長時間的反應器運行中， 后置玉米芯能夠獲得更好的TN 去除效果。

圖5 反應器進出水NO3--N 濃度變化情況Fig.5 Changes of NO3--N concentration in influent and effluent water of reactor

圖6 反應器進出水NO2--N 濃度變化情況Fig.6 Changes of NO2--N concentration in influent and effluent water of reactor

2.3 前置和后置玉米芯的反應器內有機物變化分析

進水中的有機物主要為芳香蛋白類（Ex／Em=（200 ～250 nm）／（280 ～380 nm））和微生物副產物SMP（Ex／Em= （250 ～340 nm）／（280 ～380 nm））， 熒光峰值越高代表濃度越高。 2 組反應器各區域的三維熒光光譜如圖8 所示， 處理后芳香蛋白類物質和SMP 被微生物利用后其含量明顯下降。 由于反應器內微生物的新陳代謝和衰老死亡能生成SMP，SMP 下降幅度更小。 有研究表明， 玉米芯除了會釋放易生化物質， 同時也能溶出難降解的腐殖酸（Ex／Em=（250 ～400 nm）／（380 ～550 nm））［18］。 因此， 在Y1 和Y2 內可明顯觀察到腐殖酸類物質的存在。

圖8 Y1 和Y2 各區域的三維熒光光譜Fig.8 Three-dimensional fluorescence spectra of Y1 and Y2 reagions

對比Y1 和Y2 各區域的三維熒光光譜圖， 盡管有機物種類相同， 但Y2 內的芳香蛋白類和腐殖酸類物質都要高于Y1， 證明了玉米芯后置的方式能夠釋放出更多易生化碳源， 這有利于Y2 中發生異養反硝化， 因此， Y2 對TN 的去除效果高于Y1。 另外， Y2 缺氧區中SMP 含量高于Y1， 由于SMP 與細菌的生命活動密切相關， 微生物代謝量的增加能夠產生更多的SMP［19］， 因此， Y2 缺氧區內異養反硝化細菌的活性要高于Y1。

3 結論

（1） 采用前置和后置玉米芯強化A／O 反應器處理低碳氮比污水， 結果表明玉米芯前置和后置對COD 的去除率始終保持在50%左右。 常溫條件下，后置玉米芯反應器的TN 去除率可達88.7%， 高出前置27.5%； 在低溫條件下， 后置玉米芯反應器的TN 去除率下降為49.7%， 高出前置14.3%。

（2） 三維熒光光譜分析結果表明， 后置玉米芯反應器中存在更多易生化有機物， 有利于異養反硝化過程的進行， 從而獲得更好的TN 去除效果。