SBR法交替缺氧好氧模式下短程硝化效率的優(yōu)化

高春娣，王惟肖，李 浩，焦二龍，彭永臻

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124）

SBR法交替缺氧好氧模式下短程硝化效率的優(yōu)化

高春娣*，王惟肖，李 浩，焦二龍，彭永臻

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124）

采用SBR法以實際生活污水為研究對象，通過交替缺氧好氧的運行模式實現(xiàn)了短程硝化的快速啟動.在不同的缺/好氧時間比條件下考察了短程硝化的啟動時間、污染物處理效果以及氨利用速率的變化.結(jié)果表明，在缺氧/好氧時間比為1：1和2：1條件下，分別用了31，55d使得兩系統(tǒng)的亞硝酸鹽積累率達到90%，短程狀態(tài)穩(wěn)定.氨氮去除率達到95%以上，COD出水在50mg/L以下，總氮去除率提高20%，污染物的去除效率有所提高.由全程到短程的轉(zhuǎn)變期間，系統(tǒng)氨利用速率分別提高了67.5%和89.8%，同時提高了短程硝化的效率.期間，污泥沉降性較好，污泥容積指數(shù)穩(wěn)定在60～80mL/g.

廢水；交替缺氧好氧；短程硝化；氨利用速率；沉降

近年來，短程硝化反硝化已經(jīng)成為水處理領(lǐng)域的研究重點和熱點，對短程硝化的實現(xiàn)及相關(guān)內(nèi)容進行了大量的研究［1-2］.與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，短程硝化反硝化工藝可節(jié)約25%的供氧量，減少40%的反硝化有機碳源（以甲醇計）［3］，反硝化速率高出了63%，缺氧階段產(chǎn)生的生物量下降了30%［4］.通過溫度、pH值、游離氨、低溶解氧、實時控制、交替等方法可以抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的生長，使氨氧化菌（AOB）在系統(tǒng)中占優(yōu)勢，進而實現(xiàn)亞硝化［5］.

交替工藝是指在一個周期內(nèi)的反應(yīng)階段，缺氧好氧交替循環(huán)運行.它不僅在工業(yè)廢水［6］、豆制品廢水［7］、垃圾滲濾液［8］中有一定的應(yīng)用，也可以用于生活污水［9］，并從實驗室規(guī)模逐漸擴大到實際的污水處理廠，也可用于污水處理廠的升級改造［10］.不需要投加化學(xué)藥劑，僅需要簡單操作曝氣的開關(guān)［11］就可以實現(xiàn)交替工藝.Katsogiann等［12］采用先好氧20min后缺氧1h的運行模式，循環(huán)3次可以實現(xiàn)短程硝化.與傳統(tǒng)模式相比，COD和懸浮固體的去除率基本相同；在溶解氧為2g/m3條件下，交替系統(tǒng)的脫氮效率為71.10%，然而在傳統(tǒng)系統(tǒng)上只有24.37%［13］.從傳統(tǒng)工藝轉(zhuǎn)化為交替系統(tǒng)不需要添加任何投資費用［13］，可以在一定程度上減少曝氣時間，節(jié)約能耗.目前，交替好氧缺氧工藝實現(xiàn)短程多以實時控制為主［7，10，14］，這對試驗裝置及設(shè)備的要求相對較高，投資較大，運行成本高，而以非實時控制為手段的研究較少［11］.同時，交替條件下主要研究的是溫度、pH值和溶解氧（DO）對實驗效果的影響［15］，缺乏交替時間比對短程效率優(yōu)化的研究［11，16］.

本研究在非實時控制的條件下，利用AOB與NOB生理特性的不同，采用序批式反應(yīng)器（SBR），交替缺/好氧的運行模式處理實際生活污水，快速實現(xiàn)短程硝化，通過不同缺/好氧時間比來確定優(yōu)化條件，包括實現(xiàn)短程的時間及其污染物處理效果，氨利用速率的改變，并考察期間污泥沉降性的變化情況.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置及廢水成分

圖1 SBR裝置示意Fig.1 Schematic diagram of SBR

本試驗采用2個相同SBR反應(yīng)器，均由有機玻璃制成，為圓柱體，有效體積為8L，如圖1所示.在反應(yīng)器壁上有3個口，分別用于進水、排水和排泥；以3個曝氣砂頭作為微孔曝氣器，采用鼓風(fēng)曝氣的方式，并以轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)進氣量.

試驗所用的進水來自北京市某高校家屬院，屬于低C/N比城市生活污水，其進水COD濃度為150～250mg/L，平均濃度為188mg/L，-N濃度為60～80mg/L，平均為70mg/L， C/N比約為2.65，-N濃度為0～0.36mg/L，-N濃度為0～2.4mg/L， pH值為7.0～7.8.

1.2 污泥來源、馴化及試驗運行

污泥取自實驗室中試SBR工藝排放的剩余污泥，平均接種到兩個SBR反應(yīng)器中，按照傳統(tǒng)SBR工藝缺氧1h、好氧4h進行馴化，馴化后的污泥達到氨氮全部氧化，亞硝酸鹽積累率幾乎為0，并且污泥具有良好的沉降性能，SV%為20%～25%.

運行方式按照先缺氧后好氧的模式交替運行，交替循環(huán)3次后沉淀排水，其中SBR1缺/好氧時間比是1：1，即缺氧攪拌45min，好氧曝氣45min；SBR2缺/好氧時間比是2：1，即缺氧攪拌60min，好氧曝氣30min.總反應(yīng)時間為270min，每天運行2個周期，溫度為25℃，排水比為50%，污泥齡為30天，污泥濃度保持在2500～3000mg/L.

1.3 分析方法

表1 FISH分析中采用的寡核苷酸探針Table 1 16S rRNA-targeted oligonucleotide probes used in FISH analysis

1.4 氨利用速率的測定

氨利用速率（AUR）通過測定混合液中起始的氨氮濃度，并間隔一定時間段測定混合液中氨氮的濃度，根據(jù)測定結(jié)果即可得到氨氮濃度隨時間的變化曲線，利用曲線的斜率r和測定的混合液MLVSS值，由公式AUR=r/MLVSS求得氨利用速率（mgNH4+-N/（gVSS·h））.其中，采用人工配置混合液，以氯化銨為氮源，碳酸氫鈉為堿度，并且保證氮源及堿度足量（設(shè)定氨氮濃度為60mg/L， 0.5g/L NaHCO3每0.2g/L NH4Cl）［18］.將污泥清洗后與混合液混合，連續(xù)曝氣2h，溫度為25℃，其間每隔20min取樣測定氨氮濃度.為減小誤差，進行3組平行試驗.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同缺/好氧時間比條件下短程硝化的快速啟動

經(jīng)過A/O模式馴化，污泥處在全程狀態(tài)，其亞硝酸鹽積累率（NAR）幾乎為0，氨氮基本去除完全.后改為交替模式，SBR1、SBR2分別采用缺/好氧時間比為1：1和2：1進行試驗.2個反應(yīng)器中NAR變化如圖2所示，其中前6d為全程馴化階段結(jié)果，從第7d開始進行交替實驗.

從圖2可以看出，SBR1反應(yīng)器從改為交替模式后第3d NAR就達到了50%，又經(jīng)過28d后，積累率增長到90%，并且長時間穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了短程硝化.而SBR2反應(yīng)器，NAR達到50%用了17d，增長到90%用了55d，比SBR1多用24d.其原因認為如下，首先，因為交替運行模式中，短時間的曝氣只能提供一定DO，在曝氣初期系統(tǒng)中的DO濃度較低，限制了亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過程.其次，由于SBR1比SBR2每個循環(huán)的曝氣時間長15min，每個周期總曝氣時間長45min，使氨氧化過程更充分，亞硝酸鹽濃度較高，積累較快，而SBR2曝氣量以及曝氣時間有限，亞硝酸鹽積累較慢.因此，相較而言，在缺/好氧時間比為1：1條件下，能夠快速啟動短程硝化.

圖2 交替缺氧好氧模式下亞硝酸鹽積累率變化Fig.2 Variation of nitrite accumulation rate under the mode of alternating anoxic/oxic

在交替試驗運行的后期，NAR一直保持在較高水平，短程狀態(tài)較為穩(wěn)定.這是由于飽食饑餓特性使得AOB能夠經(jīng)受住溶解氧周期性的變化，逐漸成為優(yōu)勢菌群.這與Chen等［19］的細胞損傷理論相吻合，微生物需要在好氧環(huán)境中產(chǎn)生更多的能量來修補在缺氧和底物不足等不利環(huán)境下受到的損傷，從而促使微生物快速增殖.在交替運行的缺氧階段，降低快速生長的異養(yǎng)生物對氧的競爭力，使得溶解氧在硝化階段能夠更好的利用［20］.試驗表明，交替缺/好氧模式可以提高短程硝化的啟動效率.另外，在溶解氧濃度低時也有利于亞硝化細菌對基質(zhì)的競爭從而有利于短程硝化的發(fā)生［21］.

2.2 交替模式對有機物去除效果的提高

如圖3所示，在改變運行模式后，由于SBR1中曝氣時間及DO均較為充足，氨氧化過程較為完全，氨氮去除率幾乎沒有受到影響，并保持較好的去除效果，總氮的去除率也從50%提高到70%左右.而在SBR2中，由于曝氣時間較短，從馴化時的4h縮短至1.5h，活性污泥未能很快適應(yīng)新的運行模式，導(dǎo)致氨氮去除效果不佳.然而，污泥經(jīng)過1個多月的運行后，氨利用速率提高，氨氮基本去除完全，總氮去除率也逐步提高，并且能夠穩(wěn)定運行.COD去除率的變化并不明顯，盡管進水COD隨季節(jié)波動較大，但出水效果良好，SBR1和SBR2的去除率分別為79.0%和79.31%，濃度基本在50mg/L以下，出水COD達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準［22］.

圖3 交替缺氧好氧模式下污染物去除率變化Fig.3 Variation of pollutant removal efficiency under the mode of alternating anoxic/oxic（a） SBR1；（b） SBR2

圖4 交替缺氧好氧模式下典型周期內(nèi)各污染物濃度及DO、pH值變化Fig.4 Variation of pollutant concentration and DO， pH in typical cycle under the mode of alternating anoxic/oxic（a）SBR1污染物；（b） SBR2污染物；（c） SBR1的DO、pH值變化；（d） SBR2的DO、pH值變化

如圖4所示，通過對全周期的考察可以發(fā)現(xiàn)，反硝化過程中pH值逐漸升高，隨著硝化反應(yīng)的進行，pH值開始降低，DO在2.0mg/L以上，在好氧階段穩(wěn)定在一個平臺上，并有上升的趨勢.COD在前90min中就基本降解完成，氨氮在曝氣階段轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}，致使亞硝酸鹽的濃度增加，而硝酸鹽濃度幾乎為0.試驗表明，在采用交替缺/好氧交替模式條件下，在交替前期，SBR1的去除效率優(yōu)于SBR2，到后期污染物的去除效率均有所提高，并且短程硝化的狀態(tài)保持良好.

2.3 交替模式下節(jié)能效率的提高

在交替模式下，隨著亞硝酸鹽的不斷累積，在不同時期測定污泥的氨利用速率，其結(jié)果如圖5所示.全程過程中的SBR1與SBR2的氨利用速率分別為5.798，5.148mg-N/（gVSS·h），經(jīng)過一段時間的交替運行后，氨利用速率變快，SBR1提高至9.712mg-N/（gVSS·h），提高了67.5%；SBR2提高至9.772mg-N/（gVSS·h），提高了89.8%，最終SBR2略高于SBR1.

圖5 全程與短程下氨利用速率的變化Fig.5 Variation of ammonia utilization rate under complete nitrification and partial nitrification

根據(jù)微生物的動力學(xué)研究，交替缺/好氧運行模式與傳統(tǒng)模式相比，由于AOB與NOB種群結(jié)構(gòu)的不同，其氧化、生長和衰減速率不同，導(dǎo)致AUR存在差異.SBR2運行的一個周期中，曝氣時間較短，在相同進水條件、氨氮出水同時為0mg/L條件下，AUR比SBR1稍高.試驗表明，交替運行條件下有利于篩選AUR較快的AOB，使得氨氮在短時間內(nèi)可以氧化完全.

從經(jīng)濟學(xué)角度考慮，由于曝氣時間較短，所需要的曝氣量也相對較少，如SBR2，一個周期內(nèi)總好氧時間僅有1.5h即可將氨氮氧化完全，從而可以節(jié)約能耗，提高節(jié)能效率，降低運行成本.并且，試驗中SBR2的節(jié)能優(yōu)化效果優(yōu)于SBR1.

2.4 交替模式對污泥特性的影響

圖6 短程狀態(tài)下Nso1225、NIT3的熒光原位雜交照片F(xiàn)ig.6 The image of Nso1225 and NIT3 under partial nitrification by FISH （1000times）

由全程硝化轉(zhuǎn)為短程硝化的過程中，菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，由NOB為優(yōu)勢菌種轉(zhuǎn)變?yōu)锳OB，圖6為短程狀態(tài)下AOB的FISH照片.從圖6（b）和（c）中可以看出，硝化細菌與氨氧化細菌的數(shù)量相比明顯較少，說明AOB是優(yōu)勢菌種，實現(xiàn)了短程硝化.

在交替缺氧好氧運行模式下，污泥的沉降性能良好，出水較為清澈.污泥容積指數(shù)（SVI）有下降的趨勢，并基本穩(wěn)定在60～80mL/g， SVI變化如圖7所示.在間歇曝氣的運行條件下，能減少泡沫問題的產(chǎn)生，SVI較低，但是不會消除［23-24］，亞硝酸鹽積累、絲狀菌是引起活性污泥系統(tǒng)SVI變化的主要原因［25］.所以，在這種交替運行模式下，不易發(fā)生絲狀菌污泥膨脹問題.

圖7 不同時間比下SVI隨時間的變化情況Fig.7 Variation of SVI at different time ratio

3 結(jié)論

3.1 采用先缺氧再好氧的交替運行模式有利于短程硝化的實現(xiàn).本試驗中，交替循環(huán)3次，在缺/好氧時間比為1：1和2：1條件下，分別用了31， 55d亞硝酸鹽積累率達到了90%，快速啟動了短程硝化，提高了啟動效率.

3.2 在交替缺/好氧模式下，具有較好的出水水質(zhì)，氨氮去除率幾乎在95%以上，COD出水低于50mg/L，總氮去除率在70%左右，提高了污染物去除效率，且SVI穩(wěn)定在60～80mL/g.

3.3 從全程到短程的過程中，時間比為1：1時可快速實現(xiàn)短程硝化，AUR提高了67.5%；而時間比為2：1時，短程硝化啟動較慢，但AUR提高了89.8%.不同缺/好氧時間比下氨利用速率均有所提高，而時間比為2：1時的氨利用速率稍高，均培養(yǎng)出了較強的氨氧化菌，提高了節(jié)能效率.

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Optimization of efficiency on partial nitrification under the mode of alternating anoxic/oxic in sequencing batch reactor.

GAO Chun-di*， WANG Wei-xiao， LI Hao， JIAO Er-long， PENG Yong-zhen
（College of Environmental and Energy Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）.

China Environmental Science， 2015，35（2）：403～409

Using Sequencing Batch Reactor （SBR） treating domestic wastewater， quick start of partial nitrification was carried out through the mode of alternating anoxic/oxic. Time of achieved partial nitrification， treatment efficiency and ammonia utilization rate were investigated in different ratio of anoxic/oxic time. The results showed that the ratio of anoxic/oxic time was 1：1and 2：1， while two systems nitrite accumulation rate raised to 90% after 31days and 55days respectively， the state of partial nitrification was stable. Besides， ammonia removal efficiency was attained above 95% and the COD effluent concentration was less than 50mg/L. The total nitrogen removal was enhanced about 20%， and pollutants removal efficiency was increased. Form the complete nitrification to the partial nitrification， ammonia utilization rate increased 67.5% and 89.8% respectively， at the same time， efficiency of the partial nitrification was improved. Meanwhile， sludge had significantly better settling performance， sludge volume index was stable at 60～80mL/g.

waste water；alternating anoxic aerobic；partial nitrification；ammonia utilization rate；sedimentation

X703.1

A

1000-6923（2015）02-0403-07

高春娣（1973-），女，河北唐山人，教授，博士，主要從事污水處理理論與技術(shù)，污泥膨脹理論與控制方法.發(fā)表論文20余篇.

2014-05-13

國家自然科學(xué)基金項目（51478012）；國家青年自然科學(xué)基金（51108005）；北京市教育委員會科技計劃項目（KM201410005009）

* 責(zé)任作者， 教授， gaochundi@bjut.edu.cn