SBBR與電極睸BBR工藝處理沼液的對比試驗研究

廖仁郡 馬煥春 陳玉成

摘要該試驗對SBBR與電極SBBR工藝處理沼液中COD、氮、磷進行對比研究試驗。結果表明，在相同工況條件下，電極SBBR工藝對沼液中COD、NH+4N及TP的去除率比SBBR工藝分別提高了4%～7%，1%～2%和4%～9%，電極SBBR工藝對污染物的去除能力更強；推薦電極SBBR處理沼液的最佳運行工況：運行周期為7.0 h，進水→厭氧（1.0 h）→曝氣（4.0 h、通電）→缺氧/厭氧（2.0 h、通電）→出水→閑置，對沼液中COD、NH+4N和TP的去除率分別為80.39%、92.52%和59.36%。

關鍵詞沼液；SBBR；電極SBBR；去除率

中圖分類號S181；X172文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）28-243-04

Comparative Experiment on SBBR and the ElectrodeSBBR Process for Treatment of Biogas Slurry

LIAO Renjun1， MA Huanchun1，2， CHEN Yucheng1

（1. Key Laboratory of Ecoenvironment in the Three Gorges Reservoir Area （Ministry of Education）， College of Resources and Environment， Southwest University， Chongqing 400716； 2. Chongqing Water Resources and Electric Engineering College， Chongqing 402160）

AbstractThe comparative experiment was carried out on SBBR and electrodeSBBR process for treatment of biogas slurry of COD， nitrogen， and phosphorus. The test results show that under the same condition， the electrodeSBBR process of biogas slurry of COD， NH+4N and TP removal rate than that of SBBR process were increased by 4%-7%， 1%-2% and 4%-9%， stronger ability for the removal of pollutants electrodeSBBR process； The recommended running period of electrodeSBBR process for treatment of biogas slurry as： operating cycle was 7.0 h， adding water→anaerobic processing（1.0 h）→aeration（4.0 h， electricity）→anoxic or anaerobic processing（2.0 h， electricity）→effluent dewatering→idle， the removal of COD， NH+4N and TP in the biogas slurry rate were 80.39%， 92.52% and 59.36%.

Key wordsBiogas slurry； SBBR； ElectrodeSBBR； Removal rate

隨著畜禽養殖業的快速發展，農村廢棄物污染問題加劇。可再生能源需求增加，大中小型沼氣工程迅速發展，但隨之而來的就是環境問題。沼氣工程的沼液是沼氣生產過程中的副產品，是厭氧發酵后的殘留液體，屬髙濃度有機廢水[1-3]。如若沼液未經達標處理而直接排放會引起嚴峻的環境問題，如農田污染、水體富營養化、土壤質量惡化等。目前我國對養殖沼液處理的主要方式有還田、自然處理和工廠處理等[4-6]。還田和自然處理是將沼液排放至農田，這需要有大量的農田來消納處理沼液，而我國土地資源較為緊張并且沼液排放量大，因而這兩種方式在可操作性上有待商榷。工廠處理還存在許多技術難題，表現為氮磷污染物工藝技術復雜、價格昂貴且去除效果不佳很難達到排放標準。因此，如何對沼液科學經濟的處理是一項亟待解決的難題。

基于此，筆者以重慶天友集團奶牛養殖場沼液為研究對象，以有機物、氮磷為目標污染物，選取SBBR與電極SBBR工藝對沼液進行處理，研究在不同的工況條件下沼液中COD、NH+4N、TN和TP的濃度變化情況，依據其處理效果推薦其工作條件，在此基礎上進行對比試驗研究，確定最適合的處理方法，經過處理使沼液中的有機物、氮磷達到排放標準。

1材料與方法

1.1試驗材料

該試驗沼液取自天友集團奶牛養殖場沼氣工程厭氧發酵后出水，經過稀釋后其pH為7.75，SS為2 326 mg/L，SV30為22.6%，COD為897.42 mg/L，NH+4N為217.37 mg/L，TP為26.59 mg/L，NO-xN為1.46 mg/L。活性污泥：采用北碚污水處理廠脫水污泥，呈黑褐色，散發惡臭氣味。

SBBR試驗裝置由SBBR反應器（4套并聯，可同時獨立運行）、曝氣裝置、軟性填料、調節水箱、空氣泵、流量計等構成（圖1）。電極SBBR試驗裝置在SBBR試驗裝置的基礎上增加了陰陽極板、直流穩壓電源（圖2）。

1.2試驗方法

1.2.1污泥的掛膜與馴化。

污泥取自污水處理廠脫水污泥，呈黑褐色固體狀，未形成菌膠團，因此認為活性污泥的性能不理想，需先對活性污泥進行啟動恢復其活性。按照脫水活性污泥占8%體積的比例加入到自來水中，由于脫水污泥里含磷量較高，先空曝24 h再擱置12 h，棄去上清液，然后再空曝12 h，擱置12 h，棄去上清液，如此多次反復從而使污泥中磷含量降低，以此作為活性污泥注入反應器內。加入按照微生物生長對營養元素的需求，即BOD∶N∶P=100∶5∶1配制的廢水，繼續連續曝氣，據此啟動活性污泥，當微生物大量繁殖呈現黃褐色后說明啟動成功。

由于沼液濃度過高，沼液的可生化性差，因此馴化時采用的是按一定比例稀釋的沼液。在馴化初始階段要添加適量的人工配水，開始時添加的人工配水與沼液的比例為5∶1，然后是5∶2，依次類推。SBBR反應器的掛膜采用的是軟性填料掛膜法，與污泥馴化同步進行。當填料上的生物膜厚度達到1～2 mm，呈黃褐色，鏡檢結果顯示其中的原生動物大部分為鐘蟲和輪蟲，污泥沉降比SV30為25%左右，表明污泥性能較好，活性較高，并且掛膜成功，可以進行穩定的運行，至此馴化階段結束。

電極的掛膜：在培養馴化過程中，為了使石墨極板更易于掛膜，對極板進行糙化處理，將經過糙化處理的陰極板放入SBBR反應器中，在掛膜及馴化的同時通電，以加強微生物對電極的耐受能力。

1.2.2兩種工藝對沼液去除的最佳運行工況研究。

SBBR及電極SBBR 工藝按照表1和表2設計的工況條件運行，采用瞬時進水的方式，從攪拌均勻后開始計時。每個周期進水24 L，反應器內余留的泥水混合液為11 L，每種工況完成之

后，將反應器內的廢水排盡，保留活性污泥和生物膜，注入自來水后曝氣8 h，靜置等待進入到下1個周期。SBBR系統試驗分AA、AB兩組，電極SBBR系統試驗分為BA、BB兩組。兩種系統第1組是沒有曝氣前的厭氧階段，設定4個工況；第2組為相同的曝氣前厭氧時間段，而改變各單元水力停留時間。兩組試驗均固定進水COD濃度、TN濃度、NH+4N濃度、NO-xN濃度，運行若干周期，分別測定出水指標（COD、TN、NH+4N濃度、NO-xN濃度）。

進水條件：廢水為稀釋后沼液，SS為1 908～3 168 mg/L，SV30為 15.3%～28.9%，pH為 7.47～8.05，室溫（20～24 ℃），DO為 6～7 mg/L（曝氣穩定時），極電壓10 V，填料密度為 30%，COD、NH+4N、TP 和NO-xN的質量濃度分別為 873.60～928.20、216.10～219.82、24.27～28.45和1.32～1.47 mg/L，優化運行工況。

2結果與分析

2.1污泥馴化與掛膜試驗結果

污泥取自污水處理廠脫水污泥，污泥的體積為反應器體積50%左右，SBBR反應器和電極SBBR反應器同時啟動及馴化，歷時21周，溫度在18～30 ℃之間。SBBR和電極SBBR反應器掛膜與馴化完成后，填料上的生物膜厚度達到1.2～1.6 mm，呈黃褐色，污泥沉降比SV30在25%左右，膜水間的界面非常清晰，吸附性較好，鏡檢結果顯示其中的原生動物大部分為輪蟲和累枝蟲（圖3和圖4），并且形成了密實的菌膠團，表明掛膜與馴化成功。

（1）AB組的各項指標的去除效果明顯好于AA組，曝氣前增加1.0 h的厭氧時間，有利于微生物對廢水中的COD和NH+4N的吸附和儲存[7]，提高對COD和NH+4N的去除率；微生物對磷的作用包括兩個階段，第1個階段是厭氧釋磷，第2個階段是好氧吸磷。TP的去除與聚磷菌的好氧吸磷能

力相關，而厭氧階段的釋磷直接影響到好氧階段磷的吸收，厭氧階段釋放的磷越多，釋磷菌儲存的能量就越多，那么好氧階段吸磷的能力也就越強，磷的去除效果也就越好[8]。

（2）比較AA1與AA2、AA3與AA4、AB1與AB2、AB3與AB4，可知延長曝氣后的缺氧/厭氧階段的時間，能夠提高COD、NH+4N的去除效果，但提高的幅度均只在1%～2%左右。對TP來說，曝氣后的缺氧/厭氧階段的時間的增加不但不能提高其去除率，反而使出水的TP濃度增加了2%左右。

（3）比較AA1與AA3、AA2與AA4、AB1與AB3、AB2與

AB4，可知曝氣時間的延長，增強了系統對COD和NH+4N的去除效果，TP的去除率也有明顯的提高，TP的去除率最多提高了11.5%，但同時也增加了出水NO-xN的濃度。

表5是電極SBBR工藝處理沼液各工況的運行結果：

（1）增加了前厭氧時間段的BB組試驗效果明顯優于未增加前厭氧時間段的BA組。

（2）對比BA3與BA4、BB1與BB2的試驗結果，表明增加曝氣后缺氧/厭氧段時間可提高COD的去除效果，但提高的幅度并不大，其去除率分別提高了2.24%和4.00%；降低了出水的NO-xN濃度，然而對NH+4N的去除效果影響不大，同時也增加了出水TP濃度。

（3）對比BA1和BA2、BB3和BB4的試驗結果，可知曝氣后缺氧/厭氧段繼續通電，COD的去除率分別提高了6.60%和7.84%，顯著增強了COD的去除效果，TP 的去除率稍有下降，分別為1.95%和3.51%；而對NH+4N的影響變化不大，但出水NO-xN的濃度變化較為明顯，反硝化率顯著提高，表明在缺氧/厭氧階段，電化學作用對NH+4N的影響不大，主要是為NO-xN的反硝化作用提供電子。

（4）對比BA1與BA3、BB1與BB4的試驗結果，表明延長曝氣時間能提高系統的處理能力，增強對沼液中各項污染物的去除效果。

2.3SBBR與電極SBBR工藝的比較

（1）在相同工況條件下處理沼液，電極SBBR工藝對沼液中COD、NH+4N、磷的去除率比SBBR工藝分別提高了4%～7%、1%～2%和4%～9%，電極SBBR工藝各工況的運行效果明顯優于SBBR工藝。因為在電極的作用下，可使一些難于生物降解的有機物直接氧化去除或者轉化為可生物降解的物質，并且在微電流的刺激作用下，提高了系統內微生物對COD、NH+4N和TP的吸附和降解能力，從而增強了處理效果。

（2）電極SBBR工藝出水的NO-xN濃度明顯低于SBBR工藝，對NO-xN的去除率提高了34%以上，反硝化率高于SBBR工藝。電極SBBR工藝在電化學的作用下，可以將生物難以利用降解的有機物轉化為易生物降解的有機物，增加了可用的碳源，并且在缺氧/厭氧反硝化階段，電解作用生成CO2和H2，為NO-xN的反硝化作用提供了碳源和電子，促進反硝化作用。

通過上述對SBBR及電極SBBR工藝各工況處理效果的比較研究，根據各污染指標的去除效果，SBBR工藝推薦AB4工況，電極SBBR工藝推薦BB4作為處理沼液的最佳試驗工況。

3結論

筆者研究了掛膜與馴化階段各指標參數的變化情況，進行了SBBR和電極SBBR工藝各工況的對比研究，并確定了兩種工藝運行的最佳試驗工況，其結果如下：

（1）相同工況條件下，電極SBBR工藝對沼液中COD、NH+4N、磷的去除率比SBBR工藝分別提高了4%～7%、1%～2%和4%～9%。相較于SBBR工藝，電極SBBR工藝能夠增強活性污泥的活性，顯著增強系統對各污染物的去除能力，降低出水COD、NH+4N和TP的濃度，并提高系統的反硝化效率。

（2）推薦AB4工況作為SBBR工藝處理沼液的運行工況，COD、NH+4N和TP的去除率分別為68.63%、90.71%和56.74%，運行周期為8.0 h，其運行工況：進水→厭氧（1.0 h）→曝氣（4.0 h）→缺氧/厭氧（3.0 h）→出水→閑置；推薦BB4工況作為電極SBBR處理沼液的運行工況，COD、NH+4N和TP的去除率分別為80.39%、92.52%和59.36%，運行周期為7.0 h，其運行工況：進水→厭氧（1.0 h）→曝氣（4.0 h、通電）→缺氧/厭氧（2.0 h、通電）→出水→閑置。

參考文獻

[1] 陳玉成，楊志敏，陳慶華，等.大中型沼氣工程厭氧發酵液的后處置技術[J].中國沼氣，2009，28（1）：14-20.

[2] 宋成芳，單勝道，張妙仙，等.畜禽養殖廢棄物沼液的濃縮及其成分[J].農業工程學報，2011，27（12）：256-259.

[3] 靳紅梅，常志州，葉小梅，等. 江蘇省大型沼氣工程沼液理化特性分析[J].農業工程學報，2011，27（1）：291-296.

[4] 葛昕，李布青，丁葉強，等.沼液利用現狀和潛在風險分析[J].安徽農業科學，2012，40（30）：14897-14898，15058.

[5] 姜文騰，林聰.大中型沼氣工程厭氧殘留物綜合利用探究[J].豬業科學，2008（4）：84-87.

[6] MATIAS B，ARIEL A，PATRICK G，et al. Development of environmentally superior treatment system to replace anaerobic swine lagoons in the USA [J].Bioresource technology，2007，98：3184-3194.

[7] 陳玉成，楊志敏，郭玲，等.電極SBBR對集中型沼液的脫氮除銅研究[J].農業工程學報，2012，28（3）：215-218.

[8] DOBSON A D W，MULKERRINS D，COLLERAN，E.Parameters affecting biological phosphate removal from wastewaters[J].Environment international 2004，30（2）：249-259.