不同曝气策略对SBBR处理模拟水产养殖废水净化效率的影响

张世羊，张学辉，何 鑫，汪学杰，王广军

(1.中国水产科学研究院珠江水产研究所，农业农村部休闲渔业重点实验室，广州 510380； 2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)

序批式生物膜反应器(Sequencing batch biofilm reactor，SBBR)是SBR与生物膜法相结合的工艺，它是为了防止比增长速率较小的微生物在水力过大的反应器中被“淘洗”出去而设计的。SBBR具有抗冲击能力强、运行稳定、操作简单、便于管理等优势[1]。同时，由于填料本身具有一定体积，从填料表面到内部的溶解氧不断降低，填料表面的好氧区进行硝化，内部的缺/厌氧区进行反硝化，这种同步硝化反硝化现象能够有效地去除废水中的氮素[2]。因此，SBBR被广泛应用于各种含氮污水处理，其中包括量大、污染物浓度相对较低的水产养殖废水[3-6]。

影响SBBR净化效率的因素众多，如温度[7]、溶解氧[2]、pH[8]、盐度[9]、填料类型[10]、废水组成[11]等，其中溶解氧一直是最为关键的因素之一。近年来已有研究表明，SBBR最佳的脱氮效率对应的溶解氧水平可在2～2.5 mg/L[10,12-15]。而SBBR工艺中溶解氧的高低主要取决于曝气方式，后者主要受控于曝气强度[16]、曝气密度[17]、曝停比[7]等。近年来有关曝停比研究较多，但主要集中于人工配置的生活污水[18,19]、无机氨废水[7，20]、厌氧消化液[21]等，有关水产养殖废水曝停比的研究较少。鉴于此，本研究设计了5个形态结构相同的SBBR反应器，探究在两个既定溶解氧水平下不同曝停比对SBBR净化效率的影响，旨为实际应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验系统设计与构建

实验构建了5个形态结构完全相同的序批式生物膜反应器，用于完成后续的5种不同曝停比批次实验：即每种曝停比对应1个反应器(5个反应器均为处理组，无对照组)。5个反应器除曝停比不一致外，其它条件均一样。反应器由有机玻璃制成，规格为20 cm(长)×20 cm(宽)×25 cm(高)。反应器底部由带支座PVC板(厚度3.5 mm；穿孔率4.5%)作为承托板。承托板上方为反应区，填充球形轻质陶粒，填充厚度为12.5 cm，陶粒直径为3～5 mm，孔隙率为0.433。承托板下方为承托层，内设两个曝气沙盘(Φ8 cm)和1个排水孔(Φ20 mm)。另外在反应器底部和上液位处还设置有液位控制探头。

每个反应器均设有曝气系统，具体做法为：承托层中的两个曝气沙盘分别通过两根依次装有止逆阀和调节阀的橡胶软管(内径×外径=4 mm×6 mm)与同1台两气室微型气泵相连(风量约为2×200 L/h；功率：4 W；最大扬程：2 m；品牌：德国伊罕；型号：EM3704)。进水时，5个提升泵将储水池中混匀的均质污水同时分别抽提至各SBBR反应器中以待后续反应。实验装置的结构如图1所示。

图1 SBBR装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the SBBR

1.2 实验设计

SBBR最佳的脱氮效率对应的溶解氧水平可以在2～2.5 mg/L。由于实际运行过程中，溶解氧的调控存在小幅波动，本研究为了削弱溶解氧波动带来的不利影响及拉开溶解氧差距，故将SBBR曝气段DO设置为2 mg/L和3 mg/L两个水平，在此条件下探究不同曝停比对反应器净化效能的影响。实验于温室中进行。5个反应器序批式运行，每天运行4个周期，单周期内包括3 min进水、6 h反应、2 min出水。5个反应器对应的曝停比分别为1h/5h、2h/4h、3h/3h、4h/2h、5h/1h。

实验借助时间控制器和液位继电器实现5个反应器曝停时间的控制和装置的序批式运行。SBBR反应器的挂膜方法采用接种挂膜法。挂膜启动阶段：5个SBBR反应器接种采自已运行多年的成熟生物滤池末端的活性污泥，连续接种3 d；再向反应器中引入模拟配置的罗非鱼工程化养殖废水，对活性污泥进行驯化培养，每天运行4个周期；所有反应器稳定运行两周，待出水稳定之后开始采集数据，连续采集数据一个月[22]，用于后续比较分析。

本研究以罗非鱼工厂化养殖废水为处理对象，探究利用SBBR处理的可行性。由于工厂化水产养殖废水中的污染物主要来源于鱼类粪便和未被利用的饲料[23]，故本研究在前期实际监测的基础上[24]采取如下措施模拟配制罗非鱼工厂化养殖废水：称取20.00 g鱼饲料溶解至3 L水中，沉淀15 min之后取其上清液用于配制养殖废水，再分别称取4.90 g无水乙酸钠、2.44 g氯化铵、1.09 g磷酸二氢钾以补充废水中的碳氮磷物质。模拟配制的罗非鱼工厂化养殖废水各项污染物浓度指标见表1。同时向配制的养殖废水中加入微生物生长所必需的微量元素[25]，微量元素的组成特征见表2。

表1 模拟配制的罗非鱼工厂化水产养殖废水营养组成Tab.1 The nutrient compositions of the simulated wastewater from tilapia industrial aquaculture

表2 模拟配制的罗非鱼工厂化水产养殖废水微量元素组成Tab.2 The trace element compositions of the simulated wastewater from tilapia industrial aquaculture

1.3 数据收集

1.4 数据处理方法

去除率=(Cin-Cout)/Cin×100%

(1)

其中Cin和Cout分别表示进/出水污染物浓度(mg/L)。

采用双因素方差分析探讨不同溶解氧水平和曝停比调整对SBBR净化效能的影响。进一步地，采用单因素方差分析比较同一溶解氧水平不同曝停比间净化效率的差异，对应多重比较选择 LSD(假定方差齐)或Tamhane’s T2(假定方差不齐)；采用独立样本t-test比较同一曝停比不同溶解氧水平间净化效率的差异。所有显著性差异被定义为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同曝停比对进/出水理化性质的影响

由表3可知，在曝气段DO=2 mg/L工况下，与进水相比，出水达显著变化的指标有溶解氧、温度、pH等；盐度、电导率、总溶解固体三者的变化具有一致性，且只有在中低曝停比(1/5、2/4、3/3)工况下这三项出水指标与进水存在显著差异。与进水相比，出水溶解氧显著降低表明反应器内部存在生物耗氧过程，如有机物的好氧降解及硝化过程等。出水温度显著降低是因为反应器置于室内，出水受室温影响较大。pH显著降低可能是因为反应器中的硝化过程较反硝化过程进行得更充分，造成硝化耗碱和反硝化产碱的平衡向耗碱方向偏移，从而导致pH降低[27]。不同曝停比对出水溶解氧和温度的影响较小，但对pH有显著影响，且出水pH随曝停比的增加呈降低趋势，可能是因为长时间曝气强化了硝化过程而增加了碱度消耗，这与前面推断一致。不同曝停比对盐度、电导率和总溶解固体的影响较小，且随曝停比的增加无显著变化趋势。

表3 不同曝停比进/出水理化性质的比较Tab.3 Comparison on physicochemical properties between inflow and outflow under different aeration/non-aeration ratios

续表3

类似地，在曝气段DO=3 mg/L工况下，与进水相比，出水溶解氧和pH呈显著降低趋势，而温度呈显著增加趋势，分析原因同前。与曝气段DO=2 mg/L相似，曝气段DO=3 mg/L工况下的盐度、电导率及总溶解固体三者的变化也具有一致性，但是在中高曝停比(2/4、3/3、4/2、5/1)工况下这三项出水指标与进水存在显著差异。就曝停比而言，pH随曝停比的增加而降低，且其变化趋势与曝气段DO=2 mg/L工况下的相同(表3)。此外，由表4可知，不同溶解氧对所有出水理化指标均有显著影响，而不同曝停比仅对溶解氧、pH和盐度有显著影响，表明实验设定的不同溶解氧水平较不同曝停比对反应器出水理化性质的影响更为明显，且溶解氧与曝停比对出水溶解氧、盐度、电导率及总溶解固体存在显著的交互效应，这可能是因为不同溶解氧及曝停比与总无机氮(尤其是硝酸盐)的去除密切相关，而后者又是盐度、比电导率、总溶解固体等的重要组分。

表4 出水理化性质的双因素方差分析结果(P值)Tab.4 Results of two-way ANOVA on outflow physicochemical properties (P value)

2.2 不同曝停比对氮素去除的影响

图2 不同曝停比工况下各种氮素的出水浓度及净化效率比较Fig.2 Comparison on effluent concentration and purification efficiency of each form nitrogen under different aeration/non-aeration ratios (ANRs)

(1)

由于出水中Org-N含量不稳定，实验工况下TN的去除率随曝停比的增加未呈现明显的变化趋势(图2F)。由图2F可以看出，当曝气段DO=2 mg/L时，曝停比为5/1工况下的TN去除率明显高于其它工况，且这个最高值与曝气段DO=3 mg/L曝停比为4/2工况下的去除率基本相同，表明曝气段高DO有助于TIN的去除，但是曝气段低DO有利于污水中Org-N的截留，从而也会有利于总氮的去除。

图3 不同曝停比工况下SBBR出水各形态氮素堆积图比较Fig.3 Comparison on stacked column of each form nitrogen in SBBR effluent under different aeration/non-aeration ratios (ANRs)

此外，由SBBR出水各氮素堆积图可知，在曝气段DO=2 mg/L工况下，出水总氮以无机氮为主，其中无机氮中又以氨氮为主，出水中硝氮或亚硝氮含量较低(图3A)，说明在DO=2 mg/L工况下，各反应器的硝化能力较弱，系统的脱氮能力受控于硝化作用强弱，且硝化作用强度随曝停比的增加基本呈升高趋势(曝停比4/2除外)，但是对出水有机氮的影响较弱。类似地，在曝气段DO=3 mg/L工况下，出水总氮仍然以无机氮为主。与前者不同，在低曝停比(1/5)工况下，无机氮以氨氮为主，而在中或高曝停比(≥2/4)工况下，无机氮以硝氮为主(图3B)，说明在中或高曝停比工况下反应器的硝化能力较强。与曝气段DO=2 mg/L工况相比，曝气段DO=3 mg/L工况下的出水无机氮或总氮含量更低，说明高溶解氧条件下系统的同步硝化-好氧反硝化能力更强，系统的脱氮效率更高。

最后，方差分析结果表明：不同溶解氧水平对氮素去除的各项指标均有显著影响(表5)，实验工况下高溶解氧水平(DO=3 mg/L)更有利于同步硝化反硝化。而不同曝停比仅对氨氮的去除有显著影响。另外，溶解氧与曝停比的交互效应仅对氨氮和总无机氮有显著影响，这是因为实验设定的溶解氧水平和曝停比与同步硝化反硝化紧密相关，而同步硝化反硝化主要体现在TAN和TIN的去除效率上。

表5 各项污染物去除率的双因素方差分析结果(P值)Tab.5 Results of two-way ANOVA on the removal rate of various pollutants (P value)

2.3 不同曝停比对有机物和磷素去除的影响

方差分析结果表明：实验工况下不同溶解氧水平对COD的去除无显著影响，但是不同曝停比对COD的去除却有显著影响(表5)。无论是DCOD还是TCOD，实验各工况下反应器均呈现出较高的去除效果(平均DCOD去除率在78.9%～86.4%，TCOD去除率在78.8%～91.0%)。

就DCOD去除而言，在曝气段DO=2 mg/L工况下不同曝停比间无显著差异。相反地，在曝气段DO=3 mg/L工况下仅曝停比为1/5的DCOD去除率显著低于其它四组，但是其它四组之间并无显著差异(图4A)，这可能是因为乙酸钠为易生物降解碳源。在曝气条件下，反应初期(约1 h内)进水中的乙酸钠被聚糖菌(GAOs)快速吸收，同时其他异养型细菌的快速增殖也加快了COD的消耗[31]。李志静等[19]在探究不同曝停比和氨氮浓度下SBR中微生物群落的演变规律时也发现了类似现象，即COD的去除率随曝停比调整变化不大，其去除率基本在75%以上，他们认为这是由于反应提供的曝气时间均在4 h以上，能够满足系统对葡萄糖的降解需求。我们在比较不同工况生物滤池净化二级出水净化效率时也发现，以葡萄糖为碳源的反应体系经1 h处理后，COD的去除率可达80%左右[33]。本研究中除曝停比为1/5工况的曝气时长为1 h外，其它各组都超过了1 h，且DCOD的去除率基本在80%以上(除DO=2 mg/L且曝停比为3/3外)。

TCOD去除率的变化趋势与DCOD类似，即在曝气段DO=2 mg/L工况下，仅曝停比为3/3的工况显著低于其它四组，后者之间无显著差异；同样地，在曝气段 DO=3 mg/L工况下，低曝停比工况(1/5组)显著低于高曝停比工况(3/3、4/2、5/1)，后者之间无显著差异(图4B)。

图4 不同曝停比工况下COD的出水值及净化效率比较Fig.4 Comparison on effluent value and purification efficiency of COD under different aeration/non-aeration ratios (ANRs)

目前有关不同曝停比实验主要在于探究反应器脱氮除碳效率及相关功能微生物群落结构解析，几乎没有涉足到不同曝停比调整对磷素去除的影响分析[7,18-21]。由图5可以看出，IP和TP的去除率随曝停比增加的变化趋势基本一致。曝气段DO=2 mg/L工况下，出水IP浓度随曝停比的增加呈现先积累后去除趋势，且磷素的去除率随曝停比的增加而增加。而曝气段DO=3 mg/L工况下IP的去除率均为正值，且磷素的去除率随曝停比的增加先升高后降低，在曝停比为4/2时达到最高。与曝气段DO=2 mg/L相比，在相同曝停比工况下，曝气段DO=3 mg/L工况下的磷素去除效率始终较高。在本研究中，磷素去除率最高的工况是曝气段DO=3 mg/L且曝停比为4/2，该工况下IP和TP的平均去除率均为69.2%(图5A和B)。

方差分析结果表明：不同溶解氧水平和曝停比对磷素的去除均产生显著影响，但是二者的交互效应不显著(表5)。实验工况下高溶解氧水平和适度提升的曝停比均有利于提高磷素的去除效果。此外，相关分析表明：TIN与IP、TP的去除率间均存在显著的正相关(斯皮尔曼相关系数R均为0.9，P=0.037)。因为TIN的去除途径为反硝化，由此推断反应器中磷素的去除途径可能主要为反硝化除磷[34]。

图5 不同曝停比工况下磷素的出水浓度及净化效率比较Fig.5 Comparison on effluent concentration and purification efficiency of phosphorus under different aeration/non-aeration ratios (ANRs)

3 结论

不同曝停比对出水溶解氧和温度的影响较小，但对pH有显著影响，且出水pH随曝停比的增加而降低，不同曝停比对盐度、电导率和总溶解固体的影响较小。实验设定的不同溶解氧水平较不同曝停比对反应器出水理化性质的影响更为明显。

不同曝停比工况下氮素去除途径主要为同步硝化反硝化。实验工况下不同溶解氧水平对氮素去除的各项指标均有显著影响，高溶解氧水平更有利于同步硝化反硝化。而不同曝停比仅对氨氮的去除有显著影响，TAN的去除率均随曝停比的增大呈升高趋势。

不同溶解氧水平对COD的去除无显著影响，但是不同曝停比对COD的去除却有显著影响。不同溶解氧水平和曝停比对磷素的去除均产生显著影响，高溶解氧水平和适度提升的曝停比均有利于提高磷素的去除效果，磷素的去除途径可能主要为反硝化除磷。在曝气段DO=2 mg/L工况下，曝停比为5/1时系统脱氮除磷效果最佳；而在曝气段DO=3 mg/L工况下，曝停比为4/2时系统净化效率最高。