低溶解氧條件下分段進水對SBR工藝脫氮除磷效果的影響研究

王珍寶，施春紅，黃曉龍，姜　凱

(1.北京科技大學能源與環境工程學院，北京 100083;2.北京科技大學工業典型污染物廢物資源化處理北京市重點實驗室，北京100083)

目前，城市生活污水多采用活性污泥法處理，但在運行過程中存在弊端：其一是剩余活性污泥處理問題，微生物進行新陳代謝，2/3的能量用于細胞合成，造成剩余污泥增值迅速，其處理費用占整個運行成本一半以上；其二是能耗問題，活性污泥工藝處理城市污水過程中電耗費用占常規運行成本的1/3以上。針對城市生活污水處理中產生活性污泥的問題，許多學者進行了研究，如閆駿等[1]研究表明，人為控制低碳氮比(C/N)，應用同步硝化反硝化原理[2]，限制微生物對碳源的需求，保持同等處理效果下，可降低污泥產率；陳麗麗[3]的研究表明，通過控制活性污泥系統處于低溶解氧(DO)狀態，會產生微污泥膨脹，可使處理效果提高，同時降低了能耗；Meng等[4]研究表明，低DO狀態下，活性污泥產率的下降可使活性污泥量也有所減少[4]；胡遠志等[5]研究表明，選用SBR反應器，在低DO條件下，采用二段進水方式，可提高聚磷菌和反硝化細菌對進水中碳源的競爭力，避免了外加碳源，同時降低了運行成本。本文在上述研究的基礎上，開展了低DO條件下分段進水SBR運行模式的試驗研究，對比分析了4種低DO條件下傳統SBR工藝與分段進水SBR運行模式的脫氮除磷效果，為分段進水處理城市生活污水提供理論依據和實踐建議。

1　材料與方法

1. 1　試驗裝置與運行

試驗裝置見圖1。該裝置由有機玻璃制成，高400 mm，直徑190 mm，有效容積為11.3 L；在SBR反應器壁上設有出水口(距離底部200 mm)，反應器底部設置排泥管；以微孔曝氣盤進行曝氣，采用鼓風曝氣，以轉子流量計(LZB-3WB，常用雙環熱工儀表有限公司)調節曝氣量；通過加熱器(300W，德國EHEIM GmbH&Co.Kc)控制水溫，通過蠕動泵(BT300K，保定創銳泵業有限公司)控制出水。SBR反應器運行方式如下:2周期/d，一段采用進水—缺氧—好氧—沉淀—排水排泥；二段采用進水—缺氧—好氧—缺氧攪拌—進水—缺氧—好氧—沉淀—排水排泥，詳見表1。

圖1　試驗裝置圖Fig.1　Experimental device diagram

1. 2　進水水質和接種污泥

SBR反應器的進水采用人工配水方式，取原水稀釋再加NaCl、K2HPO4、鄰苯二甲酸氫鉀和葡萄糖等進行配水(原水取自城市生活區的化糞池污水)，試驗期進水水質見表2。接種污泥取自某污水處理廠二沉池回流污泥，SBR反應器初始活性污泥濃度為2 000 mg/L。

表1　不同進水方式SBR反應器的運行時間安排Table 1　SBR reactor operation schedule for different influent modes

表2　SBR反應器試驗期進水水質Table 2　Water quality of SBR reactor in the test period

1. 3　分析方法

2　結果與分析

2.1　不同低溶解氧條件下兩種進水方式對有機物去除效果的影響

2.1.1對CODCr去除效果的影響

試驗在厭氧/缺氧—好氧和厭氧/缺氧—好氧—缺氧—好氧條件下運行SBR反應器，通過控制氣體轉子流量計調節好氧段DO濃度，研究傳統SBR工藝和分段進水SBR兩種運行模式對CODCr的去除效果，其試驗結果見圖2。

(1) 一段進水方式，SBR反應器從啟動期到穩定期，采用4種不同DO條件(DO濃度分別為1.0 mg/L、0.8 mg/L、0.5 mg/L和1.5 mg/L)，其運行結果[見圖2(a)、(b)、(c)、(d)]顯示，SBR反應器穩定出水中CODCr濃度分別為12.6 mg/L、10.0 mg/L、2.2 mg/L和9.6 mg/L，CODCr平均去除率分別為89%、92%、98%和92%。這是因為一段進水在C/N<5、碳源不足和低DO條件下，SBR反應器發生了活性污泥微膨脹[6]，污泥微膨脹主要是發生絲狀菌膨脹[7]，在低DO濃度下，絲狀菌比菌膠團細菌更容易獲得DO使其生長繁殖，當DO濃度<1.5 mg/L時，隨著DO濃度的降低，絲狀菌數量增加，吸附和吸收的有機質增加，CODCr出水濃度降低，其去除率提高。

圖2　不同溶解氧條件下兩種進水方式的SBR反應器對CODCr的去除效果Fig.2　　　　Effect of SBR reactors of two water feeding patterns on CODCr removal under different dissolved oxygen conditions

(2) 二段進水方式，采用4種不同DO條件下，SBR反應器出水CODCr濃度相比一段進水分別上升到18.1 mg/L、19.2 mg/L、24 mg/L和22.8 mg/L，CODCr去除率分別減少了17%、18%、21%和22%。這是因為二段進水增加了有機物負荷梯度和DO濃度梯度，抑制了絲狀菌的生長繁殖，相比一段進水降低了CODCr的去除率。該試驗結果與鞏有奎等[8]、趙娜[9]、劉山虎等[10]的研究結果有出入，當DO濃度為1.0 mg/L時，CODCr的去除效果削減得最少，異氧菌和絲狀菌生長相比其他低DO條件下更好。

2.1.2對總氮(TN)去除效果的影響

試驗采用4種不同低DO條件下，考察了一段和二段兩種進水方式的SBR反應器對TN的去除效果，其試驗結果見圖3。

圖3　不同溶解氧條件下兩種進水方式的SBR反應器對TN的去除效果Fig.3　　　　Effect of SBR reactors of two water feeding patterns on TN removal under different dissolved oxygen conditions

由圖3(a)可見，當DO濃度為1.0 mg/L時，經一段和二段進水處理穩定后，一段和二段出水中TN均值分別為17.4 mg/L、12.7 mg/L，TN去除率分別為45%、62%；當DO濃度為1.0 mg/L左右時，活性污泥發生微膨脹，為同步硝化反硝化(SND)提供了理想條件，部分氮通過SND[12-13]轉化，降低了對碳源的需求量，從而提高了TN的去除率。

由圖3(b)、(c)、(d)可見，當DO濃度分別為0.8 mg/L、0.5 mg/L和1.5 mg/L時，一段和二段出水中TN均值分別為19.5 mg/L、18.6 mg/L、21.6 mg/L和13.0 mg/L、14.4 mg/L、13.1 mg/L，TN去除率均值分別為38%、41%、31%和54%、50%、52%。從有利于TN去除效率的角度來看，一段進水條件下對DO濃度的排序為1.0 mg/L>0.5 mg/L>0.8 mg/L>1.5 mg/L，二段進水條件下對DO濃度的排序為1.0 mg/L>0.8 mg/L>1.5 mg/L>0.5 mg/L。由此可見，在低DO條件下處理低C/N生活污水，二段進水比一段進水對TN的去除效率更高，該研究結果與劉晨等[14]的研究結果基本相似。

2.1.3對總磷(TP)去除效果的影響

試驗采用4種不同DO條件下，考察了一段和二段兩種進水方式的SBR反應器對TP的去除效果，其試驗結果見圖4。

圖4　不同溶解氧條件下兩種進水方式的SBR對TP的去除效果Fig.4　　　　Effect of SBR reactors of two water feeding patterns on TP removal under different dissolved oxygen conditions

由圖4可見，一段和二段穩定期出水中TP均值分別為3.3 mg/L、3.4 mg/L、3.5 mg/L、3.6 mg/L和2.6 mg/L、2.8 mg/L、2.9 mg/L、3.05 mg/L，TP去除率分別為25.5%、21.8%、21%、18.5%和44.7%、40%、37.7%、33.7%；二段進水方式比一段進水方式TP的去除效率更好，且在4種DO條件下，當DO濃度為1.0 mg/L時，TP去除率提高了20.2%；結合圖4和圖3進行分析，二段進水比一段穩定期出水TN濃度更低，這是因為硝態氮進行反硝化吸收的能源更低，從而提高了聚磷菌吸收VFA的比例。

2.2　不同低溶解氧條件下兩種進水方式對活性污泥性能的影響

試驗采用4種不同DO條件下，考察了一段和二段兩種進水方式的SBR反應器對活性污泥SVI和MLSS的去除效果，其試驗結果見圖5。

在不外加碳源、進水C/N<4、有機負荷為0.1～0.2 kgCOD/(kgMLSS·d)時，SBR反應器中活性污泥處于微膨脹狀態。根據鞠宇平等[15]、陳瀅等[16]、侯兆超[17]的研究表明，在此負荷下，當DO濃度在0.3～0.7 mg/L之間時，SVI濃度可在150～200 mg/L內保持穩定。

由圖5可見，在一段進水方式下，當DO濃度在0.5～1.0 mg/L之間時，SBR反應器中活性污泥的SVI濃度維持在140～250 mg/L以內，SVI濃度隨DO濃度的升高而升高；SBR反應器的污泥齡SRT控制在45 d，MLSS濃度在800～1 500 mg/L以內表現穩定，表觀上活性污泥產率降低，實現了污泥減量化，該研究結果與徐宇峰[18]的研究結果基本相似。在二段進水方式下，當DO濃度在0.5～1.0 mg/L之間時，SBR反應器中活性污泥的SVI濃度穩定在120～160 mg/L以內，相比一段進水SVI濃度有所降低，活性污泥沉降性能有所改善；當DO濃度為1.5 mg/L時，SBR反應器中活性污泥的SVI濃度穩定為100 mg/L；當DO濃度在0.5～1.0 mg/L之間時，SBR反應器運行穩定時，MLSS濃度在700～1 000 mg/L之間，相比一段進水MLSS濃度更低。

圖5　　　　不同溶解氧條件下兩種進水方式的SBR反應器對活性污泥SVI和MLSS的去除效果Fig.5　　　　Effect of SBR reactor of two water feeding patterns on the removal of SVI and MLSS of activated sludge under different dissolved oxygen conditions

3　結　論

針對傳統生物法處理低C/N生活污水存在曝氣量過量、有機碳源不足和脫碳效率低等問題，本文提出了新型SBR運行模式(低DO、分段進水SBR工藝)，該模式通過控制曝氣量，實現了低DO，避免了DO過飽和，并優先利用原水中的可生物降解的CODCr而減少了外加碳源。

(1) 傳統SBR工藝中，CODCr去除率達90%以上，與之相比二段進水方式下其去除率下降了20%。

(2) 采用4種不同DO(DO濃度分別為1.5 mg/L、1.0 mg/L、0.8 mg/L和0.5 mg/L)條件，在一段進水方式下，當DO濃度為1.0 mg/L時，SBR反應器對TN去除效率最佳，二段進水方式下其TN去除率為62%，比一段進水提高了17%。

(3) 采用4種不同DO條件，在二段進水方式下，當DO濃度為1.0 mg/L時，SBR反應器對TP的去除效果最佳，TP去除率達45%；SBR反應器中活性污泥MLSS濃度從2 000 mg/L衰減到1 000 mg/L，在表觀上活性污泥的產率降低，實現了污泥減量化；當DO濃度在0.5～1.0 mg/L之間時，SBR反應器中活性污泥的SVI濃度穩定在100～150 mg/L以內，活性污泥發生了微膨脹。

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