低水溫SBR工藝基質去除規律研究

福建省環境保護設計院 馮昭華

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低水溫SBR工藝基質去除規律研究

福建省環境保護設計院 馮昭華

該文全面探究了低水溫SBR工藝基質去除規律。研究發現，在SBR進水階段，由于吸附和稀釋作用，基質濃度下降迅速（COD、氨氮和總磷的降幅分別為50%、60%～70%和70%～80%），而后的曝氣充氧初期，由于空氣微泡的沖散作用，出現些許濃度反彈。

低水溫 SBR工藝 基質 去除

1 前言

目前，國內外城市污水的處理絕大多數是采用以活性污泥法為主的生物處理工藝[1-2]。作為傳統活性污泥法的發展，SBR工藝現已被普遍用于城市污水處理中，特別是對于中、小型規模的污水處理。

SBR（Sequencing Batch Reactor）工藝[3]，亦稱為序批式活性污泥法，是一種利用微生物在同一反應器內按照規定的時間順序依次完成進水、曝氣反應、沉淀、潷水和閑置五道工序的污水處理技術，其流態上屬完全混合型，而在有機物降解方面卻屬于時間上的推流。

溫度作為影響微生物正常生理活動的重要因素之一，能影響生物酶促反應、微生物細胞的增殖和內源代謝過程、氧在水中總轉移系數和飽和溶解氧濃度、污泥膨脹和水的粘滯性。通常，活性污泥微生物的最適生長溫度范圍為15～30℃，當污水水溫低于10℃時，即可對活性污泥的生長發育和功能產生不利影響，從而直接影響出水水質。因此，從污泥微生物的活性大小來考慮，可將低于15℃的水稱為低溫水。

在秋、冬季節，我國大部分城市均處于低溫環境，而城市污水處理廠規模通常較大，且均是建在室外。作為處理核心的微生物受季節溫度變化的影響很大，這給污水處理帶來了很大的困難，尤其在寒冷地區的冬季。所以，秋、冬季低溫污水是城市污水處理中的難點[4-5]，本研究就低水溫SBR工藝基質去除規律作些有益的實驗研究和探討。

2 實驗系統和方法

本文研究對象主要是城市生活污水。為了使實驗更切合城市污水實際，將整套實驗裝置設置在某城市污水治理廠進行實地實驗。實驗系統具體可見圖1示意。

圖1 低水溫SBR工藝實驗系統示意圖

設計SBR生化反應池總容積為9m3（L×W×H＝1.5m×1.5m×4.1m），有效容積約8.55m3，周期處理水量約3.3m3。池底勻布著德國REHAU公司生產的規格500mm的RAUBIOXON曝氣管，采用虹吸管式潷水器實現出水外排。通過PLC自控系統，實現SBR整個周期（進水、曝氣、沉淀、潷水和閑置5道工序）的自動運轉。

本實驗研究中，進水為污水處理廠初沉池的出水，生物接種、培養源自曝氣池內的活性污泥，需分析測試的水質指標和方法主要為COD（庫侖法，GB/T11914-1989）、氨氮（納氏試劑分光光度法，GB/T7479-1987）、總磷（鉬銻抗分光光度法，GB/T7479-1987）和pH值（玻璃電極法）。

考慮到城市污水濃度偏低（進水COD為90～220mg/L），為了全面考察SBR工藝在低水溫狀態下的基質去除規律，本研究同時還通過補充蔗糖、尿素和KH2PO4等人為地提高進水濃度，以探究高濃度條件下該工藝的基質去除規律。

3 分析與討論

3.1 COD 去除規律

由于城市污水中含有大量可溶性有機物質和膠體，所以COD生物降解過程自污水進入SBR反應池后就馬上開始。此時，活性污泥經閑置期后變得“饑餓”，一旦污水進入反應池，活性污泥絮粒因具有強大的吸附力，可將可溶性、呈膠體狀的有機物吸附在絮粒周圍，直至吸附達到飽和狀態。另一方面，通過生物酶的作用，被吸附的有機物進行溶解，吸納進入細胞，供自身生命活動的需要。此外，由于SBR每次潷水量僅為有效池容的30％～40％，池內始終保持著60％～70％污泥混合液，所以進水初期污水可得到一定程度的稀釋。如圖2、圖3 所示，進水階段COD下降得都較快，進水完畢時其值通常可降至原水COD值的50％左右。

圖2 低水溫SBR工藝高濃度COD降解曲線

（MLSS=1.36g/L，水溫15℃，進水1hr，SBR周期14hr）

圖3 低水溫SBR工藝低濃度COD降解曲線

（MLSS=2.0g/L，水溫12℃，進水1hr，SBR周期8hr）

進水完畢后，反應進入短暫的厭氧期，此時DO濃度可降到0.2mg/L以下，COD降解變得緩慢，其值變化不大。

本研究特別發現的是，反應進入隨后的曝氣階段，該階段初期COD有時還存在小幅的上升反彈。這是因為在進水期和厭氧期，活性污泥絮粒的周圍被有機物包圍，基本上均已達到飽和狀態，反應一旦進入曝氣階段，由于曝氣的原因，污泥絮體周圍被吸附的松散有機物被空氣微泡沖散，導致反應混合液的COD出現反彈現象（見圖2、圖3所示）。

隨著SBR池內DO濃度的逐漸提高，反應進入了快速好氧降解COD狀態。但到了曝氣后期，降解曲線漸趨平緩，此時出水BOD／COD多在0.10左右，表明可生物降解的有機基質已消耗殆盡，進一步降解的空間十分有限。

最后進入沉淀、潷水階段，池內多處于缺氧環境，但殘存的DO仍可維持有機物的降解需要，只是經過前面幾個階段的反應，COD的降解已基本達到出水要求。但是，此時由于反硝化過程需消耗一定量的碳源，所以COD仍能維持緩慢的降解，直至最終出水外排。

3.2 氨氮去除規律

城市污水中含有一定量的氨氮，其在SBR工藝中的去除規律可見圖4、圖5所示。

圖4 低水溫SBR工藝高濃度氨氮降解曲線

（MLSS=1.36g/L，水溫15℃，進水1hr，SBR周期14hr）

圖5 低水溫SBR工藝低濃度氨氮降解曲線

（MLSS=2.0g/L, 水溫12℃, 進水1hr, SBR周期8hr）

在進水期，同樣由于稀釋和活性污泥絮粒的吸附作用，氨氮濃度大幅下降，降幅可達60％～70％左右的水平，經短暫的厭氧期后，氨氮濃度也基本保持不變。但是，一旦進入曝氣期，隨著池內DO濃度的不斷升高，氨氮在好氧硝化菌作用下發生硝化反應，濃度不斷下降并轉化成硝態氮。然后，在缺氧階段通過反硝化過程最終使得氮元素以氮氣形式從反應池中被釋放出來，從而完成除氮的目的。

3.3 總磷去除規律

由于城市污水中TP含量較低（該廠污水的總磷含量僅為0.2mg/L）。通常，在生物處理中需要維持C：N：P≈100：5：1左右的營養供應，微生物才能進行正常的新陳代謝活動。本實驗研究是為了全面探究SBR工藝中總磷的去除規律，故通過人工投加KH2PO4的方式，使污水中的TP含量提高到1.88mg/L左右。

圖6 低水溫SBR工藝總磷降解曲線

（MLSS=1.36g/L，水溫15℃，進水1hr，SBR周期14hr）

由圖6所示，進水期內反應池內的TP含量迅速下降，降幅可達70％～80％左右，原因同前，此時處于低能量的饑餓狀態的污泥絮粒相互凝聚成“團塊”，迅速吸附溶解性的TP，并開始進行細胞能量物質ATP的制造。在厭氧階段，聚磷菌將污水中易分解的有機物攝入體內貯存起來，作為好氧吸磷的能源儲備，同時將體內的聚磷酸水解，變成正磷酸釋放到體外，使得污水中的 TP迅速提高，本實驗中甚至反彈達到1.26 mg/L。隨后由于因細菌體內能量消耗而需吸取釋放到污水中的磷作為合成能量的貯備物，故TP值有些緩慢下降。進入曝氣階段后，聚磷菌的過量吸磷使得水中TP較快速下降，但到了曝氣后期TP含量下降速度有所放緩。特別是，到了缺氧段，由于系統內存在的大量硝態氮抑制了聚磷菌在低濃度DO條件下的放磷行為，使得最終出水總磷僅為0.122mg/L的低含量。

3.4 系統內pH值變化規律

城市污水成分復雜，通常呈現出不同的酸堿性。該污水廠的污水pH值呈弱堿性，而且夜間pH值大于白天，但總體而言均小于8.0。本實驗探究了SBR系統中pH在整個反應過程中的變化規律，可見圖7、圖8所示。

在SBR系統中，進行的是厭氧—好氧—缺氧的反應過程，在污水進入系統后，系統內的聚磷菌進行厭氧條件下的放磷，產生出H3PO4，使得系統內pH值略有降低。當聚磷菌的放磷達到最大值后，因維持自身能量的要求，需進行磷的吸取以合成能量貯備物，其進行的反應將OH－釋放到系統中，從而使pH值又有回升。在好氧階段，由于好氧代謝產生的CO2被吹脫，pH值繼續上升，但由于聚磷菌吸磷釋放的OH－有部分被硝化反應產生的H+而被抵消，所以系統pH值上升幅度不大。進入缺氧期，反硝化過程產生的少量H+使系統的pH值略有下降，直至最終出水外排。

圖7 低水溫SBR工藝高濃度系統內pH變化曲線

（MLSS=1.36g/L,水溫15℃,進水1hr,SBR周期14hr）

圖8 低水溫SBR工藝低濃度系統內pH變化曲線

（MLSS=2.0g/L, 水溫12℃, 進水1hr, SBR周期8hr）

4 結論

4.1 對于高、低濃度的城市污水，低水溫SBR工藝對基質（COD、氨氮和總磷）的去除規律大致相同。

4.2 隨著SBR周期反應進程，污水中基質濃度的變化總體規律為：先迅速下降后緩升，然后較快速下降再趨緩，直至出水外排。

4.3 本研究中特別發現，在SBR進水階段，由于吸附和稀釋作用，基質濃度下降迅速（COD、氨氮和總磷的降幅分別為50％、60％～70％和70％～80％），而后的曝氣充氧初期，由于空氣微泡的沖散作用導致出現些許濃度反彈。

4.4 SBR系統pH值，隨著反應的進程表現為先降后升、再趨平緩，總體上能保持pH在7.0附近。

[1] 周群英,等.環境工程微生物學[M].北京:高等教育出版社, 2000.

[2] C.P.Leslie Grady, G. T. Daigger, Henry C.L.張錫輝等,譯.廢水生物處理:改編和擴充[M].北京:化學工業出版社, 2002.

[3] 方先金. SBR工藝特性及降解過程的研究[J]. 給水排水,2000,26(7)：18-21.

[4] 白曉慧,王寶貞.寒冷地區城市污水處理廠改進工藝的運行效能[J]. 中國環境科學,2001,21(1):70-73.

[5] 崔洪升等.寒冷地區城市污水處理廠污泥膨脹及其控制方法[J].哈爾濱建筑大學學報, 2001,34(2):79-82.