兩段SBR工藝脫氮規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

（中國環(huán)境管理干部學(xué)院，河北 秦皇島066102）

1 研究背景

高濃度有機(jī)廢水中氮主要以氨氮和有機(jī)氮形式存在。在生物處理過程中，大部分的非溶性有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成氨氮和其他無機(jī)氮，然后通過硝化反應(yīng)將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，再通過反硝化反應(yīng)將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈴乃幸莩觯瑥亩_(dá)到脫氮的目的。

常用的處理工藝有：A/O工藝、氧化溝工藝、橋本工藝、四段Bardenpho工藝以及SBR工藝。其中SBR工藝由于無需回流、操作簡單、處理效率高而得到廣泛推廣[1]。

傳統(tǒng)SBR工藝脫氮效率受負(fù)荷、曝氣方式、DO、pH值等多種因素的影響。Miller等[2-5]的研究發(fā)現(xiàn)，在低負(fù)荷的SBR中硝化反應(yīng)進(jìn)行得很徹底，但反硝化卻很難控制。

方士、李筱煥[6，7]采用兩段SBR法處理高氨氮味精廢水，整個(gè)生物處理過程可分為碳氧化階段和三個(gè)亞硝化/反亞硝化階段。pH值是影響脫氮的重要因素，pH值越高越有利于碳氧化階段氨氮吹脫效果；亞硝化階段亞硝化菌是由游離氨對(duì)硝酸細(xì)菌的抑制而形成的。亞硝化階段I、II、III的最佳pH值分別為6.8，8.2，8.2，反亞硝化階段I、II、III的最佳pH值分別為7.5，8.2，8.2。進(jìn)水氨氮濃度1 400 mg/L時(shí)，出水在100 mg/L左右，取得了良好的處理效果，CODCr去除率可達(dá)94%～95%，氨氮的去除率達(dá)到80%～90%。

高景峰、曾薇、Wouters等[8-12]還對(duì)SBR在生物脫氮中的自動(dòng)控制問題作了大量研究，發(fā)現(xiàn)活性污泥法中ORP、DO和pH值的變化規(guī)律與硝化、反硝化過程有良好的線性關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行簡單的在線檢測可以指示反應(yīng)的進(jìn)程，以它們作為控制參數(shù)是可行的。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)在中國環(huán)境管理干部學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過程的污水來自于某集團(tuán)的化工廢水。廢水中含有大量的油類、酚類、硫化物以及芳香烴類等難降解有機(jī)物，顏色呈暗綠色。實(shí)驗(yàn)用水取自二浮池出水，該廢水水質(zhì)特點(diǎn)是進(jìn)水有機(jī)物濃度和氨氮濃度高，BOD5/CODCr小于0.3，可生化性較差。揮發(fā)酚、硫化物等對(duì)微生物有毒害作用的污染物質(zhì)含量較高，屬高濃度難降解工業(yè)廢水。

表1 廢水水質(zhì)

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)SBR反應(yīng)器：SBR1和SBR2串聯(lián)運(yùn)行，SBR1反應(yīng)器的出水為SBR2反應(yīng)器的進(jìn)水。SBR1主要去除大部分有機(jī)物，以好氧為主，SBR2以脫氮為主，先好氧硝化，然后缺氧攪拌，根據(jù)硝化結(jié)束時(shí)刻有機(jī)物濃度的大小決定是否通入原廢水作為反硝化碳源。每個(gè)反應(yīng)器白天一般運(yùn)行2個(gè)周期，晚上一般為閑置狀態(tài)。SBR1運(yùn)行周期為5～7 h：其中進(jìn)水0.5 h，曝氣2～4 h，沉淀1 h，潷水1.5 h；SBR2運(yùn)行周期為7～9 h：進(jìn)水0.5 h，曝氣3～6 h，缺氧攪拌1～2 h，沉淀1 h，潷水1.5 h。

圖1 兩段SBR工藝流程

兩段SBR法的系統(tǒng)啟動(dòng)方式與其他工藝不同，首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)行污泥的適應(yīng)性培養(yǎng)馴化，然后將污泥分別置于兩個(gè)SBR反應(yīng)器中組成兩段SBR系統(tǒng)，分別培養(yǎng)。通過這兩個(gè)階段的培養(yǎng)馴化，SBR1和SBR2中分別培養(yǎng)出不同種類的微生物，SBR1以降解易降解的底物為主，SBR2以硝化脫氮為主，同時(shí)進(jìn)行難降解底物的降解。系統(tǒng)運(yùn)行取得了良好的效果，穩(wěn)定運(yùn)行期間，有機(jī)物的去除率為97%～98%，氨氮的平均總?cè)コ蕿?5%～95%，出水水質(zhì)良好。并且兩段SBR法對(duì)廢水中的硫化物和揮發(fā)酚等有毒物質(zhì)的去除效率也穩(wěn)定在95%以上。

3 兩段SBR工藝脫氮規(guī)律研究

3.1 SBR1脫氮規(guī)律研究

為了研究兩段SBR系統(tǒng)中氨氮的變化規(guī)律，分別對(duì)SBR1和SBR2 反應(yīng)器中氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的濃度變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中SBR1在（23±2）℃的條件下進(jìn)行，保持污泥濃度8 000 mg/L，進(jìn)水有機(jī)物濃度4 000 mg/L，污泥負(fù)荷1.0 kg COD/（kgMLSS·d），氨氮濃度100～200 mg/L，氨氮負(fù)荷0.025～0.050 kgNH4+-N/(kgMLSS·d)。每個(gè)周期運(yùn)行180 min，連續(xù)運(yùn)行7個(gè)周期，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 7個(gè)周期內(nèi)SBR1氨氮變化規(guī)律

圖3 SBR1一個(gè)周期內(nèi)氨氮變化規(guī)律

由圖2可見，在正常運(yùn)行的7個(gè)周期中，SBR1對(duì)氨氮的去除能力有限，平均去除率在30%左右，出水中仍然有大量的氨氮存在。說明SBR1不能良好地去除氨氮。并且在實(shí)驗(yàn)中檢測出硝酸氮和亞硝酸氮的濃度很低，說明SBR1反應(yīng)器硝化菌生長緩慢，硝化反應(yīng)速率不高。一般認(rèn)為SBR1中氨氮主要是異氧菌反應(yīng)過程中發(fā)生同化作用而去除的。從圖3可以看出，有機(jī)物濃度為4 000 mg/L時(shí)，氨氮出水濃度為100 mg/L，去除率約為33%，當(dāng)有機(jī)物濃度降低為2 000 mg/L時(shí)，氨氮出水濃度為109 mg/L，氨氮去除率為27%，當(dāng)有機(jī)物濃度繼續(xù)降低到1 000 mg/L時(shí)，氨氮出水濃度為114 mg/L，去除率為24%，說明隨著進(jìn)水有機(jī)物濃度的增加，同化作用越強(qiáng)烈，消耗的氨氮也越多。

3.2 SBR2硝化反硝化脫氮

在兩段SBR系統(tǒng)中，SBR2反應(yīng)器是脫氮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于SBR2反應(yīng)器的進(jìn)水有機(jī)物濃度遠(yuǎn)低于SBR1的進(jìn)水，因此在SBR2反應(yīng)器中降解有機(jī)物的異氧菌不具有明顯的優(yōu)勢，從而為硝化細(xì)菌的生長提供了機(jī)會(huì)。同時(shí)由于降解的有機(jī)物大部分被轉(zhuǎn)化成無機(jī)物，因而為自養(yǎng)型硝化細(xì)菌提供了足夠的碳源，兩者在反應(yīng)器中存在著共生的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)首先對(duì)SBR2中三氮的轉(zhuǎn)化進(jìn)行了研究。SBR2進(jìn)水來自SBR1出水，有機(jī)物濃度400 mg/L，氨氮濃度100 mg/L，原水pH值7.5～8.0?？刂芐BR2溫度（25±2）℃，好氧階段曝氣量0.3 m3/h，污泥濃度3 000 mg/L，每個(gè)周期曝氣120 min，厭氧攪拌60 min，定時(shí)取樣檢測三氮濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 SBR2中三氮濃度隨時(shí)間變化規(guī)律

另外，根據(jù)前文分析，SBR2反應(yīng)器中，DO在有機(jī)物降解過程中也呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，可以作為SBR2有機(jī)物降解的指示參數(shù)。因此能否將pH和DO作為硝化反硝化反應(yīng)的指示參數(shù)，利用其進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)脫氮反應(yīng)的自動(dòng)控制就是接下來面臨的問題。為了實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想，分別對(duì)SBR2硝化反硝化階段pH值和DO的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖5所示。

圖5 SBR2中pH和DO的變化規(guī)律

由圖可以看出，反應(yīng)中pH值和DO呈現(xiàn)如下的變化規(guī)律：

（1）pH值的變化過程：在硝化反應(yīng)初期階段，pH值未出現(xiàn)理論預(yù)測的快速下降的趨勢，因此在反硝化階段，用pH值可以很好地指示反硝化過程的結(jié)束，防止攪拌時(shí)間過長，增加不必要的能耗。

（2）DO的變化過程：在反應(yīng)初始階段，通入空氣使DO迅速上升，反應(yīng)開始進(jìn)行。當(dāng)有機(jī)物降解進(jìn)入更難降解階段和氨氮硝化反應(yīng)結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)中耗氧因素消失，因此系統(tǒng)中的DO迅速升高，出現(xiàn)一次躍升（如圖5E點(diǎn)）。在缺氧反硝化初期，DO很快降為0 mg/L，反硝化過程中無法檢測，因此不能作為控制參數(shù)。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)過一段時(shí)間的正常運(yùn)行，證明SBR1對(duì)氨氮的去除能力有限，平均去除率在30%左右，出水中仍然有大量的氨氮存在。并且在SBR1中硝酸氮和亞硝酸氮的濃度較低，說明SBR1發(fā)生硝化反應(yīng)速度較慢。SBR1中的氨氮去除主要是異氧菌在消耗有機(jī)物的同時(shí)發(fā)生同化作用的結(jié)果，并且隨著進(jìn)水有機(jī)物濃度的增加，同化作用也越強(qiáng)烈，消耗的氨氮也越多。

（2）SBR2反應(yīng)器中氨氮的濃度在初始階段降低較快，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氨氮的濃度逐漸降低，反應(yīng)速率也逐漸下降。經(jīng)過一段時(shí)間的反應(yīng)以后，微生物對(duì)氨氮的降解速率趨于穩(wěn)定，此時(shí)硝酸氮的濃度達(dá)到最高。進(jìn)入缺氧反硝化階段以后，硝酸氮的濃度迅速下降，直至降解完全，亞硝酸氮在反應(yīng)初期和厭氧階段有一個(gè)積累的最高值，然后又有所下降。在SBR2進(jìn)行硝化反硝化脫氮的過程中，pH值和DO的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，在反應(yīng)進(jìn)行的過程中pH值和DO出現(xiàn)幾個(gè)拐點(diǎn)指示反應(yīng)的進(jìn)程，因此在硝化反硝化脫氮反應(yīng)中，pH值和DO與反應(yīng)進(jìn)行的程度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用這兩個(gè)參數(shù)作為系統(tǒng)自動(dòng)控制的依據(jù)完全可行。

[1]IRVINE R L.Municipal Application of Sequencing Batch Treatmentat Culver Indiana[J].Water Pollut Contro Fed，1983，55（5）：484-488.

[2]IRVINE R L.Sequencing Batch Treatment of Wasterwater in Rural Areas[J].Water Pollut Control Fed，1979，51（1）：244-254.

[3]SILVERSTEIN J.Performance of SBR Actived Sludge Processes with Nitrification/Denitrification[J].Water Pollut Control Fed，1983，55（4）：377-384.

[4]BARNARD J L.Biological Nutrient Removal Without the Addition of Chemicals[J].Water Res，1975（9）：485-490.

[5]AGNES MOSSAKOWSKA.Niteification Reactions in Treatment of Supernatant from Dewatering of Digested Sludge[J].Water Environ Res，1997，69（6）：1128-1133.

[6]方士，李筱煥.吸附混凝-兩段SBR法工藝處理味精廢水的研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2001，27（2）：210-214.

[7]方士，李筱煥.高氨氮味精廢水的亞硝化/反亞硝化脫氮研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21（1）：79-83.

[8]高景峰，彭永臻，王淑瑩，等.以DO、ORP、PH控制SBR法的脫氮過程[J].中國給水排水，2001，17（4）：6-11.

[9]曾薇，彭永臻，王淑瑩，等.以溶解氧濃度作為SBR法模糊控制參數(shù)[J].中國給水排水，2000，16（4）：5-10.

[10]王淑瑩，曾薇，董文藝，等.SBR法短程硝化及過程控制研究[J].中國給水排水，2002，18（10）：1-5.

[11]高大文，彭永臻，鄭慶柱.SBR工藝中短程硝化反硝化的過程控制[J].中國給水排水，2002，18（11）：13-18.

[12]K H WOUTERS-WASIAK.Real-time control of nitrogen removal at full scale using oxidation reduction potential[J].Wat.Sci.Tech，1994，30（4）：207-210.