前置和后置玉米芯强化A/O 反应器处理低碳氮比生活污水的试验研究

胡旭坤， 沈浩， 周凯， 余轶鹏， 王志明， 王伟*

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院， 合肥 230009； 2.安徽舜禹水务股份有限公司， 合肥 231131；3.合肥市市政设计研究总院有限公司， 合肥 230041）

低成本合流制城市污水排放方式是导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经过常规生物处理后的TN 浓度易超标， 导致水体富营养化，对环境和人体健康构成较大威胁。 因此， 在实际操作中需要投加甲醇、 乙酸钠等碳源来提高生物脱氮效果， 这显著增加了污水处理厂的运营成本［3-4］。

农业废弃物玉米芯因价格低廉、 天然有机物含量高且释碳性能稳定等优点受到广泛关注， 同时它还具有组织均匀、 硬度适中等特点［5］， 非常适合作为填料。 有研究发现， 较高的玉米芯投加量能够有效提高低碳氮比污水的脱氮效果， 但会增加COD的处理负荷， 导致COD 的去除率下降［6］。 另外，通过酸碱等预处理手段提高玉米芯内碳源的可利用性同样能够促进生物脱氮过程， 但该方法操作复杂， 成本较高［7］。

本研究在验证了玉米芯具备良好碳源释放性能的基础上， 根据进水碳源重新分配理念， 探究了玉米芯在A／O 反应器中不同位置（前置和后置）的脱氮性能的差异， 综合分析各指标变化情况， 优选其投加位置， 以提高玉米芯资源化综合利用效率， 为开发经济环保的低碳氮比生活污水处理模式提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置为2 个A／O 反应器， Y1（前置玉米芯反应器）和Y2（后置玉米芯反应器）。 试验装置示意如图1 所示。 有机玻璃制成的A／O 反应器的长、宽分别为47、 10 cm， 有效水深30 cm。 从左至右依次为缺氧区、 好氧区和出水区， 对应的体积分别为3、 9、 2 L。 缺氧区和好氧区分别添加了0.75 L和2.25 L 的挂膜载体， 便于微生物生长富集， 提高污染物去除效果［8］。 出水区下端设有承托板用于承载玉米芯。 前置和后置分别位于缺氧区底部和出水区承托板处。 试验采用连续进水方式， 并设置回流将好氧区产生的NO3--N 不断送至缺氧区。

图1 试验装置示意Fig.1 Experimental equipment

1.2 试验用水

试验用水为某高校内教职工生活污水， 用滤网筛除杂质后进行试验。 水质指标如表1 所示， 生活污水碳氮比为0.8 ～4.4。

表1 生活污水水质指标Tab.1 Quality indexes of domestic sewage

1.3 试验材料和接种污泥

试验所用玉米芯被切成5 ～10 mm 的小块， 使用前用去离子水浸泡3 d， 冲洗干净置于40 ℃的烘箱中烘干备用。

接种污泥取自某污水处理厂SBR 池， 使用前用滤网筛除杂质后再用生理盐水清洗， 重复3 次。

1.4 试验方法

（1） 玉米芯静态释碳试验。 取5 g（干重）玉米芯放置于棕色瓶中， 加入100 mL 去离子水， 密封后置于黑暗环境， 并在25 ℃下以150 r／min 转速振荡15 d。 期间共取样8 次， 水样使用0.45 μm 的滤膜过滤并测定COD 浓度。 另外， 每天都会重新加入去离子水替换瓶内的玉米芯浸出液。

（2） 前置和后置玉米芯试验。 将2 份0.28 L 玉米芯分别置于2 个反应器的缺氧区和出水区， 同时接种活性污泥， 使反应器内各区域的污泥浓度均为2 g［VSS］／L。 试验共进行了95 d， 考察其对低碳氮比生活污水的处理效果， 优选出玉米芯的投加位置。 试验中未使用恒温设备， 试验过程中由于天气原因出现了降温阶段。 反应器运行参数如表2 所示。

表2 反应器运行参数Tab.2 Reactor operating parameters

1.5 分析方法

COD、 NH4+-N、 NO3--N 及NO2--N 采用国家标准 方 法 测 定［9］， TN 浓 度 为NH4+-N、 NO3--N 和NO2--N 浓度之和。 反应器各区域内有机物成分通过日立F4600 型荧光光谱仪扫描后测定分析。

2 结果与讨论

2.1 玉米芯碳源释放性能

玉米芯的COD 释放速率如图2 所示。

图2 玉米芯的COD 释放速率Fig.2 COD release capacity of corncob

由图2 可以看出， 第1 天和第15 天的COD 释放速率分别为8.3、 0.8 mg／（g·d）。 玉米芯的碳源释放过程大概可以分为2 个阶段， 第1 阶段为1 ～7 d， 玉米芯中水溶性有机物溶胀溶解， 此阶段为碳源的快速释放期， 且碳源释放速率下降较快； 第2 阶段， 7 d 以后， 难溶性大分子有机物通过微生物降解缓慢释放到溶液中［10］， 因此， 整体上碳源释放量较低， 释放速率较慢。

玉米芯浸泡了15 d 后其有机物释放能力仍然存在， 且仍能够维持后期释碳的稳定性［11］。 另外，玉米芯浸出液中主要含有色氨酸， 这种物质易被生物降解利用［12］， 同时还检测出微生物活动所需的常量元素（K、 Na、 Mg、 Ca）和部分微量元素 （Fe、Cu、 Mn、 Co、 Ni）［10］。 因此， 玉米芯可被视为一种良好的固体缓释碳源。

2.2 前置和后置玉米芯对反应器运行效果的影响

2.2.1 COD 去除效果

2 组反应器进出水COD 浓度变化情况如图3所示。 由于玉米芯投加前进行了浸泡预处理， 这有效削弱了玉米芯的碳源释放量， 避免了反应器启动时 出 水COD 浓 度 超 标［13］。 常 温 条 件 下（20 ～25℃）， 随着异养反硝化细菌的不断富集， Y1 和Y2在第20 天左右达到稳定状态， 出水COD 质量浓度及去除率分别为19.1 mg／L、 53.4% 和22.2 mg／L、46.3%， 均低于GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A 标准。 从第60 天开始， 气温下降导致反应器水温下降（10 ～15 ℃），低温导致异养反硝化细菌的活性受到抑制［14］， 使其利用有机物的能力下降， 并在进水COD 浓度产生小幅波动的影响下， Y1 和Y2 出水COD 浓度明显上升， 最终两者COD 质量浓度及去除率分别稳定在43.7 mg／L、 54.2% 和51.1 mg／L、 47.6%， 较降温前COD 出水浓度上升明显， 但去除率基本不变。

图3 反应器进出水COD 浓度变化情况Fig.3 Changes of COD concentrations in influent and effluent water of reactor

2.2.2 氮素去除效果

2 组反应器进出水NH4+-N 浓度变化情况如图4所示。 由图4 可以看出， 反应器运行初始阶段， 出水NH4+-N 浓度快速下降， 表明好氧硝化细菌在载体上不断富集［15］。 随后即使进水NH4+-N 浓度波动较大， Y1 和Y2 出水NH4+-N 质量浓度也能分别稳定在0.3 mg／L 和0.6 mg／L， 去除率都在95%以上。 然而在降温后， 硝化细菌活性受到明显抑制［16］， 后期Y1 和Y2 出水NH4+-N 质量浓度和去除率分别上升为3.2 mg／L、 89.5%和3.0 mg／L、 90.2%， 此时两者对NH4+-N 的去除效果更接近， 但Y2 稳定性更强。

图4 反应器进出水NH4+-N 浓度变化情况Fig.4 Changes of NH4+-N concentrations in influent and effluent water of reactor

2 组反应器进出水NO3--N、 NO2--N、 TN 浓度变化情况分别如图5、 图6、 图7 所示。 由图5、图6 可知， Y1 和Y2 出水中NO3--N 和NO2--N 浓度在第10 天达到稳定， 并持续一段时间， 这是因为玉米芯浸泡初期能够释放大量有机物， 改善了低碳氮比生活污水碳源不足问题［17］， 2 组反应器在较短的时间内表现出良好的异养反硝化能力。 由图7可知， 第10 ～35 天， Y1 和Y2 的TN 去除率分别达到61.2% 和88.7%， 根据试验前20 d 内Y2 出水COD 浓度高于Y1 的现象， 推测此时Y2 中含有更多有机物能为异养反硝化过程提供电子， 因此Y2的脱氮效果更好。 第36 ～60 天， 由于进水COD 浓度的增幅相较TN 的更低， 碳氮比从2.2 下降到1.8， 导致出水NO3--N 浓度上升， Y1 与Y2 的TN去除率分别下降到46.0% 和55.3%。 在后续低温情况下， 细菌活性降低， 因此， 2 组反应器出水TN浓度持续上升， Y1 和Y2 的TN 去除率再次下降到35.4% 和49.7%， 但此时Y2 的脱氮效果依旧高于Y1。 综上所述， 在长时间的反应器运行中， 后置玉米芯能够获得更好的TN 去除效果。

图5 反应器进出水NO3--N 浓度变化情况Fig.5 Changes of NO3--N concentration in influent and effluent water of reactor

图6 反应器进出水NO2--N 浓度变化情况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应器内有机物变化分析

进水中的有机物主要为芳香蛋白类（Ex／Em=（200 ～250 nm）／（280 ～380 nm））和微生物副产物SMP（Ex／Em= （250 ～340 nm）／（280 ～380 nm））， 荧光峰值越高代表浓度越高。 2 组反应器各区域的三维荧光光谱如图8 所示， 处理后芳香蛋白类物质和SMP 被微生物利用后其含量明显下降。 由于反应器内微生物的新陈代谢和衰老死亡能生成SMP，SMP 下降幅度更小。 有研究表明， 玉米芯除了会释放易生化物质， 同时也能溶出难降解的腐殖酸（Ex／Em=（250 ～400 nm）／（380 ～550 nm））［18］。 因此， 在Y1 和Y2 内可明显观察到腐殖酸类物质的存在。

图8 Y1 和Y2 各区域的三维荧光光谱Fig.8 Three-dimensional fluorescence spectra of Y1 and Y2 reagions

对比Y1 和Y2 各区域的三维荧光光谱图， 尽管有机物种类相同， 但Y2 内的芳香蛋白类和腐殖酸类物质都要高于Y1， 证明了玉米芯后置的方式能够释放出更多易生化碳源， 这有利于Y2 中发生异养反硝化， 因此， Y2 对TN 的去除效果高于Y1。 另外， Y2 缺氧区中SMP 含量高于Y1， 由于SMP 与细菌的生命活动密切相关， 微生物代谢量的增加能够产生更多的SMP［19］， 因此， Y2 缺氧区内异养反硝化细菌的活性要高于Y1。

3 结论

（1） 采用前置和后置玉米芯强化A／O 反应器处理低碳氮比污水， 结果表明玉米芯前置和后置对COD 的去除率始终保持在50%左右。 常温条件下，后置玉米芯反应器的TN 去除率可达88.7%， 高出前置27.5%； 在低温条件下， 后置玉米芯反应器的TN 去除率下降为49.7%， 高出前置14.3%。

（2） 三维荧光光谱分析结果表明， 后置玉米芯反应器中存在更多易生化有机物， 有利于异养反硝化过程的进行， 从而获得更好的TN 去除效果。