間歇曝氣SBR工藝處理特性及動(dòng)力學(xué)研究

金明姬等

摘要：試驗(yàn)采用曝氣-攪拌-曝氣相結(jié)合的間歇曝氣SBR工藝處理模擬廢水，探討不同有機(jī)容積負(fù)荷條件下，系統(tǒng)對(duì)COD、TN與TP的處理特性，并進(jìn)行相關(guān)動(dòng)力學(xué)研究。結(jié)果表明，0.70-1.96 kgCOD/（m3·d）有機(jī)容積負(fù)荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)COD、TN與TP去除率隨負(fù)荷無明顯變化趨勢，處理效果穩(wěn)定，耐沖擊負(fù)荷。在所有運(yùn)行期間，系統(tǒng)COD、TN與TP平均去除率均大于96%，處理效果顯著。據(jù)試驗(yàn)所得，在0.70-1.96 kgCOD/（m3·d）有機(jī)容積負(fù)荷范圍內(nèi)，間歇曝氣SBR工藝COD降解動(dòng)力學(xué)模型為[（So-Se）·Q]/XV=（1.31×Se）/（194.96+Se），TN降解動(dòng)力學(xué)模型為[（So-Se）·Q]/XV=（0.02×Se）/（3.42+Se）。

關(guān)鍵詞：間歇曝氣SBR工藝；有機(jī)容積負(fù)荷；動(dòng)力學(xué)模型

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）15-3613-04

Abstract： The simulated wastewater was treated in SBR with intermittent aeration contained three parts： aeration-stirring-aeration. Study on the removal characteristics of COD， TN， TP and the kinetics at different organic volume loading in the system. At 0.70-1.96 kgCOD/（m3·d）， the removal efficiency of COD， TN， TP had no significant trends with the changing of organic volume loading， the removal efficiency was stable and the system was anti-shock loading. In the whole stages， the average removal efficiency was over 96% in the system so the removal efficiency was significant. At 0.70-1.96 kgCOD/（m3·d）， the kinetic model of COD was[（So-Se）·Q]/XV=（1.31×Se）/（194.96+Se） and TN was [（So-Se）·Q]/XV=（0.02×Se）/（3.42+Se） in the SBR with intermittent aeration.

Key words： SBR with intermittent aeration； organic volume loading； kinetic model

序批式活性污泥法（Sequencing batch reactor，SBR）是20世紀(jì)70年代初由美國開發(fā)出的污水處理工藝[1]。該工藝是在單一曝氣池內(nèi)通過時(shí)間的交替實(shí)現(xiàn)進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水等運(yùn)行過程的處理技術(shù)。與傳統(tǒng)活性污泥法相比，SBR工藝由于其運(yùn)行方式的獨(dú)特性，具有結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，管理方便，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。目前，隨水體富營養(yǎng)化問題的日趨嚴(yán)重[5]，SBR工藝廣泛應(yīng)用于生物脫氮除磷領(lǐng)域。SBR工藝以其靈活多變的操作為基礎(chǔ)，通過間歇曝氣的運(yùn)行模式，在生物反應(yīng)池內(nèi)易形成好氧、缺氧及厭氧等不同的運(yùn)行環(huán)境。實(shí)現(xiàn)生物脫氮過程中的硝化、反硝化反應(yīng)，以及生物除磷過程中的厭氧釋磷、好氧吸磷過程[6-9]。本研究采用曝氣-攪拌-曝氣相結(jié)合的間歇曝氣運(yùn)行方式，考察間歇曝氣SBR工藝對(duì)有機(jī)物及氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的處理特性；同時(shí)，進(jìn)行相關(guān)動(dòng)力學(xué)模型研究，探求有關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，建立間歇曝氣SBR工藝污染物降解動(dòng)力學(xué)模型。為工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)裝置如圖1所示，由有機(jī)玻璃加工而成，反應(yīng)池液體有效容積為34 L，在離上水位8 L處設(shè)有排水口。反應(yīng)池上設(shè)有曝氣裝置、攪拌裝置及時(shí)間控制器等。曝氣裝置用于曝氣，攪拌裝置用于缺氧攪拌，時(shí)間控制器用于調(diào)整曝氣與攪拌等不同的運(yùn)行狀態(tài)。

試驗(yàn)采用自配的模擬廢水，廢水結(jié)合微生物生長所需營養(yǎng)成分，以葡萄糖、（NH4）2SO4和K2HPO4作為碳源、氮源及磷源，外加部分微量元素配制而成。試驗(yàn)根據(jù)不同試驗(yàn)要求按比例調(diào)整了其進(jìn)水濃度。試驗(yàn)用活性污泥取自城市污水處理廠二沉池的回流污泥。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用間歇運(yùn)行模式，其運(yùn)行周期為12 h，日處理量為16 L。結(jié)合生物脫氮除磷機(jī)理如圖2，試驗(yàn)采用曝氣-攪拌-曝氣相結(jié)合的間歇曝氣運(yùn)行方式，曝氣與攪拌時(shí)間分別為5 h。試驗(yàn)以有機(jī)容積負(fù)荷為變量，考察了不同負(fù)荷條件下，間歇曝氣SBR工藝對(duì)COD、TN及TP的處理特性。試驗(yàn)將進(jìn)水負(fù)荷從0.70依次提高到1.03、1.44、1.70及1.96 kgCOD/（m3·d）等不同條件。

水質(zhì)的檢測參照國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》[10]，MLSS采用105 ℃干燥減重法，COD采用重鉻酸鉀法，TN采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法。

2 結(jié)果與分析

2.1 間歇曝氣SBR工藝處理對(duì)COD處理效果的影響

如圖3所示，運(yùn)行期間COD進(jìn)水濃度在1 169.2～4 340.6 mg/L，出水濃度在24.6～210.1 mg/L范圍內(nèi)。在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）負(fù)荷范圍內(nèi)，COD出水濃度隨負(fù)荷的增加呈上升趨勢。在0.70 kgCOD/（m3·d）與1.03kgCOD/（m3·d）條件下，COD平均出水濃度分別為38.8 mg/L與56.4 mg/L，滿足了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)（60 mg/L）[11]。

在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）不同負(fù)荷條件下，COD平均去除率依次為97.3%、97.4%、96.7%、97.0%和95.4%；隨負(fù)荷的增加，去除率無明顯變化趨勢，處理效果穩(wěn)定，系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。整個(gè)運(yùn)行期間，COD平均去除率為96.8%，系統(tǒng)對(duì)COD處理效果顯著。

2.2 間歇曝氣SBR工藝處理對(duì)TN處理效果的影響

如圖4所示，運(yùn)行期間TN進(jìn)水濃度在23.1～92.1 mg/L，出水濃度在0.8～7.7 mg/L范圍內(nèi)。在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）負(fù)荷范圍內(nèi)，TN出水濃度隨負(fù)荷的增加呈上升趨勢；但0.70～1.70 kgCOD/（m3·d）范圍內(nèi)，其變化幅度較小；負(fù)荷上升至1.96 kgCOD/（m3·d）時(shí)，其變化幅度相對(duì)較大。在整個(gè)運(yùn)行期間，出水濃度均滿足了一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)（20 mg/L）。

在0.70～1.70 kgCOD/（m3·d）負(fù)荷范圍內(nèi)，TN去除率無明顯變化趨勢，處理效果穩(wěn)定；而負(fù)荷上升至1.96 kgCOD/（m3·d）時(shí)去除率有所下降，但此階段平均去除率為94.2%，去除效果仍較高。隨負(fù)荷的增加活性污泥中降解有機(jī)物的異養(yǎng)微生物生長迅速，易形成優(yōu)勢種，抑制參與生物脫氮過程的硝化菌生長，故負(fù)荷增加至一定條件時(shí)，去除率呈下降趨勢[12，13]。在曝氣-攪拌-曝氣相結(jié)合的運(yùn)行方式中，前置曝氣與攪拌為生物脫氮提供了較好的硝化與反硝化環(huán)境，故整個(gè)運(yùn)行期間，TN平均去除率較高，為96.2%，系統(tǒng)對(duì)TN去除效果顯著。

2.3 間歇曝氣SBR工藝處理對(duì)TP處理效果的影響

如圖5所示，運(yùn)行期間TP進(jìn)水濃度在8.1～27.9 mg/L，出水濃度在0.2～0.9 mg/L范圍內(nèi)。在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）負(fù)荷范圍內(nèi)，TP出水濃度隨負(fù)荷的增加呈先下降后上升趨勢。但整個(gè)運(yùn)行期間，出水濃度均滿足一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)（1 mg/L），且變化幅度較小。

在0.70 kgCOD/（m3·d）低負(fù)荷條件下，TP去除率較低；而隨負(fù)荷的增加去除率上升，在1.03～1.96 kgCOD/（m3·d）負(fù)荷范圍內(nèi)去除率無明顯變化趨勢，處理效果穩(wěn)定。低負(fù)荷條件有利于硝化菌的生長，而反硝化反應(yīng)因缺少碳源受到抑制，故硝酸鹽得到富集[14]。據(jù)研究表明，硝化過程中產(chǎn)生的硝酸鹽對(duì)生物除磷過程中的厭氧釋磷有抑制作用，故低負(fù)荷條件下TP的去除率最低[15，16]。在間歇曝氣系統(tǒng)中，攪拌與后置曝氣為生物除磷提供了較好的厭氧釋磷與好氧吸磷環(huán)境，整個(gè)運(yùn)行期間，TP平均去除率為96.1%，系統(tǒng)對(duì)TP去除效果顯著。

2.4 基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)研究

生物處理過程中，基質(zhì)的降解導(dǎo)致微生物的增長。在動(dòng)力學(xué)研究中，較好反應(yīng)基質(zhì)降解與微生物增長間關(guān)系的方程有Monod方程[17-19]（公式1）。SBR工藝在反應(yīng)階段發(fā)生基質(zhì)降解與微生物的增長[20]，故間歇曝氣SBR工藝動(dòng)力學(xué)模型符合Monod方程。

v=vmax·■ （1）

按物理意義，基質(zhì)降解速率為單位時(shí)間單位污泥所去除的污染物量，故基質(zhì)降解速率又可表示為式2，式中dS/dt又可表示為式3。

v=■·■ （2）

■=■ （3）

將式1、式2與式3進(jìn)行整合，可得間歇曝氣SBR工藝基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)模型如式4。

■=vmax·■ （4）

式中，S0與Se分別為污染物進(jìn)出水濃度（mg/L），Q為進(jìn)水量（L），V為反應(yīng)器有效容積（L），X為混合污泥濃度（mg/L），Vmax為最大比降解速率（d-1），Ks為飽和常數(shù)（mg/L）。

試驗(yàn)中，V與Q為恒定值，穩(wěn)定狀態(tài)下，X幾乎保持不變。試驗(yàn)通過改變進(jìn)水濃度（S0），測不同條件下的出水濃度（Se）；以1/Se與XV/[（S0-Se）·Q]為橫縱坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸，求動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax與Ks，并建立基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)模型。

結(jié)合不同負(fù)荷條件下，廢水中COD、TN、TP的進(jìn)出水濃度與微生物濃度，以1/Se與XV/[（S0-Se）·Q]為橫縱坐標(biāo)作圖，其結(jié)果如圖6。從圖6可知，COD、TN擬合結(jié)果相關(guān)性較好，而TP擬合結(jié)果相關(guān)性差，相關(guān)系數(shù)（R2）僅為0.130 6，故文章只對(duì)COD與TN進(jìn)行了進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)研究。

圖6中直線斜率為KS/Vmax，在縱坐標(biāo)上的截距為1/Vmax。由此所得Vmax與Ks值，以及所建動(dòng)力學(xué)模型如表1所示。

為進(jìn)一步驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的科學(xué)性，將不同負(fù)荷條件下COD與TN出水濃度模型預(yù)測值與實(shí)測值進(jìn)行了比較，比較采用卡方（χ2）檢驗(yàn)。結(jié)果如表1，COD與TN卡方（χ2）值分別為9.45與0.75，χ2<χ20.05，4=9.49，P>0.05，預(yù)測值與實(shí)測值無明顯差異，在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）負(fù)荷范圍內(nèi)，模型可較好的預(yù)測間歇曝氣SBR系統(tǒng)出水水質(zhì)，在工程實(shí)踐中具有一定的意義。

3 結(jié)論

1）在0.70-1.03 kgCOD/（m3·d）有機(jī)容積負(fù)荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)COD出水濃度滿足了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)；在0.7-1.96 kgCOD/（m3·d）負(fù)荷范圍內(nèi)，TN與TP出水濃度均滿足了一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

2）在不同有機(jī)容積負(fù)荷條件下，COD、TN與TP去除率無明顯變化趨勢，系統(tǒng)處理效果穩(wěn)定，耐沖擊負(fù)荷。在所有運(yùn)行期間，COD、TN與TP平均去除率均達(dá)到96%以上，系統(tǒng)處理效果顯著。

3）據(jù)試驗(yàn)所得，0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）有機(jī)容積負(fù)荷范圍內(nèi)，間歇曝氣SBR工藝COD降解動(dòng)力學(xué)模型為[（SO-Se）·Q]/XV=（1.31×Se）/（194.96+Se），TN降解動(dòng)力學(xué)模型為[（SO-Se）·Q]/XV/=（0.02×Se）/（3.42+Se）。通過對(duì)模型的驗(yàn)證，模型在一定負(fù)荷范圍內(nèi)，可較好地預(yù)測系統(tǒng)出水水質(zhì)，在工程實(shí)踐中具有一定意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王凱軍，宋英豪.SBR工藝的發(fā)展類型及其應(yīng)用特性[J].中國給水排水，2002，18（7）：23-26.

[2] 王 凱，王淑瑩，朱如龍，等.改進(jìn)SBR處理垃圾滲濾液深度脫氮的啟動(dòng)與實(shí)現(xiàn)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，43（2）：386-391.

[3] NI B J，XIE W M，LIU S G，et al. Modeling and simulation of the Sequencing batch reactor at a full scale municipal wastewater treatment plant[J]. AIChE Journal， 2009， 55（8）： 2186-2196.

[4] SHAW A， WATTS J， FAIREY A W， et al. Intelligent sequencing batch reactor control from theory， through modeling to full scale application[J]. Water Science and Technology， 2009， 59（1）： 167-173.

[5] SEVIOUR R J， MINO T， ONUKI M. The microbiology of biological phosphorus removal in activated sludge systems[J]. FEMS Microbiology Reviews，2006，27（1）：99-127.

[6] 田立江，姚志彬.SBR工藝與CASS工藝的比較[J].江蘇環(huán)境科技，2003，16（2）：14-15，21.

[7] 張?zhí)m河，周廣吉，龐香蕊，等.溫度對(duì)AOA-SBR工藝同步脫氮除磷的影響[J].化工進(jìn)展，2013，32（12）：3002-3014.

[8] WINKLER M， COATS E R·，BRINKMAN C K. Advancing post-anoxic denitrification for biological nutrient removal[J]. Water Research，2011， 45（18）： 6119-6130.

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

[10] 國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測分析方法[M].第四版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[11] GB18918—2002，城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[12] 侯紅娟，王洪祥，周 琪.進(jìn)水COD濃度及C/N值對(duì)脫氮效果的影響[J].中國給水排水，2005，21（12）：19-23.

[13] 高大文，彭勇臻，王淑澄.不同控制模式下SBR的短程硝化反硝化[J].中國給水排水， 2004，20（6）：9-11.

[14] DASSANAYAKA C Y， IRVINE R L. An enhanced biological phosphorus removal（EBPR） control strategy for sequencing batch reactor（SBRs）[J]. Water Science and Technology， 2001， 43（3）： 183-189.

[15] 王 建，陳文兵，黃傳偉，等.序批式生物膜法除磷技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2008，22（3）：22-24.

[16] JIANG Y F，WANG L，WANG B Z，et al. Biological nitrogen removal with enhanced phosphate uptake in （AO）2 SBR using single sludge system[J]. Journal of Environmental Sciences， 2004，16（6）：1037-1040.

[17] 梅子鯤，任祎博，魏毛毛.處理城市污水好氧顆粒污泥的培養(yǎng)與動(dòng)力學(xué)研究[J].科技與生活，2010（5）：93-106.

[18] 方戰(zhàn)強(qiáng)，陳曉蕾，成 文，等.SBR降解動(dòng)力學(xué)研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2009，3（4）：659-663.

[19] QUESNEL D，NAKHLA G.Optimization of the aerobic biological treatment of them ophilically treated refractory wastewater[J].Journal of Hazardous Materials，2005，B125： 221-230.

[20] 陳 平，程建光.SBR法處理焦化廢水的有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006，16（11）：169-170.