SBR工藝新型運行方式的脫氮、除磷研究

摘要：為了提高低碳源污水脫氮除磷的效率，在總結間歇式活性污泥法（SBR）工藝特性和運行控制的基礎上，對現有低碳源污水的處理方式進行了改進，提出了高污泥負荷下的新型SBR厭氧、好氧、缺氧反硝化除磷系統。通過對人工配水處理的試驗，得到了在低碳源下系統的最佳運行工況。在最佳工況下，化學需氧量（COD）、總磷、氨氮的去除率高達80%以上，出水達到了國家污水綜合排放一級標準。同時，在最佳工況下，對微生物內源呼吸氧化自身碳源提供能量進行的反硝化脫氮和反硝化除磷進行了詳細的解釋，同時根據氧化還原電位（ORP）和溶解氧含量（DO）的值進行了缺氧、厭氧和好氧段的分界。為了進一步說明系統對低碳源污水的脫氮除磷影響，對不同C/N值的污水在最佳工況下進行了試驗。結果表明，C/N值為3.4左右時系統的脫氮除磷效果最好。

關鍵詞：SBR工藝；C/N值；脫氮；除磷

中圖分類號：X505 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）06-1350-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.018

Abstract： To increase the removal efficiency of nitrogen and phosphorus， different patterns of operating and controlling in the normal SBR were studied. High sludge load and new operation SBR treatment for denitrification and dephosphatation species was introduced based on the operation of low-carbon source of the sewage. The best operational pattern was found through the experimental results of synthetic wastewater. The high quality of effluent was obtained by the best operational pattern， with the removal efficiency of COD、TP、TN more than 80%. The treated wastewater met the first grade standard. The influences of the microbial endogenous respiration on denitrification nitrogen and the denitrification dephosphatation were investigated. Based on ORP and DO under the best operational pattern， anoxic and anaerobic R aerobic was distinguished and the changes of the ORP and DO were explained in detail. In order to further explain the influences of the low-carbon source of sewage on the operational pattern， the sewage with different C/N values under the best operational pattern was tested. The results showed that the best effeciency of removing nitrogen and phosphorus species was obtained when C/N was about 3.4.

Key words：sequencing batch reactor process；C/N value；denitrifying phosphorus removal；removal of nitrogen and phosphorus

間歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor，簡稱SBR）又稱序批式活性污泥法，是一種不同于傳統活性污泥法的廢水處理工藝，它具有流程簡單、運行方式靈活、費用低、效果好、耐沖擊負荷強等特點，該工藝脫氮除磷效果尤為顯著[1]。新型SBR反應器相比傳統的SBR反應器具有明顯的優勢，曝氣階段只發生在反應器上部，只對一半的反應液曝氣，降低了曝氣強度，減少了能源消耗，節約了成本；曝氣的同時反應器的下部處于厭氧狀態，為缺氧狀態的形成提供了條件，縮短了好氧反應液中氧氣對缺氧狀態形成的影響時間，加速了反硝化除磷反應的進行，進一步縮短了缺氧時間和整個運行周期的時間；總磷能在好氧吸磷和缺氧段的反硝化除磷共同作用下很好地去除；高濃度的污泥負荷提供了大量的微生物，在小水量高污泥負荷的條件下可以縮短整個運行周期的時間，節省了運行時間，相當于提高了水的處理量。同時，由于缺氧、厭氧和好氧的時間變化，縮短了好氧時間，減少了曝氣量，減少了能源消耗，進一步節省了成本。

本試驗在總結SBR工藝特性和運行控制的基礎上，對現有低碳源污水的處理方式進行了改進，提出了在高污泥負荷下的新型SBR厭氧、好氧、缺氧反硝化除磷系統，運行參數為：厭氧（進出水）30 min→上部好氧90 min（下部厭氧90 min）→缺氧50 min→沉淀10 min。試驗裝置有效容積12 L，其中6 L的活性污泥，每次進4 L水，每次進水歷時20 min，內循環攪拌10 min。本研究在最佳運行工況下，分析碳源在反硝化除磷中的作用。碳源在反硝化除磷工藝中有重要作用，碳源的濃度可以影響反硝化除磷菌最大放磷量和最大放磷時間[2]，揭示反硝化除磷的規律，以期為SBR新型運行方式在污水處理領域的應用提供理論依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置

本試驗裝置主要包括進水池、蠕動泵、主反應器、曝氣器、DO在線測定儀、ORP在線測定儀。試驗的裝置及流程圖如圖1和圖2所示。該試驗采用SBR反應器作為主反應器，分為上下兩個反應區，用均勻布滿直徑為10 mm的穿水孔的隔板隔開，曝氣頭放在隔板上。反應器的材料是有機玻璃，內徑10 cm，圓柱高2 m，底部為椎體型，有效容積為12 L。在反應器的側壁設2個取樣口，便于試驗時取樣。

1.2 污泥的培養馴化

1.2.1 污泥的培養 本試驗所需污泥取自中國礦業大學污水處理廠填料曝氣池，污泥呈黑色，鏡檢發現菌膠團松散，游離細菌比較多，原生動物少。取污泥反復淘洗，除去漂浮物和沉積物，然后用篩除去細小的沙子。把篩濾后的污泥移入SBR反應器，加入適量的清水，連續曝氣24 h后，靜置沉淀2 h，排出上清液，加入合成污水營養液，接著曝氣，如此反復進行。3 d后可以看出污泥顏色變黃，但污泥沉降性能不佳，上清液渾濁，鏡檢發現污泥結構仍然松散，原生動物不多。運行至7 d，沉降性能轉好，上清液濁度降低，鏡檢發現菌膠團略有增大，變密實，游離細菌減少，出現變形蟲，但仍舊不出現原生動物。改變運行模式，縮短曝氣時間，1 d運行2個周期，12 h一周期，進水1 h，曝氣10 h，沉淀0.5 h，出水0.5 h，進水量為6 L，連續運行1周，污泥顏色為棕褐色，上清液清澈，污泥沉降性能很好，污泥濃度為6 000～8 000 mg/L，鏡檢發現菌膠團變大變密，微生物種類增多，出現鐘蟲、累枝蟲等原生動物，表明污泥轉變為好氧狀態。為了加快污泥的馴化，向反應器內加入實驗室培養成功的反硝化聚磷污泥和硝化污泥。

1.2.2 污泥的馴化 將培養好的污泥進行馴化，用培養液作為營養物質，主要改變系統的運行時間，將馴化階段分為2個階段。第一階段是厭氧好氧階段，主要培養聚磷菌和硝化細菌，采用6 h為一周期，進出水30 min，厭氧2 h，好氧3 h，沉淀30 min。每周期進水6 L，溶解氧在2～3 mg/L，污泥濃度保持在6 000～8 000 mg/L，根據每天的污泥濃度適量排泥。進水水質的化學需氧量（COD）在190～210 mg/L，總氮（TN）在40～50 mg/L，銨態氮（NH4+-N）在30～40 mg/L，總磷（TP）在4.5～5.0 mg/L，pH保持6～8。接種約15 d，出水TP保持在1 mg/L之下，去除率大于90%。厭氧釋磷量從開始的8.36 mg/L增長到26.79 mg/L。NH4+-N的去除率達95%以上，出水中其濃度小于2 mg/L，同時好氧之后硝態氮（NO3-N）的積累量達到23.79 mg/L，亞硝態氮（NO2-N）的積累量很少，低于5 mg/L。

第二階段是厭氧-好氧-缺氧階段，培養反硝化聚磷菌，8 h為一周期，進出水30 min，厭氧2 h，好氧3 h，缺氧2 h，沉淀30 min。每周期進水6 L，溶解氧在2～3 mg/L，污泥濃度保持在6 000～8 000 mg/L，根據每天的污泥濃度適量排泥。好氧階段采用鼓風曝氣，在反應器的上部曝氣，屬于好氧狀態，下部不曝氣，屬于厭氧或缺氧狀態。好氧結束后將反應器上下部的溶液進行混合，進入缺氧狀態，培養反硝化聚磷菌。接種到25 d，出水TP和TN的濃度分別為3.37mg/L和20.18 mg/L，去除率為33%和60%。再經過15 d的馴化，TP和TN的去除率穩定在90%和73%以上，濃度在0.5 mg/L和13.5 mg/L左右。由于曝氣階段只有1/2的溶液處于好氧進行硝化反應，所以TN的去除率有所降低。此時可以認為反硝化除磷污泥馴化完成，可以進行試驗。馴化過程中各指標的變化如圖3、圖4、圖5所示。

1.3 試驗運行

試驗運行的過程是進水（出水）—厭氧—曝氣（好氧）—缺氧，試驗配置的污水從裝置底部的進水口進入裝置，同時上部經過處理的清水利用水流的承托作用從出水口溢出，實現同步進水和溢流排水過程，省去了沉淀出水的程序，縮短了反應的時間。接著反應器進入到厭氧階段，伴隨著內回流，使泥水充分混合。反應器的曝氣只在上部進行，在上部曝氣時，下部屬于厭氧狀態。曝氣結束后通過回流泵把上方硝化液循環至下方使上下兩部分充分混合，進入缺氧狀態。

1.3.1 試驗水質 本試驗處理的水樣是人工合成污水，模擬的低碳氮比的城市污水，由自來水、葡萄糖、淀粉、NH4Cl、KH2PO4合成，用NaHCO3調節pH在6～8。水質的組成成分為：20 mg/L的淀粉，160 mg/L的葡萄糖，120 mg/L的NH4Cl，50 mg/L的NaHCO3， 20 mg/L的KH2PO3；污水的水質特征為：COD為190～210 mg/L，生物需氧量（BOD5）為100～150 mg/L，TN為40～50 mg/L，NH4+-N為30～40 mg/L，TP為4.5～5 mg/L，pH為6～8。

1.3.2 試驗運行 由前期試驗得最優參數，選擇最佳工況的參數進行試驗，其運行參數為：厭氧（進出水）30 min→上部好氧90 min（下部厭氧90 min）→缺氧50 min→沉淀10 min。試驗裝置有效容積12 L，6 L的活性污泥，每次進4 L水，每次進水歷時20 min，內循環攪拌10 min。測定最佳工況下的不同C/N值對系統的影響。

試驗進水分6種情況，如表1所示。

2 結果與分析

2.1 最佳工況的運行結果

對最佳工況進行4 d共32個周期的運行，得到運行結果如下。

2.1.1 有機物的去除 如圖6所示，進水COD濃度保持在200 mg/L左右，經過32個周期的試驗，出水COD濃度很穩定，達到30 mg/L以下，達到了國家《污水綜合排放標準》（GB8978-88）一級標準，甚至符合《生活雜用水水質標準》（CJ25.1-89）。

2.1.2 氨氮的去除 氨氮進水濃度平均值保持在35 mg/L左右，經過反應，出水濃度在9 mg/L以下，去除率達到81%以上，所以本系統對氨氮的去除效果比較理想，如圖7所示。

2.1.3 總磷的去除效果 總磷的進水濃度在4.9～5.0 mg/L左右，應該說波動不大，而出水總磷濃度基本在1 mg/L以下，平均出水濃度在0.5 mg/L以下，去除率達到88.80%，說明本系統對總磷的去除有很好的效果，達到了國家《污水綜合排放標準》（GB8978-88）一級標準，如圖8所示。

2.1.4 總氮的去除效果 進水總氮非常不穩定，濃度在40～50 mg/L之間，平均濃度在45 mg/L左右，經過新型SBR的運行，出水總氮濃度在16 mg/L以下，平均值在13 mg/L左右，去除率達到70%左右，如圖9所示。

2.2 最佳工況下ORP和DO的變化

ORP是指氧化還原對（Redox Couple）的氧化還原電位E值，是氧化態和還原態物質交換1/F當量的電子時，所對應的自由焓變化值。理論上的氧化還原電位通常定義為標準氫電極電位[3]：

式中，Red為還原態物質，Ox為氧化態物質，e為電子。

平衡電極電位E值與該體系中的溶液組分性質和濃度的熱力學關系式，可以用能特斯方程表示：

式中，E為氧化還原對的平衡電極電位（mV），E0為氧化還原對的標準電極電位（mV），對應于[Ox]=[Red]=[H+]=1 mol/L，亦即pH為0時溶液的氧化還原電位而言；n為電子轉移數；R為摩爾氣體常數（8.314 5 J/mol·K）；T為熱力學溫度（K）；F為法拉第常數（96 485 C/mol）；[Ox]為氧化態物質活度；[Red]為還原態活度。

在298 K下，（RT/F）ln（10）=2.3RT/F=0.059 16 V。

由于電極電位受溶液中離子強度、配位效應和酸效應等因素的影響，因此，使用標準電極電位E0是有其局限性的。在實際工作中，常采用條件電極電位E0′來代替標準電極電位E0，在氧化還原對的每一組分的氧化還原狀態保持不變的前提下的任何pH范圍內，能斯特公式通?？蓪懗桑?/p>

E0′是在任意pH下表現的標準氧化還原電位，它是對應于給定pH下，[Ox]=[Red]=1 mol/L的溶液的氧化還原電位，其表現電極電位校正了離子強度、水解效應、配位效應以及pH值等因素的影響。

而從生態學角度來分析，ORP則是生物代謝的一個重要限制因子，ORP的變化可以導致頂級群落和某些代謝類型的改變。ORP對生物代謝類型的影響是其對頂級群落細菌的影響而產生的間接性結果，這就可以從ORP決定微生物的適應性以及微生物反饋調節ORP的變化性這兩個方面來說明[4]。一方面，由于微生物體內酶系的特定要求，不同的代謝類型的微生物需要不同程度的ORP，所以當ORP改變時，如在同一pH條件下提高ORP，則頂級群落中的優勢菌群的酶活性將受其影響從而降低，而一些菌群由于可在較高的ORP條件下生長代謝，從而逐漸替代原有的優勢菌群，所以經過這種對ORP的適應性的種群競爭，則最終又形成了新的頂級群落，這個過程是一個隨ORP制約的生態演替過程；另一方面，微生物對ORP也具有反作用，可以通過誘導合成的作用而產生新酶系，調整代謝的方式和產物用以改善環境中ORP，使之適應自身的生長及代謝的要求。ORP的變化性則反應了微生物對生態系統的反饋調節，使在一定的ORP條件下，微生物形成與環境相適應的新的頂級群落[5]。

試驗中ORP和DO的變化如圖10所示。圖11為圖10A處的放大圖。

對圖10和圖11的變化過程及其原因進行分析。1）厭氧進水后，圖10上標示出了進水點的位置。進水之后提供了碳源，使剩余的硝態氮進行了反硝化，ORP值迅速下降（先經過了A點，即進入厭氧段沒有立即下降，而是經過了4～5 min的滯后期，如圖11所示，表明進水開始并不是所謂的厭氧開始，而是經過了一小段時間的缺氧段，然后才進入真正的厭氧段，不過我們一般定義進水即厭氧開始）。在反硝化過程中，因為DO的迅速耗盡，ORP不斷下降，這是因為氧化態的硝態氮被還原成氮氣，整個反應器的氧化還原電位不斷下降；此外，由于無氧呼吸（即反硝化的進行），硝態氮濃度不斷減少，整個反應器中氧化還原態的變化，不如反硝化初期的變化幅度大，所以脫氮導致的ORP的變化越來越?。贿M水的同一時間，由于厭氧釋磷，致使聚磷菌儲存PHB（聚-β-羥基丁酸）儲能，導致ORP值迅速降低，這是由于有機磷被水解為可溶性磷酸鹽，從而使得氧化還原電位變低。所以，經過30 min的厭氧，ORP的值降低到-186 mV左右，而DO濃度降至0.15 mg/L左右，厭氧結束進入90 min的好氧時間。

2）進入好氧時間，DO在好氧開始后緩慢上升，而ORP則急劇上升。而DO上升結束時，由于曝氣量是恒定的數值，故DO出現平臺1.5 mg/L。而當有機質降解到難降解部分時，DO又開始上升，同時ORP也迅速上升。此后，自養菌開始進行硝化反應，在硝化反應過程中，ORP和DO均不斷緩慢上升至硝化結束。在硝化反應快要結束時，DO出現再一次突升過程，直到接近某一較高值后基本不變。DO出現再一次突升的原因是自養菌降解氨氮的過程已經結束，不再需要耗氧，而自養菌和異養菌內源呼吸耗氧又遠小于供氧，所以就出現溶解氧的再一次突升現象。在硝化過程中DO、ORP沒有出現平臺而是不斷緩慢上升的，原因則是硝化菌進行硝化反應的速率隨著氨氮的降解不斷減小，所以耗氧速率小于供氧速率，從而出現了DO、ORP都不斷上升的現象。ORP在硝化反應的后期上升緩慢，并不象DO出現突升，有三個原因。第一，DO的微小變化并不會引起ORP有大的變化；第二，硝化反應的不斷進行使氨氮不斷被氧化，由ORP的定義式可知，還原態物質的不斷減少，相應產生的氧化態物質也不斷減少；第三，由于硝化反應的進行，產生了大量的硝態氮，這對生物化學反應起到了限制作用，因此，硝化后期的反應速率小于反應初期速率[6]。好氧吸磷使得ORP很快升高，這是由于溶解磷又被聚磷菌吸收變成有機磷使得系統氧化性物質增加所致，而因為好氧段使得硝化細菌將氨氮氧化成硝態氮和亞硝態氮，所以ORP值也大幅度的上升，達到103 mV左右。

3）DO突然下降的原因是進入缺氧段后，曝氣停止，微生物利用氧氣的呼吸速率要比利用硝態氮作為氧介質呼吸速率要快很多（從圖10中DO降低的斜率可以得出），直到氧氣濃度降低到一定值，差不多在0.5 mg/L時，DO趨于平穩，也就是說微生物不再以氧氣作為呼吸介質，主要進入到內源呼吸階段。

2.3 不同C/N值的影響

試驗結果見圖12和圖13。

從圖12和圖13可以看出，各工況的COD去除率都很高，均超過了90%；而氨氮的去除率隨著C/N值的增高而增高，達到了87.4%；總氮的去除率和氨氮的變化趨勢相同，隨著C/N值的增高，最高為79.73%；對于總磷的去除率工況Ⅰ到工況Ⅳ都超過了95%。由圖比較可知，工況Ⅱ下的COD、TP、氨氮和總磷的去除率都優于其他工況達到了最佳狀態。也就是C/N值為3.4（根據水質中C元素的的質量與N元素質量之比得到的）時脫氮除磷效果最優。

工況Ⅱ的運行條件是最佳條件，有機物的利用率達到最大，COD、氨氮、總氮、總磷的去除率都是最高的，原因應該是在碳源的問題上，因為系統的特殊性，導致微生物的多樣性，聚磷菌利用碳源釋磷，反硝化聚磷菌在利用能量進行脫氮時也進行了磷的吸附，所以總磷的去除率很高[7]，而由于進水是慢慢的進水，持續時間在20 min，所以在高負荷污泥濃度下，進水量很小，好氧菌利用低氧可以將氨氮很好地氧化成硝態氮從而進行后續反硝化，所以進水中的氨氮在經過氧化階段后去除率高達95%以上。雖然碳源不足難以完全將氧化氨氮得到的硝態氮和亞硝態氮進行反硝化，但是由于微生物的適應性，使得在這種特殊系統的馴化下，培養出了反硝化聚磷菌和厭氧氨氧化菌等菌種，這些菌種很少利用碳源進行反硝化，可以協助氮素的去除，而且因為有機物的持續降低，在缺氧段沒有外加碳源的條件下，污泥中的微生物被迫進行內源呼吸，這時微生物將氧化自身碳源，利用氧化自身碳源得到的能量進行反硝化，這種內源呼吸造成的脫氮對總氮的去除率有輔助作用。隨著有機物濃度的降低，工況Ⅲ到工況Ⅳ，雖然氨氮和COD的去除率依然很高，但是總氮和總磷的去除率受到了影響，到C/N在2.5時，即工況Ⅵ，總氮和總磷去除率都最低，可見碳源不足時，氮、磷去除效率顯著下降。

從圖14中可以看出C/N值從3.6降至3.0時TP的去除率逐漸降低，但變化很小，直到C/N值為2.8時TP的去除率有了較明顯的變化，可見C/N值對TP的去除有一定的影響，當C/N值降低時TP的去除率也隨之降低，但去除效果依舊能在93%以上；TN的去除率在C/N值降低的過程中變化明顯，C/N值從3.6降至2.5時，TN的去除率不斷降低，降至2.5時TN的去除率只能達到73.19%?？梢?，C/N值對SBR新型運行方式下脫氮效果的影響較大。

2.4 葡萄糖對生物除磷機理的探討

由表1中前4個工況可以看出，這4個工況只有COD濃度的不同，其他指標則相當，所以可以比較出不同COD濃度對生物除磷的影響。同時，由表1也可以看出，隨著COD濃度的降低，生物除磷的效率也降低了，因為影響COD濃度的主要是葡萄糖，所以這里可以看出葡萄糖對生物處理的影響。

聚磷菌在生物除磷系統中，主要是通過其在厭氧的條件下特殊新陳代謝活動，優先于非聚磷菌進行吸收有機基質并且快速同化和貯存這些有機物為自身體內的胞內碳能存貯物。在厭氧條件下，聚磷菌對葡萄糖的吸收還是其主要的新陳代謝活動，可以通過一系列的生物化學模式來進行描述，并且假設在厭氧條件下，所有被利用的外碳源有機物質都被合成為微生物胞內碳能存貯物，而且沒有發生微生物的增殖[8]。

3 結論

1）在最佳工況下，COD、氨氮、總氮和總磷的去除率分別是94.00%、82.08%、76.78%和95.47%，出水基本達標。

2）新型SBR反應器的曝氣階段只發生在反應器上部，也就是只對一半的反應液曝氣，降低了曝氣強度，減少了能源消耗，節約了成本。曝氣的同時反應器的下部處于厭氧狀態，為缺氧狀態的形成提供了條件，縮短了好氧反應液中氧氣對缺氧狀態形成的影響時間，加速了反硝化除磷反應的進行，進一步縮短缺氧時間和整個運行周期的時間。而總磷在好氧吸磷和缺氧段的反硝化除磷共同作用下都有很好的去除。

3）高濃度的污泥負荷提供了大量的微生物，這樣在小水量高污泥負荷的條件下，則可以縮短整個運行周期的時間，節省了運行時間，相當于提高水的處理量，并且由于缺氧、厭氧和好氧的時間變化，則縮短了好氧時間，曝氣量也減少了，所以減少了能源消耗，節省了成本。

4）在處理低碳源污水中，C/N值的不同對新型SBR中的最佳工況下反硝化除磷的效率有影響，雖然影響不是很明顯，但是還是可以看出隨著C/N值的降低總氮和總磷的去除率有降低的趨勢。

5）C/N=3.4時通過反硝化除磷對總氮總磷的去除率相較于其他C/N值好，即低碳源污水中C/N=3.4系統的脫氮除磷效果最好，當C/N值低于3時，系統中總氮和總磷的去除率明顯下降。

6）不同的C/N值時SBR新型的運行方式均能顯示出穩定的COD去除效果，C/N值對SBR新型運行方式下脫氮效果的影響較大。

7）葡萄糖作為主要碳源除磷時會減少磷的厭氧釋放量，從而降低除磷效果，減少污泥中的聚磷菌含量。通過提高COD的濃度則能較好地實現生物除磷。

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