摘要:以农村实际低C/N废水为考察对象，构建膜序批式反应器（MSBR），探究了不同曝气强度（AI）对MSBR处理效能的影响。结果表明，AI显著影响MSBR处理低C/N废水的效能。当AI在1.0～5.0m3/（m2•h）范围内时，AI对化学需氧量（COD）的去除影响不明显，COD去除效率均在89.5%～92.6%，可能与农村污水低C/N相关。然而，AI显著影响MSBR对氮和磷的去除。AI由1.0～2.0m3/（m2•h）提高至3.0～4.0m3/（m2•h），NH4+-N去除效率由81.6%～85.9%提高至92.6%～94.1%，而进一步提高AI至4.0～5.0m3/（m2•h），NH去除效率下降至89.5%～91.2%。高曝气强度强化微生物内源呼吸，抑制微生物活性。适当提高AI利于提高好氧末期NO3--N的浓度，并强化后续反硝化，而高强度曝气降低NO3--N的去除。MSBR除磷的最佳AI为3.0～m3/（m2•h），溶解性正磷酸盐（SOP）的去除效率为97.5%～98.9%。
关键词:曝气强度;低C/N废水,膜序批式反应器,脱氮
我国农村污水具有水量大，分布广，含碳量低等特点，未经处理的农村污水直接排放会导致水体富营养，降低生物多样性甚至危害到人类安全［1］。因此，农村低C/N废水的有效处理一直是学者关注热点。膜生物反应器（MBR）具有运行效率高，占地面积小等优点而被广泛应用于生活污水、工业废水及畜禽废物的处理［2］。MBR在脱氮除磷方面具有显著优势，生物膜的截留作用可以使硝化细菌在好氧池内附着，因此在不增加池容积的条件下提高了硝化细菌的代谢活性，减少了硝化细菌的流失。研究表明MBR与序批式反应器（SBR）相偶联能同时具备在一个反应器内满足氮磷去除及有机物的条件［3］。曝气强度（AI）对微生物代谢具有重要作用，AI主要通过溶解氧的浓度及水力剪切力影响污泥特征及微生物活性［4-5］。SRB实现生物脱氮的主要原因在于通过控制AI来实现时间序列上缺氧与好氧的交替来实现生物脱氮，而生物除磷在厌氧期要严格控制曝气量强化聚磷微生物（PAO）的代谢活性。陈晓旸等［4］在序批式膜反应器内探究了AI对模拟生活污水脱氮除磷的影响，结果表明AI提高促进了氨氮去除，但总氮去除效率随AI的升高呈先升高后下降趋势。曝气强度同样对除磷颗粒污泥特性，处理性能及生物量［2］。此外，巩有奎等以生活污水为处理对象，在碳纤维填料制成的SBBR内探究了曝气强度对生物脱氮及N2O释放的影响，结果表明曝气强度降低利于外部异养菌的大量增殖。然而曝气强度对生物膜序批式反应器（MSBR）处理低C/N农村污水的影响鲜见报道，且曝气强度的影响机制也不明确。因此，本工作构建MSBR并处理农村低C/N生活污水，探究了曝气强度（1.0～5.0m3/（m2•h））对MSBR处理效能的影响，揭示了AI影响MSBR效能的机制。本研究结果对MSBR处理农村低C/N废水提供一定的理论依据与数据支撑。
1材料与方法
1.1实验材料MSBR主要由树脂玻璃构成，有效工作容积为10.0L，MSBR的运行模式为厌氧-好氧-缺氧。SBR每日运行3个周期，每个周期为8h，厌氧120min，好氧150min，缺氧120min，沉淀出水30min，闲置30min。接种污泥来源于某污水处理厂回流污泥，其主要特征如下：总挥发性固体（TSS）4800mg/L，挥发性悬浮固体（VSS）2660mg/L。取回后的接种污泥在实验室驯化2个月后脱氮除磷性能良好，磷酸盐去除效率高达90%，总氮去除效率高达80%。实验用水为某农村废水处理站进水口，取回后的农村废水后经过滤去掉杂质后备用。实验用水的主要特征如下：pH7.1～7.3，COD为13～180mg/L，NH4+-N40～45mg/L，溶解性正磷酸盐（SOP）6.1～8.2mg/L。
1.2实验设置
本研究在3个相同的MSBR内（10.0L）内进行，MSBR内置机械搅拌器，在缺氧期工作转速为80转/min。首先向各反应器内投加3.0L的接种污泥和7.0L的实验用水。连续运行四个阶段（阶段I-IV），每个阶段运行30d。各阶段控制曝气强度分别为1.0～2.0、2.0～3.0、3.0～4.0、4.0～5.0m3/（m2•h）。曝气采用鼓风曝气，外部设有流量计。整个周期内只在好氧阶段进行曝气，而在厌氧及缺氧期未进行曝气。
1.3分析方法
反应器出水及各阶段末上清液中COD、NH4+-N、NO3--N，的分析方法采用标准方法［7］。磷酸盐的测定采用磷钼蓝比色法。
2结果与讨论
2.1AI对MSBR系统COD去除的影响
AI影响微生物的代谢增殖从而可能影响对有机物的去除［8］。图1为不同工况下AI变化对COD去除的影响。由图1可知，进水COD基本维持在130～180mg/L，出水随AI不同差异不大。出水COD基本维持在12.6～19.3mg/L，对应COD的去除效率约在89.5%～92.6%。上述实验结果表明MSBR系统处理农村低C/N废水COD具较高去除效率，且AI变化对COD的去除影响不大。产生这种现象的原因可能在于进水COD低，极易作为碳源被用于反硝化脱氮，聚磷微生物（PAO）超量吸磷及微生物增殖［9］。
2.2AI对MSBR系统含氮物质去除的影响
图2为AI对MSBR系统中NH4+-N的去除的影响。在本实验过程中进水NH4+-N的呈现一定波动性，但基本维持在40～45mg/L。AI的变化对出水NH4+-N的浓度产生较大影响。当在工况I时，AI为1.0～2.0m3/（m2•h），曝气强度较低，出水NH4+-N的浓度基本维持在6.5～8.4mg/L，对应NH4+-N的去除效率约为81.6%～85.9%。当MSBR运行至工况III，AI升高至3.0～4.0m3/（m2•h），出水NH4+-N的浓度下降至2.9～4.1mg/L，低于工况I。工况III内，NH4+-N的去除效率对应升高至92.6%～94.1%，同样高于工况I和工况II，说明适当提高MSBR系统内曝气强度利于NH4+-N的氧化与去除。该结论与陈晓旸等［4］报道一致，AI提高利于氧传递与传质效率，进而利于NH4+-N的氧化。然而，在本工作中，当MSBR运行至工况IV时，AI进一步提高至4.0～5.0m3/（m2•h），出水NH4+-N的浓度反而升高至3.6～4.3mg/L，对应NH4+-N的去除效率降低至89.5%～91.2%，仍高于工况I。因此，当AI由1.0～2.0m3/（m2•h）提高至3.0～4.0m3/（m2•h）时，MSBR对NH4+-N的去除得到强化，然而过高的AI降低NH4+-N的去除。杨小丽等［10］研究表明过高的AI会强化微生物内源呼吸，进而导致溶解性微生物代谢产物增多，抑制了微生物活性，最终降低NH4+-N的去除。图3进一步展示了各工况下MSBR系统在好氧末期及出水NO3--N浓度的变化。如图3所示，AI由1.0～2.0m3/（m2•h）提高至2.0-3.0m3/（m2•h）时，好氧末期NO3--N浓度由6.9～7.5mg/L提高至9.4～9.6mg/L，说明增加曝气强度提高了MSBR内硝化程度，从而提高了好氧末期NO3--N浓度。而AI由2.0～3.0m3/（m2•h）提高至3.0～4.0m3/（m2•h）时，好氧末期NO3--N浓度变化不明显，说明在2.0～4.0m3/（m2•h）曝气范围内，硝化细菌的活性大致相似。而当AI进一步提高至4.0～5.0m3/（m2•h）时，好氧末期NO3--N浓度进一步提高至10.3～11.2mg/L，说明高强度曝气进一步提高了NO3--N的硝化。出水NO3--N的浓度同样受AI的影响。在工况I时，出水NO3--N的浓度基本维持在1.1-1.3mg/L，而进水工况II和工况III，AI提高，出水NO3--N却分别下降至0.6～0.8mg/L和0.3～0.5mg/L，说明适当提高AI利于降低出水NO3--N的浓度，并且最佳AI为3.0～4.0m3/（m2•h），需要注意的是在工况II和工况III时，好氧末期NO3--N的浓度变化不显著，而出水NO3--N的去除效率却得到提高，这可能在工况III内反硝化细菌的活性较高有关。在工况IV内，出水NO3--N的浓度升高至1.1～1.5mg/L，说明高曝气强度降低了NO3--N的去除，产生这种现象的原因可能在于1）高强度曝气，破坏了污泥絮体，从而对反硝化过程产生一定抑制［11］；2）高强度曝气强化了异养菌的增殖，从而使得进水低含量COD在好氧区被大量消耗，进而在缺氧区用于反硝化的碳源受限制。
2.3AI对MSBR系统内磷酸盐的去除影响
P是导致水体富营养化的关键因素，同样，AI会影响MSBR内磷酸盐的去除。如图4所示，本研究进水SOP的浓度基本维持在6.1～8.2mg/L，而出水SOP的浓度受AI影响较大。在工况I，AI较小，出水SOP的浓度约为0.43-0.52mg/L，对应SOP的去除效率为89.5%～92.3%，说明在低AI条件下，MSBR已具有良好的生物除磷效能。在工况II和工况III时，AI逐渐加强，同时出水SOP的浓度也逐渐下降至0.39～0.45mg/L和0.08～0.14mg/L，SOP的去除效率分别提高至93.6%～95.2%和97.5%～98.9%。上述实验结果表明适当提高AI同样利于生物除磷，产生这种现象的原因可能在于AI提供对好氧期PAO提供充足的电子供体，从而利于超量吸磷。另一方面，提高了好氧阶段NO3--N的浓度，进而后段缺氧期反硝化除磷，进而降低出水阶段SOP的浓度。然而，当进水工况IV后，出水SOP的浓度升高至0.42～0.53mg/L，对应SOP的去除效率下降至92.6%～93.8%。过高AI降低了MSBR对SOP的去除。AI过高可能促进了好氧期内PAO体内贮存的聚-β-羟丁酸（PHB）进而导致内聚物分解产能降低，好氧吸磷率下降［12］。另一方面，过高AI导致后续缺氧段仍有较高溶解氧，降低反硝化除磷。因此，本工作中最利于MSBR除磷的AI为3.0～4.0m3/（m2•h），此时SOP的去除效率为97.5%～98.9%。图5进一步分析了各工况条件下不同时期SOP的浓度。由图5可知，在厌氧末期，AI强度由工况I升高至工况III时，厌氧末期SOP的浓度由23.6mg/L升高至31.2mg/L。而进一步升高AI，厌氧末期SOP的浓度却下降至28.4mg/L。说明AI的变化能影响PAO的代谢活性从而导致厌氧期释磷量存在差异。此外，在好氧末期，AI变化同样导致SOP的浓度存在较大差异。当AI为1.0～2.0m3/（m2•h）时，曝气强度低，好氧吸磷量低，上清液中SOP的浓度为3.5mg/L，升高AI强化了好氧吸磷量，当AI为3.0～4.0m3/（m2•h）时，好氧末期SOP的浓度下降至2.6mg/L，显著低于工况I和工况II。说明适当提高AI为PAO好氧吸磷提供了充足的电子受体。而当AI升高至4.0～5.0m3/（m2•h）时，好氧末期SOP浓度升高至3.9mg/L，过高的曝气强度消耗了PAO内聚物，从而降低好氧吸磷能力，这与图4结果相一致。
3结论
在MSBR处理低C/N生活废水的处理过程中探究了AI对MSBR运行情况及污染物处理效率的影响。当AI在1.0～5.0m3/（m2•h）范围内时，AI对COD的去除影响不显著。但AI显著影MSBR脱氮除磷。AI在3.0～4.0m3/（m2•h）时，NH4+-N去除效率达到最大，约为92.6%～94.1%。适当提高AI利于提高好氧末期NO3--N的浓度，并强化后续反硝化，而高强度曝气降低NO3--N的去除。MSBR除磷的最佳AI为3.0～4.0m3/（m2•h），SOP的去除效率为97.5%～98.9%。
作者：宋亮 单位：甘肃省平凉生态环境监测中心