SBR反應器同步硝化反硝化影響因素及其特性

馬 放，李 平，張曉琦，孫靜文，王弘宇，張 佳

(哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱，mafang@hit.edu.cn)

SBR反應器同步硝化反硝化影響因素及其特性

馬 放，李 平，張曉琦，孫靜文，王弘宇，張 佳

(哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱，mafang@hit.edu.cn)

為進一步探討同步脫氮機理和提高反應系統同步硝化反硝化效率，利用培養馴化出高效同步硝化反硝化活性污泥，研究有機物負荷、溶氧和溫度等因素對SBR反應器同步硝化反硝化脫氮效能的影響.結果表明:當溫度為25～30℃、pH為7～9時，系統脫氮效果較好;當碳氮比在1∶1～8∶1時，COD、氨氮、TN去除率隨著碳氮比的升高而降低，分兩次投加有機物有利于提高好氧反硝化同步脫氮效果;當曝氣量在0.12～0.80 L·min－1時，氨氮去除率隨曝氣量的升高而升高，最后穩定在99.8%以上;TN去除率隨曝氣量升高先升高后降低，在曝氣量為0.2 L·min－1時達到最大值95.52%;COD去除率一直穩定在91%以上，曝氣量的改變對COD去除率的影響不明顯.系統溫度為25～30℃、碳氮比為1.5∶1、曝氣量為0.2 L·min－1、pH為7～9時，分兩次投加有機物同步脫氮效果最優.

同步硝化好氧反硝化;有機物;曝氣量;溫度;pH

同步硝化反硝化(Simultaneous nitrification and denitrification，SND)生物脫氮技術的出現為在同一個反應器內同時實現硝化、反硝化和除碳提供了可能，這一方法克服了傳統生物脫氮存在的問題，還具有能縮短脫氮歷程、節省碳源、降低動力消耗、提高處理能力、簡化系統的設計和操作等優點［1－5］.Ying － Chih［6］、柯國華等［7］發現，碳氮比是實現同步硝化好氧反硝化的關鍵因素，當進水碳氮比較低時，廢水中有機物很快就會缺乏，硝化和反硝化反應難以達到平衡.李曉璐等［8］研究了SBR系統中pH值對同步硝化反硝化的影響.在進水水質和反應條件相同時，將pH值控制8. 5，出水水質最好，COD去除率達90.0%，總氮去除率達99.4%.文獻［9］通過控制溶解氧質量濃度觀察到同步硝化反硝化現象的存在，TN損失在58%以上.文獻［10］發現進水 TN為80～110 mg·L－1和溶解氧質量濃度為 0.8～4.0 mg·L－1時，NH3－N 去除率達100%，TN 去除率達54% ～77%，并建議將NH3－N降解到零或最小值的時刻作為同步硝化和反硝化的結束點.鄒聯沛等［11］發現在 DO 為 1.0 mg·L－1，MLSS為8～9 g·L－1，溫度為24℃，進水pH 值為7. 2，COD、NH3－N分別為 523和 17.24～24.00 mg·L－1的相對穩定條件下，同步硝化反硝化對氨氮和總氮的去除率分別達95%和92%.胡宇華等［12］為保證反硝化后期體系中碳氮比維持在微生物所需的水平，提出了補料的方式，使得氨氮降解不會出現停滯階段，可以達到較好的去除效果.

實現高效同步硝化反硝化首要解決的問題是將進水氨氮質量濃度、進水COD質量濃度、DO質量濃度及溫度等影響同步硝化反硝化效果的關鍵因素保持在一個合適的范圍內.因此，研究探索反應器中脫氮效能的最佳條件，對實現同步硝化反硝化脫氮反應系統高效穩定運行具有重要的意義.本研究利用培養馴化出的高效同步硝化反硝化活性污泥，重點研究有機物、溶解氧和溫度等因素對SBR反應器中同步硝化反硝化脫氮效能的影響，探索硝化反硝化一體化工藝的規律和特性，優化反應器運行條件，為該工藝在今后實際生產中的應用奠定基礎.

1 試驗

1.1 試驗裝置

采用SBR反應器，有效容積為3 L.混合液中的溶解氧通過轉子流量計控制進氣量;反應器內的溫度由電加熱棒控制，采用磁力攪拌器攪拌，使低曝氣量時反應器內各處混合均勻.反應器的運行周期為12 h，進水、排水各10 min，沉淀0.5 h.

1.2 試驗用水

表1 試驗配水

1.3 水質分析方法

采用國家標準方法［13］測定 COD、NO3－－N、NO2－－N、NH4+－N和TN，pHS－25型酸度計測量pH值，YSI5000型溶解氧測定儀測定DO.

2 結果與分析

2.1 有機物的影響

2.1.1 碳氮比的影響

固定氨氮起始質量濃度、在其他試驗條件不變的情況下，考察初始有機物質量濃度變化對SBR反應器中好氧反硝化同步脫氮性能的影響.試驗溫度控制在27℃，氣量為0.2 L·min－1，DO為2.4～4.5 mg·L－1，進水氨氮質量濃度97.13～160.2 mg·L－1，碳氮比分別為 1∶1、1.5∶1、3∶1、4∶1、6∶1、8∶1.不同碳氮比條件下同步硝化反硝化脫氮性能見表2.

由表2可知，當碳氮比在1∶1～8∶1變化時，COD去除率隨著碳氮比的升高而降低，而氨氮和TN去除率則先升高后降低，在碳氮比為1.5∶1時達到最大值，此后也是隨著碳氮比的升高而降低.分析可知，過低或是過高碳氮比條件下，有機物及氮素去除效果都明顯變差，特別是碳氮比過高時，出水氮素質量濃度高，有機物質量濃度也很高，幾乎達不到排放要求.碳氮比太高時，系統將發生“碳滲透”現象［14］，即過多的碳源阻礙了硝化作用的進行;碳氮比過低，不能提供微生物所需的碳素營養源，不利于整個系統微生物的生長，尤其是反硝化過程需要以有機碳源作為電子供體，有機碳源的缺乏會嚴重制約硝化作用的進行.

城市生活污水COD質量濃度一般為35～300 mg·L－1，本試驗在碳氮比為1.5∶1 時，氨氮、TN及COD去除率分別為99.86%，93.53%和99.7%的試驗結果對低質量濃度城市污水的好氧反硝化同步脫氮具有很好的借鑒意義.

表2 不同碳氮比條件下同步硝化反硝化脫氮性能

2.1.2 有機物投加方式的影響

試驗設計了3種有機物投加方式:

1)在進水時一次性投加較高質量濃度的有機物.進水 COD質量濃度為290.3 mg·L－1，氨氮、硝氮、亞硝氮及TN質量濃度分別為111.0、12.4、11.2、155.7 mg·L－1.控制 DO 質量濃度0.5 ～3.0 mg·L－1，溫度28 ℃.

2)進水時不添加有機物，反應4 h時添加一定質量濃度有機物.進水氨氮、硝氮、亞硝氮及TN質量濃度分別為 121.0、12.4、8.7、167.3 mg·L－1、反應4 h時添加有機物，使系統有機物質量濃度為295.1 mg·L－1，其他條件不變.

3)分兩次投加有機碳源.進水COD質量濃度為175.3 mg·L－1，氨氮、硝氮、亞硝氮及 TN 質量濃度分別為117.0、10.3、10.8、148.7 mg·L－1.第4小時添加一定量有機物，使COD質量濃度為205.1 mg·L－1，其他條件不變.

在進水時一次性投加有機碳源一方面會降低初始氨氮的降解速率，另一方面會滿足不了后續反硝化對碳源的需求.圖1為3種不同投加方式下一個周期內氨氮的質量濃度變化曲線.

圖1 不同投加方式下氨氮質量濃度變化

對3種投加方式氨氮去除效果進行統計學意義分析，根據試驗設置對實驗數據采用成對數據t檢驗中的單側檢驗，設置統計學意義水平a=0. 05，利用 excel數據分析工具計算得 t1－2=2.91 ＞ t單尾臨界=1. 78，即 P ＜ a=0.05;t1－3=3.90＞ t單尾臨界=1.78、P ＜ a=0. 05，統計分析得出的結論為有機物投加方式對氨氮降解影響差異有統計學意義.

從圖1可以看出，前4小時的反應，第2種碳源投加方式中氨氮降解得最快，其次為第3種投加方式.分析認為:系統進水有機物質量濃度較低時，無法為微生物生長和反硝化過程提供足夠的碳源，使反硝化過程受阻，導致硝氮和亞硝氮作為中間產物在系統中積累，阻礙了氨氮的降解.反之，系統進水有機物質量濃度較高時，異氧好氧菌迅速利用水中有機物和溶解氧，并因而影響硝化反應過程，使得后期反硝化反應也缺乏電子供體.比較不同投加方式出水氨氮質量濃度可知，采用第3種有機碳源投加方式時，可有效解決上述矛盾，使得出水氨氮的質量濃度較低.

圖2為3種不同投加方式下反應器一個周期內硝氮的質量濃度變化.第1種和第3種投加方式硝氮質量濃度在第1小時內都降低到 0，第2小時才開始逐漸升高，分別在第5小時和第4小時達到最大質量濃度.在第2小時，第2種投加方式硝氮降解到一定質量濃度便急劇升高，并在第4小時質量濃度達到最大.3種投加方式的出水硝氮都為0.對3種投加方式硝氮去除效果進行統計學意義分析，根據試驗設置對實驗數據采用成對數據t檢驗中的單側檢驗，設置統計學意義水平a=0. 05，利用 excel數據分析工具計算得t1－2=0.3 ＜ t單尾臨界=1.78、P1－2＞ a =0.05;t1－3=1.15 ＜ t單尾臨界=1.78、P1－3＞ a=0. 05，統計分析得出的結論為有機物投加方式對硝氮降解影響差異無統計學意義.

圖2 不同投加方式下硝氮質量濃度變化

圖3為3種不同投加方式下反應器一個周期亞硝氮質量濃度變化曲線.

圖3 不同投加方式下亞硝氮質量濃度變化

根據試驗設置對實驗數據采用成對數據t檢驗中的單側檢驗，設置統計學意義水平a=0. 05，利用excel數據分析工具計算得 t1－2=3.86＞t單尾臨界=1. 78，即 P ＜ a=0.05;t1－3=1.95 ＞t單尾臨界=1.78、P ＜ a=0. 05，統計分析得出的結論為有機物投加方式對亞硝氮積累影響差異有統計學意義.反應開始時亞硝氮質量濃度就有不同程度地積累，達到最大質量濃度后又開始降低.第2種投加方式亞硝氮積累速度最快，出水亞硝氮質量濃度最高，第3種投加方式的亞硝氮質量濃度達到峰值所需時間最長，第1種投加方式出水亞硝氮質量濃度最低.

圖4為3種不同投加方式下反應器一個周期TN的質量濃度變化曲線.3種投加方式的TN去除率分別為92.3%，89.2%和94.2%，對3種投加方式TN去除效果進行統計學意義分析，根據試驗設置對實驗數據采用成對數據t檢驗中的單側檢驗，設置統計學意義水平a=0. 05，利用excel數據分析工具計算得 t1－2=1.26＜ t單尾臨界=1.78、P1－2＞ a=0.05;統計分析得出的結論為有機物投加方式對TN降解影響差異無統計學意義.第1種和第2種投加方式對TN的去除過程差異無統計學意義.t1－3=3.63 ＞ t單尾臨界=1.78、P1－3＜a=0. 05，第1種和第3種有機物投加方式對氨氮降解影響差異有統計學意義，第3種投加方式的TN去除率高于另外兩種.

圖4 不同投加方式下TN質量濃度變化

由于COD比較易于降解，使得有機物的質量濃度很快就下降到較低值.由圖5可以看出，第1種投加方式進水 COD質量濃度為290.3 mg·L－1，反應4 h后，COD 質量濃度降為75.1 mg·L－1，有機物去除率達 75%左右.第 3種投加方式進水COD質量濃度為175.3 mg·L－1時，反應 3 h后，COD質量濃度就降低到50 mg·L－1以下.對3種投加方式COD去除效果進行統計學意義分析，根據試驗設置對實驗數據采用成對數據t檢驗中的單側檢驗，設置統計學意義水平a=0. 05，利用excel數據分析工具計算得t1－2=0.66 ＜ t單尾臨界=1.78、P1－2＞ a =0.05;t1－3=0.36 ＜ t單尾臨界=1.78、P1－3＞ a=0. 05，統計分析得出的結論為有機物投加方式對COD降解影響差異相對無統計學意義，3種投加方式的有機物去除率分別為96.9%，96.1%和97.2%.

圖5 不同投加方式下COD質量濃度變化

2.2 曝氣量的影響

溶解氧和有機碳源是同步硝化好氧反硝化過程中的關鍵因素.DO質量濃度范圍應能夠滿足硝化作用的需要又不嚴重抑制好氧反硝化作用［15］.DO過高或過低都會影響同步硝化反硝化的進行;好氧反應器中缺氧區的存在，控制操作條件可以實現 SND［16］.

反硝化作用受曝氣量的抑制，高曝氣量不利于反硝化作用，但是較低的曝氣量又將使硝化作用不完全，因而尋找一個適當的曝氣量才能夠使同步硝化好氧反硝化脫氮最為徹底［17］.通過控制不同的曝氣量來實現系統中DO質量濃度對同步硝化反硝化脫氮影響的條件試驗.當曝氣量在0.12～0.80 L·min－1變化時，反應器中 DO質量濃度在2.0～8.0 mg·L－1，反應過程中系統都處于好氧狀態.

當曝氣量在0.12～0.20 L·min－1變化時，隨著曝氣量的增大，出水氨氮和硝態氮質量濃度降低.當曝氣量為0.12 L·min－1時，出水氨氮質量濃度高達20.9 mg·L－1，并且出現了亞硝氮的積累現象.彭趙旭等［18］也發現當DO超過一定質量濃度時，逐漸升高的DO破壞了絮體內部的缺氧環境，反硝化反應受到抑制，導致SND率降低.亞硝氮質量濃度高于硝氮質量濃度也驗證了Bemet等［19］提出的機制缺乏競爭學說，在DO質量濃度較低的條件下，由于亞硝酸細菌氧飽和常數低于硝酸菌，導致亞硝酸細菌增長速率超過硝酸菌，活性污泥系統中出現亞硝氮的積累.但是，當曝氣量≥0.4 L·min－1時，出水硝氮質量濃度迅速升高，當曝氣量升高到0.8 L·min－1時，出水硝氮質量濃度升高到102.65 mg·L－1.

由圖6看出，氨氮去除率在曝氣量0.12 L·min－1時為78.84%，此后隨曝氣量的升高氨氮去除率一直穩定在99.8%以上;TN去除率隨曝氣量的升高先升高后降低，在曝氣量為0.2 L·min－1時達到最大值95.52%;整個過程中COD去除率一直穩定在91%以上，曝氣量的改變對COD去除率的影響不十分明顯.

圖6 不同DO條件下氨氮、TN、COD去除率

2.3 溫度的影響

硝化和反硝化反應的適宜溫度為20～30℃，低于15℃時，反應速度迅速下降，5℃時反應幾乎完全停止.試驗選擇了20、25和30℃ 3個溫度來考察溫度對同步硝化反硝化脫氮效果的影響.曝氣量控制為0.2 L·min－1，循環周期為12 h.

對細菌而言，在適宜的溫度范圍內溫度每提高10℃，酶促反應速度將提高1～2倍，代謝速率也相應提高.當溫度升高，細胞內的化學反應和酶反應加快，生長比較迅速，代謝活力增強.溫度在20～30℃變化時，溫度對TN去除率和氨氮去除率的影響比較明顯，兩者去除率隨溫度變化趨勢基本一致，都隨著溫度的升高而升高.溫度的變化影響硝化菌群的增長速率和代謝活性，硝化菌群的比增值速率與溫度的關系服從Arrhenius方程.溫度對反硝化菌的影響要小于對亞硝酸菌的，隨著溫度的升高，同步反硝化效果相對得到了加強［20］.好氧反硝化同步脫氮最適宜的溫度為25～30℃.隨著溫度的升高，硝化和反硝化活性都增強.由圖7可以看出，30℃時總氮和氨氮的去除率都達到最高，分別為99.8%和95.67%;溫度的變化也會影響COD的去除效果，但是影響程度要小于硝化過程，COD去除率在20～30℃之間變化不十分明顯，保持在96.6% ～98.25%.

圖7 溫度對氨氮、TN、COD去除率的影響

2.4 pH的影響

硝化菌群和反硝化菌群屬于兩類性質不同的微生物，它們各自生長的pH值范圍亦有差異，因此，合適的pH值控制對兩者的協調生長尤顯重要.鄒聯沛等［12］在保持 DO 為1 mg·L－1時，認為進水pH值在6.8～9.7對COD的去除影響不是很大，但是對NH4+－N和TN的去除有很大影響(最佳pH為7.2)，當pH值為5時會嚴重抑制硝化反應.

當曝氣量為0.2 L·min－1，碳氮比為 1.2∶ 1，進水氨氮質量濃度為100 mg·L－1左右時，不同pH條件下氮素及COD變化見圖8.

環境中的pH值對微生物的生命活動影響主要在于其引起細胞膜電荷的變化，從而影響了微生物對營養物質的吸收，影響代謝過程中酶的活性;改變生長環境中營養物質的可給性，以及有害物質的毒性.當pH≥7時，出水氨氮質量濃度幾乎為 0，TN去除率都大于82%;當pH=6時，氨氮和TN去除率分別降低到85.47%和36.91%;這表明硝化細菌在pH值高于7時活性較高，硝化反應進行較徹底.pH值在6～9變化時，對COD去除率沒有太大的影響，去除率都在85%以上.可以看出，好氧反硝化同步脫氮比較適宜的pH范圍為7～9.

圖8 pH對氨氮、TN、COD去除率的影響

3 結論

1)有機負荷是影響好氧反硝化同步脫氮關鍵因素之一.當碳氮比在1∶1～8∶1變化時，COD去除率隨著碳氮比的升高而降低，氨氮和TN去除率則先升高后降低.當碳氮比為1.5∶1時，氨氮、TN及COD去除率分別為99.86%，93.53%和99.7%.分兩次投加有機物的方式提高了氨氮和TN的去除率，且對COD的利用也較充分，相對而言更有利于好氧反硝化同步脫氮.

2)在反應器中發生了明顯的同步硝化好氧反硝化現象，不同曝氣量對反應器脫氮效能具有明顯影響.當曝氣量在0.12～0.80 L·min－1變化時，反應器中DO質量濃度在2.0 ～8.0 mg·L－1，氨氮去除率隨曝氣量的升高先升高，但當曝氣量超過0.4 L·min－1時氨氮去除率基本穩定在99.8%以上;TN去除率隨曝氣量的升高先升高后降低，在曝氣量為0.2 L·min－1時達到最大值95.52%;太低的溶解氧質量濃度不但抑制硝化菌的活性，同時也會對好氧反硝化菌產生抑制.整個過程中COD去除率一直穩定在91%以上，曝氣量的改變對COD去除率的影響不十分明顯.

3)當溫度為25～30℃，pH為7～9時，SBR－SND系統脫氮效果較好.

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The influencing factors and the characteristics of simultaneous nitrification-denitrification in SBR

MA Fang，LI Ping，ZHANG Xiao－qi，SUN Jing－wen，WANG Hong－yu，ZHANG Jia

(State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，mafang@hit.edu.cn)

To investigate the mechanism of simultaneous nitrification and denitrification(SND)and promote the efficiency of SND system，by using the domesticated efficient SND sludge，the effects of organism，DO and temperature on the SBR reactor were studied.The experiment results showed that，when the temperature was 25－30 and pH was 7－ 9，the nitrate－nitrogen removal was preferably;when C/N rate varied between 1∶1－8∶ 1，COD concentration，ammonia nitrogen removal rate and TN removal rate decrease with the increasing of C/N rate.Dosing organic compounds in twice can enhance the aerobic denitrification effect.When aeration volume varied from 0.12 to 0.80 L·min－1，ammonia nitrogen removal rate increased first and then kept approximate constant with the increase of aeration volume，finally became stable at 99.8%.TN removal rate increased first to the highest at 95.52%，then decreased，when aeration volume was 0.2 L·min－1，and COD was stable above 91%.The influence of aeration rate on the COD removal is not distinct.The best effect will be achieved if the system temperature is 25 －30 ℃，C/N rate is 1.5∶ 1，aeration volume is 0.2 L·min－1，pH is 7－9 and the dosing of organic compounds is in twice.

simultaneous nitrification－denitrification(SND);organic compounds;aeration rate;temperature;pH

X522

A

0367－6234(2011)08－0055－06

2010－03－18.

國家自然科學基金資助項目(50778052);國家水專項(2008ZX07202－005).

馬 放(1963—)，男，教授，博士生導師.

(編輯 劉 彤)