摘 要：為探究SBR工藝處理城市生活污水的最佳反應(yīng)工況，采取“進(jìn)水-好氧-缺氧-厭氧-好氧-沉淀-排水-閑置”的工藝流程，將脫氮除磷過(guò)程分離開(kāi)來(lái)，對(duì)分段進(jìn)水最佳流量比和各階段最佳反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行研究。結(jié)果表明：對(duì)于總磷和COD的去除，A進(jìn)水模式（流量比為7∶3）去除率最高，分別為83.69%和91.64%；對(duì)于總氮和氨氮的去除，C進(jìn)水模式（流量比為9∶1）的進(jìn)水方式去除率最高，分別為83.40%和93.50%。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)有效反應(yīng)時(shí)間為12h時(shí)為脫氮除磷的最佳運(yùn)行工況。

關(guān) 鍵 詞：SBR；脫氮；除磷

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）09-1473-04

SBR是序批式活性污泥法的簡(jiǎn)稱，由于其具有占地面積小、工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行方式靈活、脫氮除磷效果好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)^[1-3]。但在傳統(tǒng)SBR工藝處理時(shí)，由于反硝化與聚磷菌釋磷過(guò)程存在碳源競(jìng)爭(zhēng)，脫氮除磷效果往往不佳，難以達(dá)到規(guī)定的排放準(zhǔn)則，發(fā)現(xiàn)有機(jī)物、氮、磷的去除率只有85.2%、62.4%、65.7%^[4]。因此如何改進(jìn)SBR工藝、如何有效解決碳源矛盾以提高氮、磷的去除效果已成為眾多研究的重中之重。

目前出現(xiàn)了很多SBR的改良技術(shù)，常見(jiàn)的有CAST工藝、多段SBR工藝、間歇曝氣SBR工藝、交替式SBR工藝等^[5-6]。陳強(qiáng)等^[7]用改良分段進(jìn)水三級(jí)A²/O工藝處理低碳氮比污水獲得較高的總氮、總磷去除效率；孫麗娜等^[8]將某污水處理廠SBR工藝改成分段式進(jìn)水SBR工藝后，出水指標(biāo)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；DAIGGER等^[9]改變進(jìn)水段數(shù)和流量比使脫氮除磷效率提高了35％以上。

采用分段進(jìn)水方法優(yōu)化傳統(tǒng)SBR工藝，相比于常規(guī)單點(diǎn)或單區(qū)進(jìn)水工藝，分段進(jìn)水技術(shù)增強(qiáng)脫氮效率是因?yàn)椴糠痔荚粗苯舆M(jìn)入到厭氧區(qū)^[10]，提高了厭氧釋磷效率，避免了除磷過(guò)程活性污泥中攜帶的硝態(tài)氮對(duì)厭氧釋磷菌產(chǎn)生不利影響，強(qiáng)化了微生物對(duì)原水碳源的有效利用。同時(shí)，測(cè)量各個(gè)階段污水中相應(yīng)指標(biāo)的變化情況，通過(guò)分析不同時(shí)間的工藝流程中各個(gè)指標(biāo)的變化情況選擇出最優(yōu)方案，從而達(dá)到最好的脫氮除磷效果^[11]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置采用有機(jī)玻璃制成的長(zhǎng)方體 SBR 反應(yīng)器，長(zhǎng)60cm，寬 40cm，高 40cm，總?cè)莘e 96L，處理污水有效容積 72L。反應(yīng)器外壁設(shè)有取水口（兼排水），底部設(shè)有排泥管，內(nèi)部設(shè)有微孔曝氣頭和機(jī)械攪拌器以滿足反應(yīng)要求。實(shí)驗(yàn)裝置圖見(jiàn)圖1。

1.2 活性污泥和實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水取自江蘇省徐州市某小區(qū)的城市生活污水，具體水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

活性污泥取自中國(guó)礦業(yè)大學(xué)生活污水處理廠二沉池的脫水污泥，按 COD、N、P為100∶5∶1的質(zhì)量比配制營(yíng)養(yǎng)液，加大曝氣量，連續(xù)曝氣培養(yǎng)1個(gè)月后，大量原生動(dòng)物鐘蟲(chóng)、輪蟲(chóng)、累枝蟲(chóng)的出現(xiàn)，表明污泥馴化成功，開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3 檢測(cè)方法

污水處理的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和分析方法見(jiàn)表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 工況設(shè)計(jì)

采取兩段進(jìn)水模式，第一段進(jìn)水于初曝氣前，第二次進(jìn)水于厭氧階段前。設(shè)置A、B、C、D 4種進(jìn)水比例，比例分別為7∶3、8∶2、9∶1、10∶0。同時(shí)，平行設(shè)置3個(gè)SBR工況，①號(hào)工況為“進(jìn)水（5 min）-曝氣（2h）-攪拌（1h）-厭氧（1h）-曝氣（2h）-沉淀（30min）-排水（15min）-閑置（15min）”，有效運(yùn)行周期為6h；②號(hào)工況為“進(jìn)水（5min）-曝氣（2h）-攪拌（1.5h）-厭氧（1.5h）-曝氣（4h）-沉淀（30min）-排水（15min）-閑置（15min）”，有效運(yùn)行周期為9h；③工況為“進(jìn)水（5min）-曝氣（2h）-攪拌（2h）-厭氧（2h）-曝氣（6h）-沉淀（30min）-排水（15min）-閑置（15min）”，有效運(yùn)行周期為12h。

按以上條件進(jìn)行12組正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)各個(gè)階段水質(zhì)進(jìn)行取樣檢測(cè)，并進(jìn)行分析，得出最佳運(yùn)行工況。

2.2 最佳進(jìn)水流量比的探究

探索了進(jìn)水流量比對(duì)TP、COD、TN、NH-N去除率的影響，結(jié)果如表3至表6所示。由表3至表6可知，當(dāng)有效運(yùn)行時(shí)間為12h時(shí)，A模式下總磷和COD的去除率最高，即當(dāng)采用7∶3流量比進(jìn)水時(shí)，總磷和COD的去除效果最好。磷的去除主要在厭氧和好氧階段完成，厭氧階段水中聚磷菌釋磷，并消耗溶解性有機(jī)物（VFA），進(jìn)而在后續(xù)曝氣階段過(guò)量吸磷，通過(guò)生物污泥的排放來(lái)實(shí)現(xiàn)磷的去除^[7]。當(dāng)采用模式D（流量比為10∶0）的進(jìn)水方式時(shí)由于厭氧段之前的缺少進(jìn)水，前期反硝化過(guò)程又消耗了大量的溶解性有機(jī)物，聚磷菌厭氧釋磷的活動(dòng)受到抑制，導(dǎo)致磷的去除效果變差。

對(duì)于總氮和氨氮而言，當(dāng)有效運(yùn)行時(shí)間為12h時(shí)，采用C模式時(shí)，總氮和氨氮的去除率最高。全進(jìn)水方式污染物負(fù)荷過(guò)高會(huì)導(dǎo)致微生物的生命活動(dòng)受到抑制，氮的去除率不高。而采用分段進(jìn)水時(shí)，聚磷菌會(huì)與反硝化菌爭(zhēng)奪碳源，聚磷菌會(huì)優(yōu)先利用污水中的碳源進(jìn)行釋磷，反硝化過(guò)程就會(huì)因?yàn)樘荚床蛔闶艿揭种?，故后進(jìn)水比例過(guò)大也會(huì)抑制氮的去除，故當(dāng)采用C模式進(jìn)水時(shí)，總氮和氨氮的去除效果最好。

綜上所述，下文對(duì)于總磷和COD去除的最佳運(yùn)行時(shí)間探索，采用的是A模式進(jìn)水條件，對(duì)于總氮和氨氮去除的最佳運(yùn)行時(shí)間探索，采用的是C模式的進(jìn)水條件。

2.3 最佳運(yùn)行工況的探究

2.3.1 總氮去除效果分析

總氮去除效果對(duì)比圖如圖2所示。有效運(yùn)行時(shí)間為12h時(shí)總氮去除效果最好，最終出水質(zhì)量濃度小于15mg·L^-1，符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）^[12]一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。從各個(gè)階段來(lái)看，進(jìn)水后隨著曝氣的進(jìn)行，總氮略微有所降低，主要原因是這個(gè)階段發(fā)生硝化反應(yīng)，水中的氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，故而該階段不是總氮去除的主要階段。隨著攪拌的進(jìn)行，反應(yīng)環(huán)境由好氧逐漸變?yōu)槿毖?，發(fā)生反硝化反應(yīng)，總氮得到大幅度的去除。缺氧以后由于再次進(jìn)水，導(dǎo)致水中的總氮有小范圍的升高。但隨著再次曝氣的進(jìn)行，水中剩余的硝態(tài)氮再次進(jìn)行反硝化，得到一定程度的去除，故而在曝氣結(jié)束后出現(xiàn)小范圍的下降?？偟膩?lái)看，3個(gè)工況的總趨勢(shì)是一致的，但缺氧階段時(shí)間為2h時(shí)下降幅度最大，說(shuō)明缺氧階段的最佳有效運(yùn)行時(shí)間為2h。

2.3.2氨氮去除效果分析

氨氮去除效果對(duì)比圖如圖3所示。由圖3可以看出，運(yùn)行時(shí)間為12h時(shí)氨氮去除效果最好。進(jìn)水初期，在曝氣的條件下，氨氮因微生物硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，質(zhì)量濃度大幅減小，主要原因是這個(gè)階段發(fā)生硝化反應(yīng)，水中的氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。但由于初次曝氣時(shí)各工況反應(yīng)時(shí)間均為2h，因而各工況去除率大致相同。后續(xù)攪拌進(jìn)入缺氧厭氧階段，氨氮質(zhì)量濃度會(huì)有所下降?？偟膩?lái)說(shuō)，3種工況對(duì)氨氮去除趨勢(shì)相同，但由于運(yùn)行時(shí)間為12h的工況對(duì)氨氮反應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)，在缺氧-厭氧-曝氣階段對(duì)氨氮去除率也更高。

2.3.3 總磷去除效果分析

污水中總磷的去除主要由聚磷菌在厭氧階段消耗有機(jī)物獲得能量并釋放磷，在曝氣階段吸收污水中的磷，最后通過(guò)污泥排放實(shí)現(xiàn)的?？偭兹コЧ麑?duì)比圖如圖4所示。

由圖4可知，在第一次曝氣后磷的質(zhì)量濃度有所下降，當(dāng)反應(yīng)環(huán)境由好氧逐漸變?yōu)槿毖鯐r(shí)，由于反硝化菌與聚磷菌競(jìng)爭(zhēng)碳源，導(dǎo)致釋磷量較少。厭氧階段時(shí)，一方面二次進(jìn)水增加碳源，另一方面硝態(tài)氮的去除避免對(duì)聚磷菌釋磷產(chǎn)生不利影響，因而總磷的質(zhì)量濃度陡增，達(dá)到峰值。隨后好氧曝氣縮短了除磷的進(jìn)程，聚磷菌大量吸磷，污水中磷的質(zhì)量濃度大幅降低?？偟膩?lái)看，3個(gè)工況的總趨勢(shì)是一致的，但厭氧階段時(shí)間為2h時(shí)釋磷量最大，曝氣時(shí)間為6h時(shí)吸磷量最大，去除效果最優(yōu)，故缺氧階段的最佳有效運(yùn)行時(shí)間為2h，曝氣時(shí)間為6h。

2.3.4 COD去除效果分析

COD的去除效果如圖5所示。第一次曝氣之后COD質(zhì)量濃度快速下降，主要原因是污水中微生物的活性高，對(duì)COD的吸附、降解能力強(qiáng)。在缺氧階段，盡管反硝化會(huì)消耗有機(jī)物，但是好氧菌活性降低，吸附的懸浮有機(jī)物會(huì)重新進(jìn)入水中，導(dǎo)致水中COD質(zhì)量濃度有所升高。厭氧階段由于聚磷菌釋磷消耗揮發(fā)性有機(jī)物（VFA），故質(zhì)量濃度降低。第二次曝氣后COD質(zhì)量濃度大幅下降，但曝氣時(shí)間為6h時(shí)處理效果最好，最終出水質(zhì)量濃度遠(yuǎn)小于 50mg·L^-1，符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)?？偟膩?lái)說(shuō)，曝氣時(shí)間為6h時(shí)COD去除效果最好。

3 結(jié) 論

1）分段進(jìn)水會(huì)影響總氮、氨氮、總磷及COD的去除率。對(duì)于總磷和COD的去除，A進(jìn)水模式去除率最高，分別為83.69%和91.64%。對(duì)于總氮和氨氮的去除，C模式的進(jìn)水方式去除率最高，分別為83.40%和93.50%。

2）對(duì)于總氮和氨氮的去除，缺氧階段最佳有效運(yùn)行時(shí)間為2h；對(duì)于總磷的去除，厭氧階段最佳有效運(yùn)行時(shí)間為2h，好氧曝氣最佳有效運(yùn)行時(shí)間為

6h；對(duì)于COD的去除，曝氣最佳有效運(yùn)行時(shí)間為

6h。故有效反應(yīng)時(shí)間為12h時(shí)為最佳運(yùn)行工況。

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Research on Optimum Operating Condition of SBR

for Nitrogen and Phosphorus Removal

ZHANG Pan， FANG Li， ZHOU Jingyi， SHE Yi， ZHONG An， LI Xiaohong

（School of Environment Science and Spatial Informatics， China University of Mining and Technology，

Xuzhou Jiangsu 221000，China）

Abstract：In order to explore the optimal reaction conditions of SBR for treating urban domestic wastewater， the process flow of "raw water-aeration-anoxia-anaerobism-aeration-sedimentation-drainage-idleness" was used to separate the removal of nitrogen and phosphorus， and the optimal flow ratio of staged influent and the optimal reaction time of each stage were studied. The results showed that for the removal of total phosphorus and COD， the highest removal rates were 83.69% and 91.64% in influent A mode （flow ratio 7∶3）. For the removal of total nitrogen and ammonia nitrogen， the C influent mode （flow ratio 9∶1） had the highest removal rate with 83.40% and 93.50%， respectively. At the same time， it was found that the optimal operating condition for nitrogen and phosphorus removal was when the effective reaction time was 12 h.

Key words：SBR; Denitrification; Dephosphorization