郝玉芳，王 超
(河北省石家庄水文勘测研究中心，石家庄 050000)
序批式反应器(sequencing batch reactor，SBR)是一类经典的基于微生物悬浮生长的污水净化工艺，它将进水、反应、排水等多个工序按时间批次安排在同一个生物反应器内，可实现一体化操作，占地少，操作便捷，在多个不同类型的污水处理领域有着十分重要的应用和推广价值[1]。但是，随着污水排放标准的日益严苛，传统SBR工艺对污染物的去除效率已经难以满足现有要求，探寻提高其处理效能的方法[2]，成为近年来污水工艺提标改造方向的研究热点。
赵鹏程等[3]为提高SBR工艺的污水处理效果，向传统SBR系统内投加2 000 mg/L的强磁性粉末，结果表明该方法可使COD、NH4+-N和TP污染物的平均去除率分别在98%、95%、83%以上。张发奎等[4]为改良SBR工艺对某污水厂焦化废水的处理效果，向反应器内投加PFMF后，考察其对污染物去除情况的影响，研究结果表明该方法对COD、NH4+-N和TN均有着较优的去除效率，与传统SBR工艺相比，上述指标去除率分别提高15%、11%、19%以上。周松伟[5]等以增强SBR系统对印染废水的处理效果为目的，向系统内添加天然沸石粉，可实现最高NH4+-N去除负荷为1.12 kg/(m3·d)。徐芯渝等[6]为强化SBR系统对垃圾渗滤液的处理效果，从原液中分离出一株光合细菌R1并投加到SBR系统中，研究对其系统处理性能的影响，结果表明投加了R1的反应器对COD、NH4+-N的去除率分别高于76%、65%，同时可实现94%以上的TP去除，且系统的产泥量有所减少。
生物炭是在限氧条件下，通过生物质的热化学反应转化得到的富碳产品[7]。日常生活、生产中能被应用于制成生物炭的材料来源非常丰富，常见的有农业废弃物、林业废弃物、畜禽粪便、污泥和沼气残渣等[8-9]。其中，玉米芯作为一类年产生量巨大的废弃生物质，用作制备生物炭材料具有较高的可行性和较强的应用基础[10]。目前，关于玉米芯生物炭吸附水中某些污染物的研究较多，但将其应用于SBR工艺来强化污水处理效能的研究却鲜见报道。
因此，本文选取废弃玉米芯为原料，制成生物炭并添加至SBR系统内，分析其对该工艺污染物处理效果及污泥沉降速率的影响，探讨其应用于强化SBR工艺污水处理效能的可行性，以期为优化该工艺的净水性能提供更多的可选方法，也为废弃玉米芯资源的再利用提供新的途径。
2.1 实验装置及接种污泥
SBR反应装置见图1，有效容积为10L。在实验装置的底部，安装有一个微孔曝气盘，通过空气泵供氧，使曝气阶段的溶解氧浓度保持在3.5mg/L左右。每个周期耗时12h，单个周期的运行程序设定为：进水15min，曝气(同时搅拌)8h，搅拌2h，沉淀1h，排水15min，闲置30min，在室温25℃左右运行。曝气和搅拌阶段均开启搅拌器，搅拌速率为120r/min。接种污泥取自成都某生活污水处理厂的厌氧池污泥，闷曝3d后使用，通过适时排泥控制MLSS为3 000～4 000mg/L。
图1 SBR反应装置示意图
2.2 实验用水
实验用水取自成都某生活污水处理厂进水口的实际污水，经测试，进水COD、NH4+-N、TN、TP浓度范围分别为214.5～263.9、35.2～45.2、40.2～50.1、2.5～4.5mg/L，pH为7.1～7.9。进水前，先通过预处理手段去除污水中较明显的漂浮物、悬浮物等杂质。
2.3 生物炭制备
采用取自成都某农户产生的废弃玉米芯为原材料，洗净、烘干、粉碎后送入马弗炉内，在限氧条件下升温至600℃后恒温2.5 h，再将得到的每1g热解产物中加入15ml盐酸溶液(1mol/L)进行酸洗，结束后，用去离子水清洗至上清液为中性左右，收集固体烘干后过100目筛，得到的筛出物即为玉米芯生物炭，标记为C600，保存备用。
2.4 实验方案
采用2组相同构型的SBR反应装置进行实验启动，编号分别为S0和S1。S0为对照组，不投加C600，S1内投加1g/L的C600。每个周期排水和进水各4L，当实现80%以上的COD稳定去除时，认定SBR工艺启动成功。进入稳定运行阶段后，考察S0和S1对主要污染物的去除效果及系统内污泥的沉降速率。
2.5 分析方法
水质检测方法依照国家标准方法进行。污泥沉降体积采用量筒取样观测，沉降速率依据不同沉降时间下的污泥沉降体积计算求出。C600表面形貌采用场发射扫描电镜(Gemini 300，ZEISS)测定。
3.1 生物炭表面特征
图2为C600的电镜扫描结果。由图2可以看到，玉米芯生物炭表面有大量的褶皱和孔隙，粗糙不平，介孔数量较多。这是由于高温热解使玉米芯内部发生了热化学反应，有机质在分解过程中产生的气体从内部冲开，从而形成大量的孔道，使C600拥有更大的比表面积，为提高其对污染物的吸附能力和对微生物的负载能力创造了有利条件。
图2 玉米芯生物炭SEM图
3.2 COD去除效能
S0和S1对污水中COD的去除情况见图3。由图3可知，在启动初期，S0和S1均有着较高的COD出水浓度，该类污染物的去除率偏低，这可能是由于新接种的污泥还未完全适应新的曝气条件所致。随着运行时间的延长，COD出水浓度逐渐减小，S0在运行至第23d时，COD出水浓度为45.6mg/L，去除率为81.9%，此后进入稳定运行阶段，因而其启动耗时为23d，稳定运行阶段COD出水浓度均值达到44.8mg/L，去除率为81.6%。S1表现出和S0类似的变化规律，但其启动耗时仅为12d，COD去除率即可达到80%以上，相比S0的启动耗时缩短11d。不仅如此，当运行至第21d时，S1可实现90%以上的COD降解。稳定运行阶段，S1的出水COD质量浓度均值仅为19.8mg/L，相比S0减少25mg/L；
S1的COD去除率均值达到91.9%，相比未投加C600的S0提高10.3%。由此可见，C600的投加不仅能加速SBR工艺的启动，同时还能有效提高其对污水中COD的去除效能，使其拥有更高的有机物利用效率。
图3 SBR工艺对COD的去除情况
3.3 脱氮效能
稳定运行阶段，S0和S1对NH4+-N的去除情况见图4。从图4来看，未投加C600的S0对NH4+-N的平均去除率为87.5%，出水NH4+-N浓度范围为3.6～7.1mg/L。投加C600的S1对NH4+-N的平均去除率达到93.4%，相比S0提高5.9%，出水NH4+-N浓度仅为3.6～7.1mg/L。由此可见，C600的投加进一步增强了SBR工艺对污水中NH4+-N的去除效能[11]。
图4 SBR工艺对NH4+-N的去除情况
为进一步考察氮素污染物的真实去除情况，对稳定运行阶段的TN进出水浓度变化和去除效率进行分析，结果见图5。由图5可知，S0对污水中TN的去除性能不佳，出水TN的质量浓度在18.5～27.1mg/L范围内波动，TN去除率均值仅有50.3%。这说明S0虽然有着较为可观的NH4+-N去除效能，但是TN去除效能却并未得到同步提升，其原因可能是NH4+-N在曝气阶段被氧化为硝态氮或亚硝态氮后，由于有机碳源缺乏，并未能在搅拌阶段高效反硝化还原为气态氮，而是大量随出水排出，导致出水中依然含有较高浓度的TN[12]。与之相反，S1的TN去除效果则有明显的提升，出水TN的质量浓度范围仅为6.2～10.6mg/L，TN去除率均值升高到81.6%，相比S0提高31.3%，可见C600的投加为反硝化脱氮提供了有利条件。分析认为，C600具有较为可观的比表面积和较为充裕的吸附空间，不仅能增强对水中氮素污染物的吸附效果，同时也能为脱氮微生物提供良好的附着表面和更多不同类型的微环境，为发生短程反硝化、厌氧氨氧化、同步硝化反硝化等脱氮过程提供了便利[13-14]，从而增强了脱氮效能。
图5 SBR工艺对TN的去除情况
3.4 除磷效能
C600投加前后，SBR工艺对TP的去除情况见图6。由图6可知，污水经过S0处理后，TP的质量浓度降至0.52～1.29mg/L，TP去除率均值可达到75.8%，投加C600后，SBR系统的TP处理效果有所提升，TP出水浓度降至0.13～0.72mg/L，平均去除率升高至90.2%，比S0提高14.4%。玉米芯生物炭的投加为SBR系统更高效地吸附磷素污染物提供了条件，使附着在生物炭上的微生物能充分利用这些污染物进行新陈代谢，从而提高其处理效能[15]。
图6 SBR工艺对TP的去除情况
3.5 对污泥沉降速率的影响
图7为稳定运行期S0和S1内污泥沉降体积和沉降速率的变化情况。由图7可知，2个SBR系统内的污泥沉降比逐渐减小，沉降30min后，未投加C600的S0系统内污泥沉降体积为29ml，相应的污泥的沉降速率为2.37ml/min；
而沉降30min后，投加C600的S1系统内的污泥沉降体积为24mL，相比S0有所减少，但相应的污泥沉降速率升至2.53ml/min，相比S0提高7.04%。由此可见，投加C600后，SBR系统内的污泥沉降速率有所提高，更高的污泥沉降速率反映出系统内污泥和污水更优的分离性能，从而在提升出水水质的同时，工艺运行效能也得到强化。
图7 污泥沉降体积和速率的变化
为增强SBR工艺的污水处理效能，采用玉米芯为原材料，制备了生物炭并投加至SBR系统内，探讨玉米芯生物炭对该工艺处理性能的影响，结论如下：
1)按1g/L的量投加玉米芯生物炭到SBR系统内，启动反应器仅需12d的时间，在稳定运行阶段可实现91.9%的COD去除，相比未投加生物炭时提高10.3%。
2)稳定运行阶段，投加玉米芯生物炭的SBR系统对NH4+-N、TN的去除率均值分别达到了93.4%、81.6%，相比未投加生物炭时分别提高5.9%、31.3%，生物炭的投加增强了脱氮效能。
3)投加玉米芯生物炭后，SBR工艺对TP的去除效能也有所提升，平均去除率由未投加生物炭时的75.8%提升至90.2%，增幅达到14.4%。
4)玉米芯生物炭的投加有助于提高SBR工艺的污泥沉降速率，由原来的2.37ml/min提高到2.53ml/min，泥水分离效果增强，使出水水质得到进一步提高。
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