低水溫SBR工藝基質(zhì)去除規(guī)律研究

福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)院 馮昭華

?

低水溫SBR工藝基質(zhì)去除規(guī)律研究

福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)院 馮昭華

該文全面探究了低水溫SBR工藝基質(zhì)去除規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在SBR進(jìn)水階段，由于吸附和稀釋作用，基質(zhì)濃度下降迅速（COD、氨氮和總磷的降幅分別為50%、60%～70%和70%～80%），而后的曝氣充氧初期，由于空氣微泡的沖散作用，出現(xiàn)些許濃度反彈。

低水溫 SBR工藝 基質(zhì) 去除

1 前言

目前，國(guó)內(nèi)外城市污水的處理絕大多數(shù)是采用以活性污泥法為主的生物處理工藝[1-2]。作為傳統(tǒng)活性污泥法的發(fā)展，SBR工藝現(xiàn)已被普遍用于城市污水處理中，特別是對(duì)于中、小型規(guī)模的污水處理。

SBR（Sequencing Batch Reactor）工藝[3]，亦稱為序批式活性污泥法，是一種利用微生物在同一反應(yīng)器內(nèi)按照規(guī)定的時(shí)間順序依次完成進(jìn)水、曝氣反應(yīng)、沉淀、潷水和閑置五道工序的污水處理技術(shù)，其流態(tài)上屬完全混合型，而在有機(jī)物降解方面卻屬于時(shí)間上的推流。

溫度作為影響微生物正常生理活動(dòng)的重要因素之一，能影響生物酶促反應(yīng)、微生物細(xì)胞的增殖和內(nèi)源代謝過(guò)程、氧在水中總轉(zhuǎn)移系數(shù)和飽和溶解氧濃度、污泥膨脹和水的粘滯性。通常，活性污泥微生物的最適生長(zhǎng)溫度范圍為15～30℃，當(dāng)污水水溫低于10℃時(shí)，即可對(duì)活性污泥的生長(zhǎng)發(fā)育和功能產(chǎn)生不利影響，從而直接影響出水水質(zhì)。因此，從污泥微生物的活性大小來(lái)考慮，可將低于15℃的水稱為低溫水。

在秋、冬季節(jié)，我國(guó)大部分城市均處于低溫環(huán)境，而城市污水處理廠規(guī)模通常較大，且均是建在室外。作為處理核心的微生物受季節(jié)溫度變化的影響很大，這給污水處理帶來(lái)了很大的困難，尤其在寒冷地區(qū)的冬季。所以，秋、冬季低溫污水是城市污水處理中的難點(diǎn)[4-5]，本研究就低水溫SBR工藝基質(zhì)去除規(guī)律作些有益的實(shí)驗(yàn)研究和探討。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

本文研究對(duì)象主要是城市生活污水。為了使實(shí)驗(yàn)更切合城市污水實(shí)際，將整套實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置在某城市污水治理廠進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具體可見(jiàn)圖1示意。

圖1 低水溫SBR工藝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

設(shè)計(jì)SBR生化反應(yīng)池總?cè)莘e為9m3（L×W×H＝1.5m×1.5m×4.1m），有效容積約8.55m3，周期處理水量約3.3m3。池底勻布著德國(guó)REHAU公司生產(chǎn)的規(guī)格500mm的RAUBIOXON曝氣管，采用虹吸管式潷水器實(shí)現(xiàn)出水外排。通過(guò)PLC自控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)SBR整個(gè)周期（進(jìn)水、曝氣、沉淀、潷水和閑置5道工序）的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

本實(shí)驗(yàn)研究中，進(jìn)水為污水處理廠初沉池的出水，生物接種、培養(yǎng)源自曝氣池內(nèi)的活性污泥，需分析測(cè)試的水質(zhì)指標(biāo)和方法主要為COD（庫(kù)侖法，GB/T11914-1989）、氨氮（納氏試劑分光光度法，GB/T7479-1987）、總磷（鉬銻抗分光光度法，GB/T7479-1987）和pH值（玻璃電極法）。

考慮到城市污水濃度偏低（進(jìn)水COD為90～220mg/L），為了全面考察SBR工藝在低水溫狀態(tài)下的基質(zhì)去除規(guī)律，本研究同時(shí)還通過(guò)補(bǔ)充蔗糖、尿素和KH2PO4等人為地提高進(jìn)水濃度，以探究高濃度條件下該工藝的基質(zhì)去除規(guī)律。

3 分析與討論

3.1 COD 去除規(guī)律

由于城市污水中含有大量可溶性有機(jī)物質(zhì)和膠體，所以COD生物降解過(guò)程自污水進(jìn)入SBR反應(yīng)池后就馬上開(kāi)始。此時(shí)，活性污泥經(jīng)閑置期后變得“饑餓”，一旦污水進(jìn)入反應(yīng)池，活性污泥絮粒因具有強(qiáng)大的吸附力，可將可溶性、呈膠體狀的有機(jī)物吸附在絮粒周圍，直至吸附達(dá)到飽和狀態(tài)。另一方面，通過(guò)生物酶的作用，被吸附的有機(jī)物進(jìn)行溶解，吸納進(jìn)入細(xì)胞，供自身生命活動(dòng)的需要。此外，由于SBR每次潷水量?jī)H為有效池容的30％～40％，池內(nèi)始終保持著60％～70％污泥混合液，所以進(jìn)水初期污水可得到一定程度的稀釋。如圖2、圖3 所示，進(jìn)水階段COD下降得都較快，進(jìn)水完畢時(shí)其值通?？山抵猎瓹OD值的50％左右。

圖2 低水溫SBR工藝高濃度COD降解曲線

（MLSS=1.36g/L，水溫15℃，進(jìn)水1hr，SBR周期14hr）

圖3 低水溫SBR工藝低濃度COD降解曲線

（MLSS=2.0g/L，水溫12℃，進(jìn)水1hr，SBR周期8hr）

進(jìn)水完畢后，反應(yīng)進(jìn)入短暫的厭氧期，此時(shí)DO濃度可降到0.2mg/L以下，COD降解變得緩慢，其值變化不大。

本研究特別發(fā)現(xiàn)的是，反應(yīng)進(jìn)入隨后的曝氣階段，該階段初期COD有時(shí)還存在小幅的上升反彈。這是因?yàn)樵谶M(jìn)水期和厭氧期，活性污泥絮粒的周圍被有機(jī)物包圍，基本上均已達(dá)到飽和狀態(tài)，反應(yīng)一旦進(jìn)入曝氣階段，由于曝氣的原因，污泥絮體周圍被吸附的松散有機(jī)物被空氣微泡沖散，導(dǎo)致反應(yīng)混合液的COD出現(xiàn)反彈現(xiàn)象（見(jiàn)圖2、圖3所示）。

隨著SBR池內(nèi)DO濃度的逐漸提高，反應(yīng)進(jìn)入了快速好氧降解COD狀態(tài)。但到了曝氣后期，降解曲線漸趨平緩，此時(shí)出水BOD／COD多在0.10左右，表明可生物降解的有機(jī)基質(zhì)已消耗殆盡，進(jìn)一步降解的空間十分有限。

最后進(jìn)入沉淀、潷水階段，池內(nèi)多處于缺氧環(huán)境，但殘存的DO仍可維持有機(jī)物的降解需要，只是經(jīng)過(guò)前面幾個(gè)階段的反應(yīng)，COD的降解已基本達(dá)到出水要求。但是，此時(shí)由于反硝化過(guò)程需消耗一定量的碳源，所以COD仍能維持緩慢的降解，直至最終出水外排。

3.2 氨氮去除規(guī)律

城市污水中含有一定量的氨氮，其在SBR工藝中的去除規(guī)律可見(jiàn)圖4、圖5所示。

圖4 低水溫SBR工藝高濃度氨氮降解曲線

（MLSS=1.36g/L，水溫15℃，進(jìn)水1hr，SBR周期14hr）

圖5 低水溫SBR工藝低濃度氨氮降解曲線

（MLSS=2.0g/L, 水溫12℃, 進(jìn)水1hr, SBR周期8hr）

在進(jìn)水期，同樣由于稀釋和活性污泥絮粒的吸附作用，氨氮濃度大幅下降，降幅可達(dá)60％～70％左右的水平，經(jīng)短暫的厭氧期后，氨氮濃度也基本保持不變。但是，一旦進(jìn)入曝氣期，隨著池內(nèi)DO濃度的不斷升高，氨氮在好氧硝化菌作用下發(fā)生硝化反應(yīng)，濃度不斷下降并轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮。然后，在缺氧階段通過(guò)反硝化過(guò)程最終使得氮元素以氮?dú)庑问綇姆磻?yīng)池中被釋放出來(lái)，從而完成除氮的目的。

3.3 總磷去除規(guī)律

由于城市污水中TP含量較低（該廠污水的總磷含量?jī)H為0.2mg/L）。通常，在生物處理中需要維持C：N：P≈100：5：1左右的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，微生物才能進(jìn)行正常的新陳代謝活動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)研究是為了全面探究SBR工藝中總磷的去除規(guī)律，故通過(guò)人工投加KH2PO4的方式，使污水中的TP含量提高到1.88mg/L左右。

圖6 低水溫SBR工藝總磷降解曲線

（MLSS=1.36g/L，水溫15℃，進(jìn)水1hr，SBR周期14hr）

由圖6所示，進(jìn)水期內(nèi)反應(yīng)池內(nèi)的TP含量迅速下降，降幅可達(dá)70％～80％左右，原因同前，此時(shí)處于低能量的饑餓狀態(tài)的污泥絮粒相互凝聚成“團(tuán)塊”，迅速吸附溶解性的TP，并開(kāi)始進(jìn)行細(xì)胞能量物質(zhì)ATP的制造。在厭氧階段，聚磷菌將污水中易分解的有機(jī)物攝入體內(nèi)貯存起來(lái)，作為好氧吸磷的能源儲(chǔ)備，同時(shí)將體內(nèi)的聚磷酸水解，變成正磷酸釋放到體外，使得污水中的 TP迅速提高，本實(shí)驗(yàn)中甚至反彈達(dá)到1.26 mg/L。隨后由于因細(xì)菌體內(nèi)能量消耗而需吸取釋放到污水中的磷作為合成能量的貯備物，故TP值有些緩慢下降。進(jìn)入曝氣階段后，聚磷菌的過(guò)量吸磷使得水中TP較快速下降，但到了曝氣后期TP含量下降速度有所放緩。特別是，到了缺氧段，由于系統(tǒng)內(nèi)存在的大量硝態(tài)氮抑制了聚磷菌在低濃度DO條件下的放磷行為，使得最終出水總磷僅為0.122mg/L的低含量。

3.4 系統(tǒng)內(nèi)pH值變化規(guī)律

城市污水成分復(fù)雜，通常呈現(xiàn)出不同的酸堿性。該污水廠的污水pH值呈弱堿性，而且夜間pH值大于白天，但總體而言均小于8.0。本實(shí)驗(yàn)探究了SBR系統(tǒng)中pH在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中的變化規(guī)律，可見(jiàn)圖7、圖8所示。

在SBR系統(tǒng)中，進(jìn)行的是厭氧—好氧—缺氧的反應(yīng)過(guò)程，在污水進(jìn)入系統(tǒng)后，系統(tǒng)內(nèi)的聚磷菌進(jìn)行厭氧條件下的放磷，產(chǎn)生出H3PO4，使得系統(tǒng)內(nèi)pH值略有降低。當(dāng)聚磷菌的放磷達(dá)到最大值后，因維持自身能量的要求，需進(jìn)行磷的吸取以合成能量貯備物，其進(jìn)行的反應(yīng)將OH－釋放到系統(tǒng)中，從而使pH值又有回升。在好氧階段，由于好氧代謝產(chǎn)生的CO2被吹脫，pH值繼續(xù)上升，但由于聚磷菌吸磷釋放的OH－有部分被硝化反應(yīng)產(chǎn)生的H+而被抵消，所以系統(tǒng)pH值上升幅度不大。進(jìn)入缺氧期，反硝化過(guò)程產(chǎn)生的少量H+使系統(tǒng)的pH值略有下降，直至最終出水外排。

圖7 低水溫SBR工藝高濃度系統(tǒng)內(nèi)pH變化曲線

（MLSS=1.36g/L,水溫15℃,進(jìn)水1hr,SBR周期14hr）

圖8 低水溫SBR工藝低濃度系統(tǒng)內(nèi)pH變化曲線

（MLSS=2.0g/L, 水溫12℃, 進(jìn)水1hr, SBR周期8hr）

4 結(jié)論

4.1 對(duì)于高、低濃度的城市污水，低水溫SBR工藝對(duì)基質(zhì)（COD、氨氮和總磷）的去除規(guī)律大致相同。

4.2 隨著SBR周期反應(yīng)進(jìn)程，污水中基質(zhì)濃度的變化總體規(guī)律為：先迅速下降后緩升，然后較快速下降再趨緩，直至出水外排。

4.3 本研究中特別發(fā)現(xiàn)，在SBR進(jìn)水階段，由于吸附和稀釋作用，基質(zhì)濃度下降迅速（COD、氨氮和總磷的降幅分別為50％、60％～70％和70％～80％），而后的曝氣充氧初期，由于空氣微泡的沖散作用導(dǎo)致出現(xiàn)些許濃度反彈。

4.4 SBR系統(tǒng)pH值，隨著反應(yīng)的進(jìn)程表現(xiàn)為先降后升、再趨平緩，總體上能保持pH在7.0附近。

[1] 周群英,等.環(huán)境工程微生物學(xué)[M].北京:高等教育出版社, 2000.

[2] C.P.Leslie Grady, G. T. Daigger, Henry C.L.張錫輝等,譯.廢水生物處理:改編和擴(kuò)充[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

[3] 方先金. SBR工藝特性及降解過(guò)程的研究[J]. 給水排水,2000,26(7)：18-21.

[4] 白曉慧,王寶貞.寒冷地區(qū)城市污水處理廠改進(jìn)工藝的運(yùn)行效能[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué),2001,21(1):70-73.

[5] 崔洪升等.寒冷地區(qū)城市污水處理廠污泥膨脹及其控制方法[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 2001,34(2):79-82.