正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化SBR處理老齡垃圾滲濾液脫氮條件

周 銳，黃家榜，桑建偉，楊宏星，朱守誠

（污水凈化與生態(tài)修復(fù)材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥市東方美捷分子材料技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

垃圾滲濾液是垃圾填埋場中垃圾本身含有的水分、進(jìn)入填埋場的雨雪水及其他水分經(jīng)歷垃圾層和覆土層而形成的一種高濃度的有機(jī)廢水，其組分復(fù)雜、污染物濃度高、處理難度大[1]。垃圾滲濾液按形成的時間可分為初期、中期、老齡垃圾滲濾液，其中老齡垃圾滲濾液典型特征是碳氮比失衡、氨氮濃度高、可生化性較差[2]。

序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor activated sludge process，SBR）的特點(diǎn)是間歇流活性污泥工藝，運(yùn)行靈活，可實(shí)現(xiàn)高效脫氮除碳[3]；具有占地面積小、基建費(fèi)用相對較低、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)[4]，被廣泛應(yīng)用于污水處理[5]。目前SBR工藝在滲濾液處理方面的研究已廣泛開展[6-8]。本研究采用單因素考察和三因素三水平正交試驗(yàn)對SBR工藝中老齡垃圾滲濾液的脫氮條件進(jìn)行優(yōu)化，研究進(jìn)水pH、進(jìn)水C/N、曝氣時間對SBR處理老齡垃圾滲濾液脫氮效果的影響，為老齡垃圾滲濾液的高效處理提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所接種的活性污泥為合肥某生活污水處理廠的活性污泥，將其接種馴化后，混合液懸浮固體濃度（Mixed Liquid Suspended Solids，MLSS）為3500～4000 mg/L。老齡垃圾滲濾液取自某垃圾填埋場中垃圾滲濾液原液，呈深褐色，其水質(zhì)特性如下：pH值為7～8，COD濃度3200～3500 mg/L，NH3-N濃度為1100～1300 mg/L，TN濃度為1200～1400 mg/L，TP濃度為25～30 mg/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用SBR裝置如圖1所示，在SBR反應(yīng)池中裝有攪拌器、潷水器與曝氣裝置，反應(yīng)器有效容積為50L。試驗(yàn)用水經(jīng)水泵從上方進(jìn)入SBR反應(yīng)池，進(jìn)水完成后SBR反應(yīng)池底部曝氣裝置進(jìn)行曝氣供氧，曝氣結(jié)束后進(jìn)入缺氧攪拌階段，最后靜置沉淀由潷水器排水。整個反應(yīng)裝置中進(jìn)水流量、曝氣強(qiáng)度均由轉(zhuǎn)子流量計監(jiān)測，各個反應(yīng)時序由控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時間切換。

圖1 SBR試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)方法與分析方法

試設(shè)計工藝流程為：進(jìn)水-好氧-缺氧攪拌-靜置-排水。將接種污泥倒入SBR反應(yīng)器中后補(bǔ)充自來水和適量滲濾液廢水至50L，SBR反應(yīng)器缺氧/好氧（A/O）工段間隔運(yùn)行各4h為一循環(huán)，好氧階段曝氣強(qiáng)度為0.5m3/h。初期階段用低負(fù)荷的污水進(jìn)行馴化，待處理效果明顯提高后再逐漸增大污水負(fù)荷，直至滲濾液補(bǔ)充量為5L左右。反應(yīng)器氨氮去除率穩(wěn)定在80%以上，污泥濃度達(dá)到3500～4000 mg/L。經(jīng)20d 的馴化后，系統(tǒng)處理效率基本穩(wěn)定，污泥濃度達(dá)到預(yù)期值，反應(yīng)器進(jìn)入啟動階段。

單因素和正交試驗(yàn)采用間歇式進(jìn)水、排水，單次進(jìn)水量約為5L左右。試驗(yàn)起始時SBR池內(nèi)氨氮濃度在110～130mg/L，COD濃度在320～350 mg/L，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計條件調(diào)節(jié)曝氣時間、反應(yīng)pH值，以及在SBR池內(nèi)補(bǔ)充葡萄糖調(diào)整C/N比例。SBR反應(yīng)好氧階段曝氣強(qiáng)度保持為0.5m3/h，缺氧段反應(yīng)時間固定為4h，靜置時間為1h，反應(yīng)結(jié)束后取上清液進(jìn)行檢測。繼續(xù)反應(yīng)一段時間直至SBR反應(yīng)器內(nèi)殘余氨氮在10mg/L以下，然后排出上清液，補(bǔ)充新的滲濾液，繼續(xù)下一試驗(yàn)。正交試驗(yàn)根據(jù)單因素的試驗(yàn)結(jié)果，以氨氮去除率為指標(biāo)，選取進(jìn)水pH、進(jìn)水C/N、曝氣時間為影響因素，每個因素各選取三個水平，按照L9（34）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，優(yōu)化試驗(yàn)條件。

水質(zhì)COD、NH3-N、TN和TP采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》[9]測定；pH值采用pHS-3Cb型pH計測定；MLSS值采用《CJ/T 211-2005城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 進(jìn)水pH對氨氮去除率的影響

控制進(jìn)水C/N=25，曝氣時間為6h，調(diào)節(jié)進(jìn)水pH在6.5～9.0內(nèi)，考察進(jìn)水pH對SBR工藝污水氨氮去除效果的影響，結(jié)果如圖2所示。試驗(yàn)表明：氨氮去除率隨著進(jìn)水pH值升高變化的趨勢是先上升后下降。當(dāng)進(jìn)水pH=8.0時，氨氮去除率達(dá)到最高（約89.50%），隨著進(jìn)水pH的進(jìn)一步升高，氨氮去除率反而下降。推測原因是pH為8左右時，有利于亞硝化細(xì)菌的生長，氨氮能快速轉(zhuǎn)化成亞硝態(tài)氮，過高和過低的pH會抑制亞硝化細(xì)菌的生長速率[10]，不利于氨氮的氧化，降低廢水中的氨氮去除效率。因此，選擇進(jìn)水pH為7.5～8.5進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖2 進(jìn)水pH值對氨氮去除率的影響

2.1.2 進(jìn)水C/N對氨氮去除率的影響

圖3為控制進(jìn)水pH=8.0，曝氣時間為6h，改變進(jìn)水C/N比值，運(yùn)行SBR裝置一個周期考察C/N對污水氨氮的去除效果的影響趨勢圖。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著進(jìn)水C/N比值的升高氨氮去除率呈現(xiàn)出先上升后下降，進(jìn)水C/N=25時氨氮去除率最高（約89.40%），在進(jìn)水C/N比值高于25之后，氨氮去除率反而下降。推測原因可能是由于隨著進(jìn)水C/N比值的升高，碳源充足，微生物能夠快速繁殖，亞硝化細(xì)菌得到快速增長，大幅提升對污水中氨氮的氧化作用，顯著降低污水中的氨氮；而當(dāng)進(jìn)水C/N值過高，污水中碳源過多，導(dǎo)致污水中異養(yǎng)菌占優(yōu)勢，氨氮氧化的效率反而降低[11]。因此，選擇C/N比值為20～30作為正交試驗(yàn)條件。

圖3 進(jìn)水C/N對氨氮去除效果的影響

2.1.3 曝氣時間對氨氮去除率的影響

控制進(jìn)水C/N=25， 進(jìn)水pH=8.0，考察進(jìn)水不同曝氣時間對SBR工藝對污水氨氮去除效果的影響，結(jié)果如圖4所示。試驗(yàn)表明：氨氮去除率隨著曝氣時間的延長，呈現(xiàn)出先不斷上升后趨于穩(wěn)定的趨勢，在曝氣前6h氨氮去除率增加幅度明顯，當(dāng)曝氣時間＞6h，氨氮去除率幾乎持平（約88.18%）。因此，選擇曝氣時間為6～10h作為正交試驗(yàn)條件。

圖4 曝氣時間對氨氮去除效果的影響

2.2 正交試驗(yàn)

依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以氨氮去除率為指標(biāo)，選取進(jìn)水pH值、進(jìn)水C/N、曝氣時間3個因素，按照L9（34）正交表設(shè)計正交試驗(yàn)，因素水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

從表2正交試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果表可知：各因素對氨氮去除率的影響大小的依次順序?yàn)椋篈＞B＞C，即進(jìn)水pH＞進(jìn)水C/N＞曝氣時間。根據(jù)每一因素試驗(yàn)結(jié)果的均值（K1、K2、K3）可以判斷因素的最優(yōu)水平。由表2可知A2B2C1為SBR處理垃圾滲濾液脫氮最佳試驗(yàn)條件，即進(jìn)水pH為8.0，進(jìn)水C/N為25，曝氣時間為6h。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果表

由表3正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：進(jìn)水pH、進(jìn)水C/N、曝氣時間對試驗(yàn)結(jié)果的影響均有統(tǒng)計學(xué)差異（p＜0.05）。

表3 方差分析結(jié)果

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果對A2B2C1（進(jìn)水pH=8.0，進(jìn)水C/N=25，曝氣時間=6h）試驗(yàn)條件進(jìn)行驗(yàn)證，重復(fù)試驗(yàn)3次，以驗(yàn)證結(jié)果的合理性與穩(wěn)定性。三次試驗(yàn)氨氮去除率分別為89.32%、89.67%、89.43%，結(jié)果顯示并無顯著差異，因此該條件可以作為SBR處理老齡垃圾滲濾液的脫氮條件。

3 結(jié)論

本研究以老齡垃圾滲濾液為研究對象，采用單因素考察研究進(jìn)水pH、進(jìn)水C/N、曝氣時間對老齡垃圾滲濾液中氨氮去除的影響，并通過正交試驗(yàn)對老齡垃圾滲濾液SBR脫氮條件進(jìn)行優(yōu)化。通過單因素試驗(yàn)確定參數(shù)合適范圍作為正交試驗(yàn)的對象：進(jìn)水pH=7.5、8.0、8.5；進(jìn)水C/N=20、25、30；曝氣時間=6h、8h、10h。正交試驗(yàn)結(jié)果表明對氨氮去除率的影響順序?yàn)椋哼M(jìn)水pH＞進(jìn)水C/N＞曝氣時間。在0.5m3/h的曝氣強(qiáng)度下SBR處理的最佳條件為進(jìn)水pH為8.0，進(jìn)水C/N為25，曝氣時間為6 h。