陳柏成，馬卓汝，唐美珍

（曲阜師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 曲阜273165）

1 引言

近年來，隨著大量未經(jīng)深度處理的污水（工業(yè)廢水、生活廢水、農(nóng)業(yè)面源廢水等［1］）排入河流，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象也日益嚴(yán)重。水體富營養(yǎng)化的危害主要包括以下幾個方面：一是引起地表水中植物和藻類的過度生長［2］。正常情況下，植物和藻類的生長受氮和磷等營養(yǎng)元素的限制，當(dāng)?shù)?、磷隨污水持續(xù)進(jìn)入緩流水體，可造成水生植物和藻類過度生長，引起水質(zhì)惡化使水變得腥臭難聞；藻類種類逐漸減少，并由以硅藻和綠藻為主轉(zhuǎn)為以藍(lán)藻為主，而藍(lán)藻有不少種有膠質(zhì)膜，不適于作魚餌料，并且其中有一些種屬是有毒的；水生植物和藻類大量繁殖，覆蓋水面，影響江河湖泊的觀賞價值；以富營養(yǎng)化水體作為水源時，藻類可堵塞濾池而影響水廠生產(chǎn)，所含毒素則影響飲用水的質(zhì)量。二是消耗水體的溶解氧［3］。水生植物和藻類大量繁殖，覆蓋水面，不僅影響江河湖泊的觀賞價值，而且陽光在穿射水層的過程中，由于被藻類吸收而衰竭，因而使得陽光難以透射進(jìn)入湖泊等水體的深層，造成溶解氧的來源減少，嚴(yán)重影響水中魚類的生存。三是水體富營養(yǎng)化常導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)紊亂，水生生物種類減少，多樣性受到破壞［4］。而且富營養(yǎng)化水體中含有大量硝酸鹽和亞硝酸鹽，人畜長期飲用這些物質(zhì)含量超過一定標(biāo)準(zhǔn)的水，會導(dǎo)致中毒。絕大多數(shù)水體富營養(yǎng)化是由于氮、磷等營養(yǎng)元素的排入造成的。如能減少或者截斷外部輸入的營養(yǎng)物質(zhì)，就使水體失去了營養(yǎng)物質(zhì)富集的可能性。因此脫氮除磷在廢水處理中所占比重逐年加大。而探索經(jīng)濟(jì)有效的脫氮除磷工藝就成為當(dāng)前亟待解決的問題。

SBR 工藝（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）也叫序批式活性污泥法或間歇式活性污泥法，是一種利用微生物在反應(yīng)器中按照一定的時間順序間歇式操作的污水處理技術(shù)［5］。它通過對進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水、靜置、排泥的靈活操作，在時間上實(shí)現(xiàn)厭氧、缺氧、好氧的組合。SBR系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)就是在時間和空間上的運(yùn)行操作的靈活性［2］。通過改變運(yùn)行方式、合理分配曝氣和非曝氣的時間，創(chuàng)造交替厭氧、缺氧、好氧條件可實(shí)現(xiàn)脫氮除磷。本工藝用于脫氮除磷具有結(jié)構(gòu)簡單、基建運(yùn)行費(fèi)用低、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。目前國內(nèi)研究認(rèn)為SBR脫氮、除磷效果的影響因素主要有：進(jìn)水?dāng)嚢钑r間、進(jìn)氣量、曝氣時間、停曝攪拌時間、沉淀時間［6，7］。而由于缺氧條件下發(fā)揮脫氮作用的反硝化細(xì)菌和厭氧條件下發(fā)揮除磷作用的聚磷菌均為異養(yǎng)型細(xì)菌，如果沒有充足的碳源，該類細(xì)菌不能充分發(fā)揮作用，脫氮除磷時的效果也將受到抑制。因此碳源的含量也是SBR運(yùn)行效果的影響因素之一。

試驗(yàn)選擇生活污水為處理對象，SBR為反應(yīng)裝置［8］，在運(yùn)行過程中投加不同種類、不同濃度的外加碳源，通過對氨氮、總氮、總磷［9］等評價指標(biāo)的測定來確定最佳投加碳源的種類和濃度。

2 材料與方法

2.1 儀器與裝置

主要儀器包括202－2A型電熱恒溫干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司），ALC－210.4電子精密天平（北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司），HH－6型化學(xué)耗氧量測定儀（江蘇江分電分析儀器有限公司），752紫外可見分光光度計（上海菁華科技儀器有限公司），721型分光光度計（上海第三分析儀器廠），HJ－4A多頭磁力加熱攪拌器（常州國華電器有限公司），還有實(shí)驗(yàn)室常用玻璃儀器等。中心裝置為SBR反應(yīng)器，反應(yīng)器高30cm，直徑為10cm，水樣體積為2L。采用鼓風(fēng)曝氣，用轉(zhuǎn)子流量計進(jìn)行曝氣調(diào)節(jié)，使曝氣量控制在1m3／h左右，水溫為（10±2）℃。為了實(shí)現(xiàn)脫氮除磷效果，SBR運(yùn)行方式為：瞬間進(jìn)水，曝氣，投加外加碳源，沉淀（總氮需要進(jìn)行短時間曝氣吹脫N2［10～13］），排水，靜置（圖1）。

圖1 SBR反應(yīng)器試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)材料

采用啤酒廢水、葡萄糖、甲醇作為外加碳源［14～16］。依據(jù)外加碳源所產(chǎn)生的CODcr的效應(yīng)相同的原則，所加啤酒廢水的量為1.0、2.0、4.0、8.0、12.0mL；葡萄糖為0.125、0.25、0.5、1.0、1.5g；甲醇 為0.1、0.2、0.4、0.8、1.2mL。活性污泥取自曲阜市生活污水處理廠AAO工藝的濃縮池；處理水樣取自曲阜市生活污水處理廠進(jìn)水口，其水質(zhì)特征如表1所示。

表1 生活污水水質(zhì)

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 SBR運(yùn)行方法

按 MLSS＝8000mg／L［13］加入活性污泥，進(jìn)水后加入外加碳源，曝氣120min，停止曝氣攪拌60min（僅總氮測定時需要），沉淀，排水。

2.3.2 各試驗(yàn)指標(biāo)的測定方法

對CODcr的測定［17］使用重鉻酸鉀法，NH＋4－N的測定［17］采用納氏試劑分光光度法，TN的測定［18］使用堿性過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法，TP的測定［17］采用孔雀綠－磷鉬雜多酸分光光度法。

3 結(jié)果與討論

3.1 外加碳源對NH＋4－N的影響

生活污水中的氨氮主要以游離氨和離子態(tài)氨形式存在的氮，是含氮有機(jī)物作用下的分解產(chǎn)物，是重要的富營養(yǎng)化物質(zhì)組成成分。

表2 外加碳源投加前后氨氮的濃度變化及去除率

由表2可以看出：當(dāng)氨氮的起始濃度為在（11±3）mg／L范圍內(nèi)，以啤酒廢水為外加碳源時氨氮的去除率為27.8%～65.7%不等，以葡萄糖為外加碳源時氨氮的去除率可達(dá)44.0%～67.8%，以甲醇為外加碳源氨氮去除率21.4%～37.6%。均大于對照組的14.0%。結(jié)果表明外加碳源的投加確能提高氨氮的去除率，葡萄糖為最佳，啤酒廢水其次，甲醇最差。其中葡萄糖的加入可使除率的增幅達(dá)到最大。分析造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于葡萄糖可以促進(jìn)微生物的生長，而微生物的同化作用和反硝化作用可以有效將NH＋4－N去除。

3.2 外加碳源對TN的影響

由表3可以看出：當(dāng)總氮的濃度處于（39.9～49.3）mg／L時，對照組的總氮去除率為34.6%。投加3種碳源后，總氮的去除率均有明顯提高。投加葡萄糖以后可使總氮的去除率達(dá)最高，為65.0%，投加甲醇可使去除率最高能達(dá)到56.0%。但綜合各個投加量可以發(fā)現(xiàn)，啤酒廢水的投加可以較穩(wěn)定的提高總氮的去除率，原因可能是啤酒廢水含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、氨基酸、碳水化合物等有機(jī)物穩(wěn)定提高了短程硝化反硝化階段的反應(yīng)速率，使得系統(tǒng)對總氮的去除率保持在49.6%～54.8%之間。因此最佳外加碳源為啤酒廢水。

由圖2可以看出：當(dāng)進(jìn)水中所含總氮濃度在（39.9%～49.3%）mg／L時，投加啤酒廢水后，總氮的去除率明顯高于對照組。當(dāng)投加啤酒廢水的量為4mL時，去除率達(dá)到最高值，為54.8%，投加2mL與12mL所得的去除率相等，均為54.1%。投入8mL時去除率稍差，仍大于對照組的34.6%。說明啤酒廢水作為外加碳源對總氮的高效去除作用。

圖2 以啤酒廢水為碳源時總氮的濃度變化

3.3 外加碳源對TP的影響

由表4可以看出：當(dāng)總磷濃度在（3.59～4.59）mg／L范圍內(nèi)時，對照組總磷的去除率僅為29.6%。加入啤酒廢水作為碳源可以使其提高到50.4%～57.3%，屬于較穩(wěn)定范圍內(nèi)增幅；以葡萄糖為碳源時，總磷去除率最高僅為48.8%，但是上下增幅較大，不穩(wěn)定；投加甲醇最高可使其達(dá)到50.8%?？偭椎娜コЧ【茝U水為最佳，最高達(dá)到57.3%，其次是甲醇，再次是葡萄糖。結(jié)合查閱文獻(xiàn)得知，原因可能是由于葡萄糖可以代替細(xì)胞內(nèi)的糖原力為生物生長提供能量和還原力。因此可以選擇性促進(jìn)聚糖菌的生長，從而降低了聚磷菌的競爭力，而啤酒廢水正好與之相反作用，抑制了聚糖菌的生長，而提高了聚磷菌的競爭力。

由圖3可以看出：當(dāng)進(jìn)水中所含磷的總量為（3.72～4.31）mg／L之間，對照組總磷的去除率較低，僅為29.6%。投加啤酒廢水后，總磷的去除率穩(wěn)定在50.4%～57.3%之間，其中投加8mL時得最佳去除效果，為57.3%。加入4mL啤酒廢水時所得去除率相對較低，但仍遠(yuǎn)大于對照組。

表3 外加碳源投加前后總氮的濃度變化及去除率

表4 外加碳源投加前后總磷的濃度變化及去除率

圖3 以啤酒廢水為碳源時總磷的濃度變化

綜合表2、3、4可知：3種外加碳源的投加確可以提高氮、磷的去除效果。當(dāng)以葡萄糖為外加碳源時具有最大總氮去除率，甲醇次之，再次為啤酒廢水。在本實(shí)驗(yàn)中，盡管啤酒廢水對總氮去除率稍低于葡萄糖和甲醇，但是表現(xiàn)出對總氮更穩(wěn)定的去除范圍活力，在對總磷的去除率中，啤酒廢水具有最大去除率和穩(wěn)定的去除率范圍。所以以啤酒廢水為外加碳源時，總氮、總磷的去除效果總體要比以甲醇、葡萄糖為外加碳源時高。許多研究結(jié)果也表明以葡萄糖作為碳源時會使得有除磷效果進(jìn)一步惡化的現(xiàn)象，甲醇作為碳源時脫氮除磷效果不具有優(yōu)勢，而且原料來源費(fèi)用昂貴。因此，啤酒廢水是以SBR法處理生活污水時的最佳碳源。

4 結(jié)語

不同種類、濃度的外加碳源的投加均可以使氨氮、總氮、總磷的去除率提高，證明投加外加碳源可以提高SBR法脫氮、除磷的效果。當(dāng)以啤酒廢水為外加碳源時，總氮、總磷的去除效果均可達(dá)研究濃度范圍內(nèi)的最高值。原因可能是由于啤酒廢水作為生物降解的底物，易于被微生物接受為反硝化階段、厭氧放磷階段的碳源。以啤酒廢水為碳源時，系統(tǒng)脫氮除磷效果明顯高于其他碳源。同時啤酒廢水是一種無毒廢水，可生化性良好，而且來源廣泛價格低廉，因而啤酒廢水是一種低成本、環(huán)境友好型碳源，工業(yè)可行性良好。

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