摘 要：采用序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）對城市模擬污水進(jìn)行處理。用接種法對SBBR反應(yīng)器進(jìn)行掛膜啟動(dòng)。主要研究了曝氣時(shí)間、C/N、填料投加量對SBBR反應(yīng)器去除氨氮的效果。采用響應(yīng)面法對穩(wěn)定運(yùn)行的SBBR反應(yīng)器中的曝氣時(shí)間、C/N、填料投加量進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)構(gòu)建回歸模型，并進(jìn)行方差分析。結(jié)果表明：掛膜成熟時(shí)，SBBR系統(tǒng)出水COD和氨氮去除率分別穩(wěn)定在88.1%和85.2%以上。單因素實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明：曝氣時(shí)間、C/N、填料投加量對SBBR反應(yīng)器脫氮效果影響顯著，其最優(yōu)值為6h、10、30%。經(jīng)過響應(yīng)面優(yōu)化后反應(yīng)器的最佳工況點(diǎn)為：填料投加量為20.2%、C/N為10.5、曝氣時(shí)間為6.4h。模型預(yù)測COD的去除率為95%、氨氮的去除率為94.14%。模型驗(yàn)證實(shí)測結(jié)果為COD去除率為92.72%、氨氮去除率為91.53%，與預(yù)測值相差小于3%。因此，該模型能較為真實(shí)地反映各因素對模擬城市污水中COD去除率和氨氮去除率的影響。響應(yīng)面法可以優(yōu)化SBBR反應(yīng)器處理模擬城市污水。

關(guān) 鍵 詞：污水處理；SBBR；微生物系統(tǒng)構(gòu)建；響應(yīng)曲面優(yōu)化法；模型驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）09-1364-06

中國城市水污染的持續(xù)時(shí)間很久^[1]。城市水污染的源頭主要有工業(yè)污水及生活污水，如果沒有經(jīng)過專業(yè)技術(shù)處理就進(jìn)行排放，會(huì)嚴(yán)重污染水體環(huán)境，對城市周圍及河流流經(jīng)的地方造成不良影響^[2]，影響中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)。

SBBR是目前國內(nèi)外正在研究、應(yīng)用的一種污水生物處理工藝^[3-4]。相對于SBR反應(yīng)器而言，生物填料加入SBBR反應(yīng)器。填料的添加，給微生物生長提供更為優(yōu)越的生存環(huán)境^[5]。其具備活性污泥法、生物膜法各自的優(yōu)勢，污水處理效果良好。SBBR工藝的研究和應(yīng)用最早集中在工業(yè)廢水處理，但是隨著對它的研究技術(shù)不斷深入與發(fā)展，它的用途還延伸至生活污水、難降解有機(jī)廢水等的治理^[6]。

影響SBBR處理效率的因素主要有：溫度、曝氣時(shí)間、DO的質(zhì)量濃度、進(jìn)水C/N、填料用量等^[7]。通過單因素分析來對影響因素進(jìn)行優(yōu)化分析，確定最佳條件。

響應(yīng)面優(yōu)化方法，又稱響應(yīng)面法（RSM），是由數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合，通過對多因素或非線性函數(shù)建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型來研究其最優(yōu)解的方法。它可用于受多種變量影響的響應(yīng)值的建模與分析，最終的目的是對所選影響響應(yīng)值的條件進(jìn)行優(yōu)化^[8-9]。

基于單因素實(shí)驗(yàn)得到的主要影響因素為變量，以COD、氨氮去除率為響應(yīng)值，對主要影響因素進(jìn)行復(fù)合實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用Design-Expert11軟件對多變量效應(yīng)響應(yīng)值進(jìn)行了建模與分析，得出SBBR反應(yīng)器去除氨氮的最佳工況點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為自制，所用SBBR反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑10cm，高100cm，容積為5L。在反應(yīng)器外側(cè)設(shè)有多個(gè)取樣口（兼有排水作用），反應(yīng)器底部設(shè)有放空管、進(jìn)水管并裝有微孔曝氣器，采用鼓風(fēng)曝氣方式，壓縮空氣由空氣泵提供，采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量。SBBR反應(yīng)器的進(jìn)水、曝氣、沉降、出水裝置之間通過乳膠管連接。采用自控系統(tǒng)控制裝置整體。

1.2 接種污泥及進(jìn)水水質(zhì)

SBBR反應(yīng)器掛膜接種污泥取自S市某污水處理廠中運(yùn)行情況良好的曝氣生物濾池，該接種污泥活性較高，沉降性能良好，呈深褐色，絮狀。該污泥MLSS為3 972 mg·L^-1，MLVSS為2 300 mg·L^-1，MLVSS/MLSS為0.748，SV為50。

根據(jù)東北某大型污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)^[10]，配制人工模擬的城市污水，由葡萄糖、氨氮、NaHCO、KHPO等配制而成，進(jìn)水COD、氨氮質(zhì)量濃度為200～600 mg·L^-1、30～70 mg·L^-1、pH為6.5～8.5。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

磁力攪拌器，Wiggens，WH220-HT；電子分析天平，F(xiàn)A2004；離心機(jī)，TDL-5-A；消解儀，Hach，DR200；pH測定儀，Sartorius PB.10；紫外分光光度計(jì)，765S。

1.4填料選擇

選用Ф38的多面空心小球作為掛膜載體。比表面積為151，孔隙率為89。填料采用懸掛法，在頂部、底部利用鐵絲進(jìn)行固定。

1.5實(shí)驗(yàn)方法

單因素分析實(shí)驗(yàn)：分別改變曝氣時(shí)間、C/N、填料投加量固定其余因素，探究各因素對SBBR反應(yīng)器脫氮除碳效果的影響?；趩我蛩貙?shí)驗(yàn)的結(jié)果，以曝氣時(shí)間、C/N、填料投加量為自變量，COD去除率和氨氮去除率為響應(yīng)值，進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建模型及進(jìn)行方差分析，得到最佳工況點(diǎn)，最后進(jìn)行模型驗(yàn)證。

2 結(jié)果與討論

2.1 SBBR脫氮影響因素研究

2.1.1 曝氣時(shí)間的影響

在控制填料投加量為30%、C/N為10時(shí)，對曝氣時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著曝氣時(shí)間的增加，COD以及氨氮的去除率呈上升趨勢，但是7 h后期，去除率明顯降低。這是由于曝氣時(shí)間的延長，反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)物也會(huì)隨之消耗，需要的營養(yǎng)物質(zhì)還不足以使微生物下一步生長，所以在綜合考慮其他因素對COD去除率影響的同時(shí)，曝氣時(shí)間定在6 h。

2.1.2 C/N的影響

在控制填料投加量為30%、曝氣時(shí)間為6h時(shí)，對C/N進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著C/N的增加，COD以及氨氮的去除率不斷增大，最后趨于平緩。分析表明：當(dāng)COD負(fù)荷較大時(shí)，硝化反應(yīng)較少，被去除的物質(zhì)多為微生物自身細(xì)胞合成所用。當(dāng)C/N增加時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)充足，提高了處理效率，但考慮到實(shí)際成本，所以在綜合考慮其他因素對于COD去除率影響的情況下，將C/N設(shè)為10。

2.1.3 填料投加量的影響

在控制曝氣時(shí)間為6h、C/N為10時(shí)，對填料投加量進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著填料投加量的增加，COD以及氨氮的去除率呈上升趨勢，3個(gè)條件下去除率的去除大致相同，當(dāng)填料投加量選取30%時(shí)，去除率有所降低。這說明了分散相顆粒直徑大小和數(shù)量與污染物去除之間存在一定關(guān)系。過量的懸浮填料在曝氣作用下，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)所形成的剪切力使得活性污泥出現(xiàn)分散和細(xì)化的現(xiàn)象，絮體比以前變小，不能形成普通的絮狀結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致反應(yīng)器去除率有所降低。因此，綜合考慮，選擇填料投加量為30%，使其達(dá)到最優(yōu)處理水平。

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化分析

2.2.1 分析因素的選取及方案確定

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)分析確定影響因子水平，以曝氣時(shí)間、C/N、填料投加量為自變量，以COD去除率和氨氮去除率為響應(yīng)值，進(jìn)行3因素3水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。影響因子水平及編碼如表1所示。

通過Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行17組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

針對上述3種條件作用下的氨氮去除率和COD去除率，運(yùn)用Design-Expert11軟件進(jìn)行多元回歸擬合，得到氨氮去除率、COD去除率與填料投加量、C/N 和曝氣時(shí)間之間的二次多項(xiàng)回歸模型和因素之間的交互作用以及等高線圖和響應(yīng)面圖。

2.2.2曝氣時(shí)間、C/N、填料投加量對COD去除率的影響

填料投加量、C/N 和曝氣時(shí)間作為自變量，COD去除率作為響應(yīng)值（），可得到方程（式1）。

=93.5+1.97×+3.45×+2.74×+1.41×AB+

1.01×-1.82×-2.93ײ-4.16ײ-3.2ײ（1）

多因素交互對COD去除率影響的響應(yīng)面圖如圖4所示，COD去除率連續(xù)變量方差模型的分析見表3。由表3可知，此模型的=34.74，<0.0001，說明該模型顯著性非常好。模型失擬度為0.5654，失擬度為0.6663，且失擬度不顯著，表明該模型構(gòu)建較為合理且達(dá)到預(yù)期效果，擬合度較好，可以用來預(yù)測和分析對COD的去除效果。變異系數(shù)C.V.=1.24%＜10%，說明該模型具有較高的可信度與精確度。實(shí)驗(yàn)的信噪比為18.1467＞4，視為合理，說明該模型可以較好地用于預(yù)測^[11]。對3種因素之間的交互作用進(jìn)行分析，可知其由大到小的排序?yàn)椋篊/N和曝氣時(shí)間、填料投加量和曝氣時(shí)間、C/N和曝氣時(shí)間。

2.2.3曝氣時(shí)間、C/N、填料投加量對氨氮去除率的影響

填料投加量、C/N 和曝氣時(shí)間作為自變量，氨氮去除率作為響應(yīng)值（），可得到方程（式2）。

=90.89+4.07×+2.2×+3.82×-2.2×-0.315 2

×+2.52×-1.46ײ-6.69ײ-2.9²（2）

多因素交互對氨氮去除率影響的響應(yīng)面圖如圖5所示，氨氮去除率連續(xù)變量方差模型的分析如表4所示。

由表4可知，此模型的=95.56，<0.0001，說明該模型非常顯著。該模式下失擬度為2.92，失擬度=0.1638，且失擬度不顯著，表明該模型構(gòu)建較為合理且達(dá)到預(yù)期效果，擬合度較好，可以用來預(yù)測和分析對氨氮的去除效果。變異系數(shù)C.V.=0.9919%<10%，驗(yàn)證了模型的可信度和精研度。實(shí)驗(yàn)的信噪比=31. 2116>4，能夠視為合理，驗(yàn)證了模型能很好地進(jìn)行預(yù)測。對3種因素之間的交互作用進(jìn)行分析，可知其由大到小的排序?yàn)椋篊/N和曝氣時(shí)間、填料投加量和C/N、填料投加量和曝氣時(shí)間。

在實(shí)驗(yàn)條件下，Box-Behnken模型所得到的優(yōu)化SBBR反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)的方案為：填料投加量為26.8%、C/N為10.5、曝氣時(shí)間為6.5 h。預(yù)測COD的去除率為95%、氨氮的去除率為94.14%。

2.2.4模型驗(yàn)證

對上述模型進(jìn)行驗(yàn)證，取上述最優(yōu)條件：填料投加量為26.8%、C/N為10.5、曝氣時(shí)間為6.5 h，進(jìn)行為期28 d的模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，與預(yù)測值進(jìn)行對比。在最優(yōu)條件下，COD的實(shí)際去除率為92.72%，氨氮的實(shí)際去除率為91.53%，與預(yù)測值相差均小于3%。這說明該模型能較為真實(shí)地反映各因素對模擬城市污水中COD去除率和氨氮去除率的影響，證明應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化城市污水是可行的。

3結(jié) 論

1）SBBR處理城市污水的單因素最佳實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：曝氣時(shí)間、C/N、填料投加量的相應(yīng)最優(yōu)值分別是6h、10、30%。

2）基于單因素實(shí)驗(yàn)獲得的最優(yōu)值，利用響應(yīng)面優(yōu)化法以COD去除率為響應(yīng)值時(shí)，各個(gè)影響因子作用效果顯著性為：C/N>曝氣時(shí)間>填料投加量。而以氨氮去除率為響應(yīng)值時(shí)，各個(gè)影響因子作用效果顯著性為：曝氣時(shí)間> C/N >填料投加量。影響因子之間存在著交互作用，其中C/N和曝氣時(shí)間的交互作用最為顯著。

3）基于Box-Behnken響應(yīng)曲面法建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突貧w性較好，可用于SBBR反應(yīng)器處理模擬城市污水的反應(yīng)條件優(yōu)化。最佳條件組合為：填料投加量為26.8%、C/N為10.5、曝氣時(shí)間為6.5 h。預(yù)測COD的去除率為95%、氨氮的去除率為94.14%。最后，進(jìn)行模型驗(yàn)證，取最優(yōu)條件進(jìn)行實(shí)際處理污水，最終實(shí)際COD去除率為92.72%，實(shí)際氨氮去除率為91.53%，與預(yù)測值均小于3%。因此，該模型能較為真實(shí)地反映各因素對模擬城市污水中COD去除率和氨氮去除率的影響。響應(yīng)面法可以優(yōu)化SBBR反應(yīng)器處理模擬城市污水。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李平，吳剛. 城市水污染現(xiàn)狀及其治理對策研究[J]. 環(huán)境與發(fā)展， 2020，32（10）： 57-58.

[2] 周游. 城市化過程中小城鎮(zhèn)的水污染控制與治理研究[J]. 中國資源綜合利用， 2019， 37（10）： 37-39.

[3] 潘超. SBR-超濾聯(lián)用技術(shù)處理含鹽生活污水及其微生物群落分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2019.

[4] FOGLIA A， AKYOL ?， FRISON N， et al. Long-term operation of a pilot-scale anaerobic membrane bioreactor （AnMBR） treating high salinity low loaded municipal wastewater in real environment[J]. ，2020，236：116279.

［[5］]吳涵，陳瀅，劉敏，等.SBBR反應(yīng)器中耐冷微生物的馴化與識(shí)別[J].化工學(xué)報(bào)，2020，71（2）：766-776.

[6] 蔡方瑞. 序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）應(yīng)用于廢水中難降解有機(jī)物的去除與脫氮的研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2020.

[7] 馬文靜. SBBR工藝及影響因素探討[J]. 科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)， 2010， 20（10）：148-150.

［[8］]何雯茵，郭諾瑋，童嶼，等.響應(yīng)面法優(yōu)化污水處理廠化學(xué)強(qiáng)化除磷工藝[J].給水排水，2019，55（S1）：190-193.

[9] 肖飛， 董文明， 王維紅. 基于響應(yīng)面法優(yōu)化污水廠脫氮工藝研究[J]. 廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，39（5）：210-221.

[10] 蘇云菲，王劼. 北方大型污水處理廠進(jìn)水水量水質(zhì)特征分析[J]. 資源節(jié)約與環(huán)保，2020（7）：36-37.

[11] 陳于梁，成先雄，連軍鋒，等. 基于響應(yīng)面法的電芬頓降解活性黑5性能研究[J]. 應(yīng)用化工，2020，49（11）：2756-2758.

Optimization of SBBR Treatment of Ammonia Nitrogen in Municipal Wastewater Based on Response Surface Method

HUANG Yuqi， KANG Han， GAO Yihan

（School of Municipal and Environmental Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang Liaoning 110168，China）

Abstract：Sequencing batch biofilm reactor （SBBR）was used to treat urban simulated wastewater. The SBBR reactor was started by inoculation method. The effects of aeration time，C/N and filler dosage on the removal of ammonia nitrogen in SBBR reactor were studied. The response surface method was used to optimize the aeration time，C/N and filler dosage in the stable SBBR reactor，and the regression model was constructed and analyzed by variance. The results showed that when the biofilm was mature，the removal rates of COD and ammonia nitrogen in the effluent of SBBR system were stable at 88.1% and 85.2%，respectively. The single factor experimental analysis showed that the aeration time，C/Nand filler dosage had a significant effect on the denitrification of the SBBR reactor，and the optimal values were 6 h，10 and 30%. After response surface optimization，the optimal operating point of the reactor was determined as follows： the filler dosage was 20.2%，&nbsp;the C/N was 10.5，and the aeration time was 6.4 h. The model predicted that the removal rate of COD was 95% and the removal rate of ammonia nitrogen was 94.14%. The model validation results showed that the COD removal rate was 92.72% and the ammonia nitrogen removal rate was 91.53%，which was less than 3% of the predicted value. Therefore，the model can truly reflect the influence of various factors on the removal rate of COD and ammonia nitrogen in simulated urban sewage. The response surface method can optimize the SBBR reactor to treat simulated urban sewage.

Key words：Sewage treatment; SBBR; Construction of microbial system;Response surface optimization method;Model verification