以稻壳为载体的SBR对农村生活污水去除效能分析

闫立龙，郝国馨，刘玉，文艳，伍祖静，陈艺洋，张英民

（1东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州 510530）

近年来，我国城镇水环境治理得到很大改善，但农村水环境污染问题仍较严重。随着经济发展，农村分散型污水随意排放导致农村水环境污染问题日益突出。开展农村分散型污水处理具有重要意义。

随着我国粮食产量的大幅度提高，农业秸秆的产量也随之增多。据统计，我国每年产生的秸秆量达7亿吨以上[1]。秸秆中含有大量的有机物及氮、磷等物质，是一种可再生的生物资源。但就目前来看，大部分的作物秸秆被直接还田或被烧 掉[2]，随意丢弃或无控燃烧现象在我国农村还相当普遍[3]，不仅造成资源的浪费，还会污染环境。

作为农业生产的废弃物，我国稻壳资源非常丰富，但综合利用率很低[4]。如果不能合理开发稻壳的用途，稻壳中的污染物将释放到环境中，势必造成环境污染问题[5]。人们已经尝试用于去除废水中的各种污染物，其中以稻壳及其改性的吸附剂去除废水中重金属较多，此外还用于吸附去除燃料及有机物、氨氮等[6-10]。在上述研究中，稻壳或被热处理或化学改性。

稻壳中除含有大量的粗纤维、粗蛋白、粗脂肪等有机物外[11-12]，还含有一定量的SiO2，SiO2以网状结构分布其中，起骨架作用，当稻壳中木质素和纤维素被降解之后，炭会附着在骨架上，使稻壳成为理想吸附剂原料[13]；同时稻壳表面生有茸毛，具有大量毛细孔结构和细小孔隙及较大的比表面积和体积，使稻壳成为一种理想载体成为可能[13]。

考虑到稻壳的存在会造成农村水环境中有机物浓度升高的问题，本研究将农业废弃物稻壳添加到序批式活性污泥法（SBR）反应器内，试图以稻壳为生物载体，对添加稻壳的SBR反应器处理农村生活污水进行研究，为探索污染物的去除途经，对稻壳吸附COD及氨氮特性及稻壳释放COD及氨氮规律进行研究，以期为稻壳在废水处理中应用及农村环境保护提供参考。

1 试验过程与试验方法

将稻壳（取自黑龙江省某大米加工厂）用蒸馏水清洗3～5次以去除灰分，于60℃烘箱中烘干24h后，置于干燥器中贮存备用。

1.1 以稻壳为载体的SBR生物处理污水试验

试验用SBR反应器由有机玻璃制成，反应器有效容积3.0L，内径120mm，体积交换率为50%。曝气系统由空压机和微孔曝气头组成，曝气量由气体流量计进行控制，曝气过程通过时间控制器进行调控，以实现间歇式运行，具体过程如下：瞬时进水、曝气240min、沉淀40min、排水10min、闲置30min，每天运行4 个周期。称取稻壳200g于SBR反应器中，以考察以稻壳为载体的SBR对污染物的去除效果。试验接种污泥为试验室培养驯化的高氨氮废水处理污泥，经培养、驯化（氨氮去除率稳定在60% 以上）后，转入反应器中，使SBR 内的污泥质量浓度（MLSS）为2500mg/L，沉降比（SV）为28%。反应器中溶解氧（DO）浓度最初控制在2～3mg/L（1～11天），考虑到稻壳在反应器内容易沉降，自第12天起，将反应器内容DO控制在4～6mg/L，使得稻壳处于悬浮状态，以增加稻壳与污水的接触及混匀程度。

1.2 稻壳吸附试验

称取稻壳5 份，每份2.00g，分别放入5 个250mL 锥形瓶中，依次加入盛有200mL的模拟废水和实际生活污水（COD浓度为156.52mg/L，氨氮浓度为17.99mg/L），并以不投加稻壳的烧杯作为对照，于恒温振荡器上振荡2.0h，每个处理设置3个平行样，水样经过滤后取上清液进行分析。

1.3 稻壳释放污染物试验

称取稻壳7份，每份4.00g，分别放入7个盛有200mL去离子水的250mL 锥形瓶中，于恒温振荡器上振荡，并分别在第1、2、3、4、5、6、7天取上述锥形瓶，每个处理设置3个平行样，水样经过滤后，取上清液进行分析。

1.4 试验水质

试验用水为自配模拟农村生活污水，有机物、氮、磷分别来源于葡萄糖和乙酸钠、氯化铵及磷酸钠，水质主要指标为：COD浓度350～820mg/L，氨氮浓度20～55mg/L，总磷2～5mg/L，pH值7.0～8.5，温度18～22℃，微量元素0.6mL/L。每升微量元素组成为：1.5g FeCl3·6H2O，0.15g H3BO3，0.03g CuSO4·5H2O，0.18g KI，0.12g MnCl2·4H2O，0.06g Na2MoO4·2H2O，0.12g ZnSO4·7H2O，0.15g CoCl2·6H2O。

1.5 分析项目及方法

分析测试方法参照国家标准方法。其中COD采用重铬酸钾法；NH4+-N采用纳氏试剂比色法；NO2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；NO3-N采用紫外分光光度法；pH值采用pHS-3C 型精密pH 计；溶解氧采用DO-14P 型DO计。采用电镜扫描法观察稻壳表面，以分析生物附着情况。

2 结果与分析

2.1 SBR对污染物的去除效果

2.1.1 SBR对有机物的去除效果

SBR对有机物的去除效果见图1。SBR对有机物的去除分为驯化阶段（1～11天）和稳定阶段（12～28天）。从图1中可以看出，在驯化阶段，SBR对COD基本稳定在80%以上，当进水COD浓度为404.14～808.20mg/L时，出水COD浓度变化范围为43～221mg/L，其中运行至第6天时，由于曝气系统出现故障，因而出现出水COD浓度升高的现象（221.40mg/L）；经过培养驯化后，SBR表现对COD较高的去除效果，即当进水COD浓在357.72～817.11mg/L时，出水COD平均浓度为50.64mg/L，COD平均去除率为90.46%，即使在进水水质波动较大的情况下，出水仍较稳定，表现出很强的抗冲击负荷的能力。

2.1.2 SBR对氨氮及总氮的去除效果

图1 SBR对有机物的去除效果

图2 SBR对氨氮的去除效果

SBR对氨氮的去除效果见图2。从图2中可以看出，SBR对氨氮具有很好的去除效果，当进水氨氮浓度在14.33～59.40mg/L范围变化[未包括前两天，此时进水氨氮浓度较高（达194.5mg/L）]时， 出水氨氮浓度均在5mg/L以下，其中驯化期的出水平均氨氮浓度为2.72mg/L，氨氮平均去除率为92.97%，稳定期出水氨氮平均浓度为1.54mg/L，氨氮平均去除率为95.64%，出水亚硝酸氮和硝酸氮浓度均在1.0mg/L以下。分析其原因，试验接种污泥取自处理高氨氮废水的反应器，由于长时间的培养驯化，污泥系统中存活有大量及高活性的亚硝化菌和硝化菌，使得SBR能够具有很好的氨氮去除效果，直接表现为氨氮的高效去除。

SBR对总氮的去除效果见图3。从图3可以看出，SBR对总氮仍具有很好的去除效果，当进水总氮浓度在4.32～46.60mg/L时（未包括前两天），出水总氮浓度在5mg/L以下，到稳定期出水总氮浓度基本在3.0mg/L以下。吹脱、吸附、同化及反硝化被认为是生物处理过程中总氮去除的可能过程。通过分析试验过程及试验结果发现，试验所处理废水中氨氮浓度（＜60mg/L）、pH值（7.0～8.5）及温度（室温）均较低，因此吹脱作用可以忽略；而生物吸附氨氮的90%将重新回到液相中[14]，可见生物吸附作用不是总氮去除的主要原因；试验过程中进水COD浓度为357.72～817.11mg/L，则通过同化作用最大总氮去除量不超过12～29mg/L，而在进水总氮平均浓度为38.67mg/L时，出水平均总氮浓度低于3.0mg/L。一般生物脱氮需要厌氧、好氧的交替环境以实现总氮的去除，然而试验没有设定厌氧过程，整个试验都是在好氧条件下进行的，分析认为是SBR内存在着一定的同步硝化和反硝化及其他形式的氮去除过程。为探究总氮的去除过程，对“三氮”浓度随时间的变化特性进行了跟踪分析（图4），结果发现，整个过程亚硝酸盐及硝酸盐含量均较低，因此认为发生了同步硝化反硝化。

图3 SBR对总氮的去除效果

图4 “三氮”浓度随时间的变化

近年来许多研究者有氧条件下在氧化沟、SBR工艺、CAST 工艺等生物处理系统中发现存在同步 硝化反硝化现象[15-18]：由于氧扩散限制，在微生物絮体内可能产生缺氧区甚至厌氧区，当有机碳源进入絮体内时便为反硝化创造了条件，尤其是本研究中添加了稻壳，稻壳的存在增加了溶解氧的扩散梯度，并为反硝化过程提供了所需要的碳源（在试验运行到30天时，随机抽取100粒稻壳称重发现，100粒稻壳总质量较未投加前减小了0.0058g，稻壳质量的减少是稻壳表面生物膜及稻壳本身质量减少综合作用的结果，总体表现为降低的趋势），也为同步硝化反硝化创造了条件；另外，也可能存在新的微生物菌种（如好氧反硝化细菌）能使同时硝化反硝化现象发生。

2.2 污染物去除途径

2.2.1 稻壳对COD和氨氮的吸附特性

稻壳拥有大量的毛细孔结构和细小孔隙及较大的比表面积，使得稻壳具有一定的吸附能力，为明确稻壳对污染物的吸附性能，分别以模拟生活废水和实际生活污水为研究对象，考察了稻壳对有机物及氨氮的吸附性能，结果见表1。

从表1中可以看出，无论是处理模拟废水还是实际生活污水，短时间内稻壳对COD并没有表现出吸附作用，直接表现为经吸附处理后，污水中的COD升高。通过计算单位质量稻壳释放有机物的量发现，在模拟废水中和实际废水中稻壳释放污染物的量也存在差异：稻壳在前者中单位质量释放COD 的量高于后者，稻壳在前者中表现为释放特性，而在后者中除表现为释放特性外，还表现为部分吸附特性。分析原因，吸附过程与吸附剂及吸附质本身特性有关，实际生活污水中含有大量的蛋白质、纤维素、淀粉、糖类及其他如表面活性剂等有机物，而模拟废水以葡萄糖和乙酸钠为碳源，二者中有机物来源不同，导致稻壳对有机物的吸附规律表现不 一致。

表1 稻壳对污染物的吸附效能

比较而言，短时间内稻壳在模拟废水中表现出具有吸附氨氮的作用，而在实际生活污水中表现出释放氨氮的特性。实际生活污水成分复杂，如有机物类型及其他阳离子的存在导致稻壳对实际生活污水中氨氮吸附能力的减弱，更多表现为一定的释放特性。

为了明确在有稻壳存在时水中水质指标的变化，进行了稻壳释放污染物试验。

2.2.2 稻壳释放污染物分析

从图5中可以看出，随着振荡时间的延长，稻壳释放出的COD浓度逐渐增加后趋于平稳，在前4天，COD浓度几乎呈线性变化。COD浓度从第1天的0逐渐增加到第4天的262.14mg/L后略有降低，但基本稳定在230～240mg/L。稻壳中含有大量的纤维素[19]和粗蛋白，随着浸泡时间的延长，这些物质会逐渐释放出来，从而增加了水体中COD的含量。稻壳释放物中有机物高于邵留等[20]的研究结果。邵留等[20]在15天的时间内检测到稻壳和稻草浸出液TC和TOC含量均在 100～170mg/L。分析其原因：稻壳的产地不同，稻壳所含有机物含量会存在差异；此外，操作条件也不一样，本试验是在摇床内摇动条件下得到的结果，而文献仅是在静止状态下得到的结果。

图5 COD和氨氮随时间的变化

比较而言，氨氮浓度在前3天浓度变化较大，而后稳定在6～7mg/L。稻壳释放氮素量较低，这与 文献[21]所述结果一致。由此可见，稻壳的随意排放能够造成水体中有机物及氮元素含量的升高，恶化水质，从而污染水体环境。

通过对比发现，每克稻壳在每升蒸馏水中释放的COD量为13.11mg，鉴于稻壳释放COD的量与时间成线性关系，通过反推方法得到2.0h时稻壳释放COD的量为6.51mg/L，而在吸附试验过程中每克稻壳释放的COD量平均为5.41mg，因此可以认为稻壳对COD具有一定的吸附作用，然而在浸没初期，稻壳释放的COD量明显高于吸附的COD量，因而更多地表现出释放COD的趋势。同样，稻壳也表现出释放氨氮的趋势，只是每克稻壳释放的氨氮量仅为0.35mg。

2.2.3 稻壳表面形态观察

对反应前及投加反应器内稳定运行一段时间的稻壳表面进行观察发现（图6），投加到反应器内并处理一段时间的稻壳表面光滑并呈现颗粒状，反应后表面粗糙，凸起部分表面褶皱，在其表面附着一定的生物膜。生物膜的生成强化了SBR对污染物的去除效果。需要说明的是，即使在反应器内处理一段时间后稻壳表面形成生物膜，也仅能从扫描电镜照片中观察到，稻壳表面形成的生物膜量有限，下 一步将就如何在稻壳表面形成大量的生物膜，以明显提高污水处理效果开展研究。

图6 处理前后稻壳的扫描电镜照片

3 结 论

（1）添加一定量稻壳的SBR反应器对有机 物、氨氮及总氮具有很好的去除效果，当进水有机物平均浓度为530.77mg/L时，出水有机物平均浓度为50.64mg/L，有机物平均去除率为90.46%；当进水氨氮平均浓度为35.32mg/L时，出水氨氮平均浓度为1.54mg/L，氨氮平均去除率为95.64%；此时出水总氮低于5.0mg/L。

（2）生物作用是以稻壳为载体的SBR对污染物去除的主要原因，稻壳的吸附作用很小。

（3）稻壳的随意丢弃会引起水体中有机物和氨氮浓度的升高，其中以有机物浓度升高较为明显，每克稻壳释放有机物和氨氮的量分别为13.11mg和0.35mg。

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