王大慶，趙 光，安蒙龍，王洪波，聶 穎

(1. 黑龍江省農(nóng)墾經(jīng)濟(jì)研究所，黑龍江 哈爾濱 150090；2.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001)

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HRT對(duì)PE載體SBBR系統(tǒng)污水脫氮處理效能的影響

王大慶1，趙 光2，安蒙龍1，王洪波1，聶 穎1

(1. 黑龍江省農(nóng)墾經(jīng)濟(jì)研究所，黑龍江 哈爾濱 150090；2.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001)

采用自主設(shè)計(jì)的智能控制SBBR污水處理裝置，利用聚乙烯(PE)載體，考察了水力停留時(shí)間(HRT)對(duì)智能控制SBBR污水處理裝置的脫氮效能影響，得出了最佳工藝運(yùn)行參數(shù)。試驗(yàn)在溫度為25 ℃，好氧溶氧DO控制在1.5～2.5時(shí)，考察了HRT分別為4 h、6 h、8 h、10 h、12 h時(shí)的脫氮效能。結(jié)果表明：當(dāng)HRT為8 h時(shí)，系統(tǒng)的脫氮效率最高，COD去除率為91.26%，氨氮的去除率為80.68%，總氮的去除率為70.58%，所以從能耗和處理效果角度看，當(dāng)水力停留時(shí)間為8 h時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行最為高效。

HRT；PE；SBBR；生物膜；生物脫氮

1　引言

隨著2015年我國(guó)“水十條”政策的出臺(tái)，污水排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提高，許多污水處理工藝氮的去除已無(wú)法滿足要求，且土地資源緊張，污水處理亟需技術(shù)升級(jí)改造以提高出水指標(biāo)，因此地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊的深度脫氮工藝技術(shù)的研究已成為目前污水處理技術(shù)的主要研究方向之一[1，2]。序批式生物膜反應(yīng)器(Sequencing Batch Biofilm Reactor)簡(jiǎn)稱(chēng)SBBR,是在SBR工藝發(fā)展的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化得到的，具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小生物量大及排泥量小等優(yōu)點(diǎn)，間歇操作為脫氮微生物營(yíng)造了很好的生長(zhǎng)代謝環(huán)境，因此近年來(lái)SBBR反應(yīng)器被廣泛應(yīng)用于脫氮的研究[3～9]。研究表明，水力停留時(shí)間(HRT)對(duì)脫氮效果的影響顯著[10，11]，厭氧時(shí)間影響有機(jī)物的降解，好氧段影響著有機(jī)物的降解和硝化細(xì)菌的硝化效率，缺氧時(shí)間影響著反硝化細(xì)菌對(duì)硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化[12]，因此探討HRT對(duì)SBBR污水處理裝置的影響對(duì)于提升此工藝的運(yùn)行效果，確定工藝的最佳運(yùn)行參數(shù)具有重要意義。本研究旨在提高智能控制SBBR污水處理效能對(duì)模擬生活污水中氮的去除效率，在容易穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，開(kāi)展HRT對(duì)智能控制SBBR的脫氮效能，為該工藝高效運(yùn)行提供依據(jù)。

2　材料與方法

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用反應(yīng)器系統(tǒng)如圖1所示，該反應(yīng)器主體可以實(shí)現(xiàn)智能化控制參數(shù)，同時(shí)細(xì)曝氣分散器、雙層攪拌器和自動(dòng)控制加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以保證反應(yīng)器內(nèi)部維持穩(wěn)定的環(huán)境。反應(yīng)器為有機(jī)玻璃制成，主體結(jié)構(gòu)為圓柱形，底部為錐形，徑高比為1∶5，總?cè)莘e34.2L，其中有效容積30 L。內(nèi)部填料采用改性聚乙烯載體采用曝氣器進(jìn)行曝氣，以由轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量。反應(yīng)器的運(yùn)行方式為:進(jìn)水(采用進(jìn)水泵順時(shí)進(jìn)水)、反應(yīng)、沉淀、排水、閑置。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)HRT分別為4、6、8、10和12 h，與之相對(duì)應(yīng)的曝氣時(shí)間分別為120、180、 210、 300和400 min。沉淀和排水的總時(shí)間分別為30 min、10 min。污水首先由底部進(jìn)水口進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)，然后逐漸向上經(jīng)過(guò)加熱管、細(xì)分散曝氣器和攪拌器，保證脫氮微生物生長(zhǎng)所需。

1、配調(diào)水槽；2、曝氣泵；3、蠕動(dòng)泵；4、轉(zhuǎn)子流量計(jì)；5、氣體流量計(jì)；6、載體；7、電機(jī)；8、出水口；9、穩(wěn)定儲(chǔ)水槽

圖1試驗(yàn)裝置

控制裝置的運(yùn)行參數(shù)維持穩(wěn)定，研究HRT對(duì)污水脫氮效能的影響。反應(yīng)器采用智能控制SBBR污水處理裝置，可以在控制面板上設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，并在線監(jiān)測(cè)溫度、溶氧DO和pH的變化，整個(gè)過(guò)程溫度控制在(25±2) ℃，pH值控制在7.6～8，DO根據(jù)反應(yīng)階段厭氧、好氧和缺氧段的需要設(shè)定。

本試驗(yàn)采用的填料為聚乙烯(PE)填料，如圖2，具有比表面積大、孔隙率高、輕質(zhì)廉價(jià)、使用壽命長(zhǎng)、化學(xué)和生物穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，易于生物膜附著。

2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以北控污水處理廠的活性污泥為接種污泥，其活性污泥的污泥指數(shù)為MLSS：2396 mg/L,MLVSS:1526 mg/L,SV：32%，以去離子水為水源，根據(jù)培養(yǎng)條件以及研究需要，以葡萄糖(C6H12O6)為碳源，氯化銨(NH4Cl)為氮源，磷酸二氫鉀(KH2PO4)為磷源，同時(shí)以NaHCO3為緩沖劑，模擬生活污水，人工配水方案及微量元素具體成分如表1。

圖2　生物填料PE

表1　人工配水方案及微量元素組成成分

2.3分析檢測(cè)方法

反應(yīng)器的處理效果通過(guò)檢測(cè)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，水質(zhì)分析檢測(cè)方法采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[7]，如表2所示。

表2　水質(zhì)檢測(cè)方法

3　結(jié)果與討論

3.1掛膜階段

一般的掛膜方法有兩種，自然富集培養(yǎng)掛膜和人工接種掛膜。本實(shí)驗(yàn)采用人工接種掛膜。污泥的投加量占反應(yīng)器有效容積的30%。反應(yīng)器接種污泥后，將反應(yīng)器加滿污水，然后靜置24 h。在靜置期間，使污泥附著在PE填料表面，形成生物膜。為了強(qiáng)化微生物的生長(zhǎng)條件，系統(tǒng)掛膜階段的運(yùn)行方式為SBBR 的每個(gè)運(yùn)行周期為 12 h，分成 4 個(gè)階段：①進(jìn)水期：采取瞬間進(jìn)水方式；②反應(yīng)期：將曝氣階段(O)設(shè)為 2 h，厭氧階段(A)設(shè)為1 h，兩者交替進(jìn)行。同時(shí)采取限制性曝氣，將 SBBR 反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧平均濃度控制在 1.5～2 mg/L；反應(yīng)器內(nèi)廢水溫度保持在 25 ℃左右。③沉淀期：沉淀期為反應(yīng)期的最后一個(gè)厭氧段；④潷水期：按瞬間出水計(jì)算，排水比為 0.3。

掛膜馴化階段，反應(yīng)器中有較多的絮體，經(jīng)15 d培養(yǎng)后可觀察到生物膜內(nèi)層呈黑色，外表面附著生長(zhǎng)一層較薄生物膜，呈棉絮狀。從圖3可以看出，生物膜培養(yǎng)馴化過(guò)程中COD的去除率是逐漸上升的。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行初期，剛開(kāi)始COD的去除率很不穩(wěn)定，在啟動(dòng)第一天只有46.31%，說(shuō)明生物膜的還未形成隨著生物膜培養(yǎng)馴化的時(shí)間的增加在系統(tǒng)運(yùn)行至第6 d，COD去除率才開(kāi)始有明顯增長(zhǎng)，說(shuō)明生物量開(kāi)始增加，生物膜在逐漸形成。在系統(tǒng)運(yùn)行至第12 d時(shí)COD的濃度開(kāi)始趨于穩(wěn)定，說(shuō)明生物膜增長(zhǎng)到一定厚度，系統(tǒng)內(nèi)附著的生物量也比較穩(wěn)定，對(duì)水質(zhì)也有了一定的適應(yīng)性，生物膜上的微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力也增強(qiáng)，微生物在生物膜上形成了比較穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，抗沖擊負(fù)荷的能力也比較強(qiáng)，COD去除率基本趨于穩(wěn)定，保持在88%左右。

圖3　掛膜階段-N去除率隨時(shí)間變化

綜上所述，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)14 d的運(yùn)行，生物膜上的微生物逐漸適應(yīng)水質(zhì)，最后各自的去除率穩(wěn)定在88%、80%，可認(rèn)為掛膜成功。

3.2運(yùn)行階段

圖4　HRT對(duì)去除率的影響

3.3氨的各種形式轉(zhuǎn)化

反應(yīng)器的反硝化能力的好壞直接影響到出水硝酸氮和亞硝酸氮濃度的高低。實(shí)驗(yàn)期間NO2-N、NO3-N濃度隨時(shí)間變化和總氮的去除率如圖5所示。從圖中可以看出含有大量的硝態(tài)氮，主要是由于配水有機(jī)碳源較低，導(dǎo)致反硝化不充分，有大量的硝態(tài)氮?dú)埩舨⒃诜磻?yīng)器內(nèi)積累，如果不加外加碳源促進(jìn)反硝化，出水硝態(tài)氮的濃度會(huì)越來(lái)越高，最終導(dǎo)致總氮的去除率很低。

從圖5可以看出，總氮的去除率整體呈上升趨勢(shì)。停留時(shí)間為4 h時(shí)，總氮的去除率呈直線上升，這是由于反應(yīng)器處于好氧階段，污水中有大量的氨氧化細(xì)菌，將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。從2h延至6h總氮的去除率緩慢增長(zhǎng)，反應(yīng)器中硝化細(xì)菌與亞硝化細(xì)菌也開(kāi)始出現(xiàn)。當(dāng)停留時(shí)間在8 h，總氮的去除率開(kāi)始下降。

圖5　氮的轉(zhuǎn)化和總氮的去除率

4　結(jié)論

本課題采用自制的序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)，以PE為生物膜載體，通過(guò)間歇曝氣及好氧一厭氧階段的培養(yǎng)馴化，達(dá)到了良好的脫氮效果，培養(yǎng)馴化成功的活性污泥系統(tǒng)，開(kāi)展了脫氮系統(tǒng)影響因素的試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

(2)PE填料SBBR系統(tǒng)研究表明：反應(yīng)器在25 ℃條件下，DO在1.5～2.5 mg/L，進(jìn)水總氮濃度控制在 30 mg/L時(shí)，最佳的停留時(shí)間為8 h，此時(shí)出水COD濃度為12.3333，去除率為91.26%。氨氮濃度為5.796 mg/L，轉(zhuǎn)化率為 80.68%。

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Effects of HRT on NitrogenRemoval in the Sequencing Batch Biofilm Reactor with PE

Wang Daqing1，Zhao Guang2，An Menglong1，Wang Hongbo1，Nie Ying1

(1.InstituteofHeilongjiangProvincialAgriculturalReclamationEconomy,Harbin,Heilongjiang150090，China；2.LiaoningUniversityofTechnology,Jinzhou,Liaoning121001，China)

Using independent design of the intelligent control of SBBR sewage treatment plant with the polyethylene (PE) carrier, wetested theinfluenceof hydraulic retention time (HRT) ondenitrification efficiencyof intelligent controlled SBBRsewage treatment plant, and optimum operating parameters were obtained. The test was underthe temperature of 25 ℃, aerobic dissolved oxygen DO control in 1.5 ～ 1.5, HRT, respectively 4 h, 6 h, 8 h, 10 h, 12 h denitrification efficiency.Results showed that when HRT was 8 h, the system had the highest nitrogen efficiency, COD removal rate of 91.26%,as the removal rate of ammonia nitrogen was 80.68%, with total nitrogen removal rate of 70.58%.In conclusion, when the hydraulic retention time was 8 h, the system had higher nitrogen removal efficiency.

HRT; PE;SBBR; biological film; biological nitrogen removal

2016-06-06

國(guó)家科技支撐計(jì)劃專(zhuān)題項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAD14B06-04)

王大慶(1969—)，男，副研究員，主要從事生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究工作。

趙光(1980—)，男，副教授，主要從事廢物資源化利用的研究工作。

X52

A

1674-9944(2016)14-0071-02