間歇曝氣SBR工藝處理特性及動力學研究

金明姬等

摘要：試驗采用曝氣-攪拌-曝氣相結合的間歇曝氣SBR工藝處理模擬廢水，探討不同有機容積負荷條件下，系統對COD、TN與TP的處理特性，并進行相關動力學研究。結果表明，0.70-1.96 kgCOD/（m3·d）有機容積負荷范圍內，系統COD、TN與TP去除率隨負荷無明顯變化趨勢，處理效果穩定，耐沖擊負荷。在所有運行期間，系統COD、TN與TP平均去除率均大于96%，處理效果顯著。據試驗所得，在0.70-1.96 kgCOD/（m3·d）有機容積負荷范圍內，間歇曝氣SBR工藝COD降解動力學模型為[（So-Se）·Q]/XV=（1.31×Se）/（194.96+Se），TN降解動力學模型為[（So-Se）·Q]/XV=（0.02×Se）/（3.42+Se）。

關鍵詞：間歇曝氣SBR工藝；有機容積負荷；動力學模型

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：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70年代初由美國開發出的污水處理工藝[1]。該工藝是在單一曝氣池內通過時間的交替實現進水、反應、沉淀、排水等運行過程的處理技術。與傳統活性污泥法相比，SBR工藝由于其運行方式的獨特性，具有結構簡單，操作靈活，管理方便，占地面積小等優點[2-4]。目前，隨水體富營養化問題的日趨嚴重[5]，SBR工藝廣泛應用于生物脫氮除磷領域。SBR工藝以其靈活多變的操作為基礎，通過間歇曝氣的運行模式，在生物反應池內易形成好氧、缺氧及厭氧等不同的運行環境。實現生物脫氮過程中的硝化、反硝化反應，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-曝氣相結合的間歇曝氣運行方式，考察間歇曝氣SBR工藝對有機物及氮、磷等營養物質的處理特性；同時，進行相關動力學模型研究，探求有關動力學參數，建立間歇曝氣SBR工藝污染物降解動力學模型。為工藝的優化設計及運行管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗裝置如圖1所示，由有機玻璃加工而成，反應池液體有效容積為34 L，在離上水位8 L處設有排水口。反應池上設有曝氣裝置、攪拌裝置及時間控制器等。曝氣裝置用于曝氣，攪拌裝置用于缺氧攪拌，時間控制器用于調整曝氣與攪拌等不同的運行狀態。

試驗采用自配的模擬廢水，廢水結合微生物生長所需營養成分，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。試驗根據不同試驗要求按比例調整了其進水濃度。試驗用活性污泥取自城市污水處理廠二沉池的回流污泥。

1.2 試驗設計

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

水質的檢測參照國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》[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 結果與分析

2.1 間歇曝氣SBR工藝處理對COD處理效果的影響

如圖3所示，運行期間COD進水濃度在1 169.2～4 340.6 mg/L，出水濃度在24.6～210.1 mg/L范圍內。在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）負荷范圍內，COD出水濃度隨負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《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準（60 mg/L）[11]。

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

2.2 間歇曝氣SBR工藝處理對TN處理效果的影響

如圖4所示，運行期間TN進水濃度在23.1～92.1 mg/L，出水濃度在0.8～7.7 mg/L范圍內。在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）負荷范圍內，TN出水濃度隨負荷的增加呈上升趨勢；但0.70～1.70 kgCOD/（m3·d）范圍內，其變化幅度較小；負荷上升至1.96 kgCOD/（m3·d）時，其變化幅度相對較大。在整個運行期間，出水濃度均滿足了一級B標準（20 mg/L）。

在0.70～1.70 kgCOD/（m3·d）負荷范圍內，TN去除率無明顯變化趨勢，處理效果穩定；而負荷上升至1.96 kgCOD/（m3·d）時去除率有所下降，但此階段平均去除率為94.2%，去除效果仍較高。隨負荷的增加活性污泥中降解有機物的異養微生物生長迅速，易形成優勢種，抑制參與生物脫氮過程的硝化菌生長，故負荷增加至一定條件時，去除率呈下降趨勢[12，13]。在曝氣-攪拌-曝氣相結合的運行方式中，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境，故整個運行期間，TN平均去除率較高，為96.2%，系統對TN去除效果顯著。

2.3 間歇曝氣SBR工藝處理對TP處理效果的影響

如圖5所示，運行期間TP進水濃度在8.1～27.9 mg/L，出水濃度在0.2～0.9 mg/L范圍內。在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）負荷范圍內，TP出水濃度隨負荷的增加呈先下降后上升趨勢。但整個運行期間，出水濃度均滿足一級B標準（1 mg/L），且變化幅度較小。

在0.70 kgCOD/（m3·d）低負荷條件下，TP去除率較低；而隨負荷的增加去除率上升，在1.03～1.96 kgCOD/（m3·d）負荷范圍內去除率無明顯變化趨勢，處理效果穩定。低負荷條件有利于硝化菌的生長，而反硝化反應因缺少碳源受到抑制，故硝酸鹽得到富集[14]。據研究表明，硝化過程中產生的硝酸鹽對生物除磷過程中的厭氧釋磷有抑制作用，故低負荷條件下TP的去除率最低[15，16]。在間歇曝氣系統中，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境，整個運行期間，TP平均去除率為96.1%，系統對TP去除效果顯著。

2.4 基質降解動力學研究

生物處理過程中，基質的降解導致微生物的增長。在動力學研究中，較好反應基質降解與微生物增長間關系的方程有Monod方程[17-19]（公式1）。SBR工藝在反應階段發生基質降解與微生物的增長[20]，故間歇曝氣SBR工藝動力學模型符合Monod方程。

v=vmax·■ （1）

按物理意義，基質降解速率為單位時間單位污泥所去除的污染物量，故基質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進行整合，可得間歇曝氣SBR工藝基質降解動力學模型如式4。

■=vmax·■ （4）

式中，S0與Se分別為污染物進出水濃度（mg/L），Q為進水量（L），V為反應器有效容積（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（mg/L）。

試驗中，V與Q為恒定值，穩定狀態下，X幾乎保持不變。試驗通過改變進水濃度（S0），測不同條件下的出水濃度（Se）；以1/Se與XV/[（S0-Se）·Q]為橫縱坐標進行線性回歸，求動力學參數Vmax與Ks，并建立基質降解動力學模型。

結合不同負荷條件下，廢水中COD、TN、TP的進出水濃度與微生物濃度，以1/Se與XV/[（S0-Se）·Q]為橫縱坐標作圖，其結果如圖6。從圖6可知，COD、TN擬合結果相關性較好，而TP擬合結果相關性差，相關系數（R2）僅為0.130 6，故文章只對COD與TN進行了進一步的動力學研究。

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

為進一步驗證動力學模型的科學性，將不同負荷條件下COD與TN出水濃度模型預測值與實測值進行了比較，比較采用卡方（χ2）檢驗。結果如表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，預測值與實測值無明顯差異，在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）負荷范圍內，模型可較好的預測間歇曝氣SBR系統出水水質，在工程實踐中具有一定的意義。

3 結論

1）在0.70-1.03 kgCOD/（m3·d）有機容積負荷范圍內，系統COD出水濃度滿足了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準；在0.7-1.96 kgCOD/（m3·d）負荷范圍內，TN與TP出水濃度均滿足了一級B標準。

2）在不同有機容積負荷條件下，COD、TN與TP去除率無明顯變化趨勢，系統處理效果穩定，耐沖擊負荷。在所有運行期間，COD、TN與TP平均去除率均達到96%以上，系統處理效果顯著。

3）據試驗所得，0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）有機容積負荷范圍內，間歇曝氣SBR工藝COD降解動力學模型為[（SO-Se）·Q]/XV=（1.31×Se）/（194.96+Se），TN降解動力學模型為[（SO-Se）·Q]/XV/=（0.02×Se）/（3.42+Se）。通過對模型的驗證，模型在一定負荷范圍內，可較好地預測系統出水水質，在工程實踐中具有一定意義。

參考文獻：

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

[2] 王 凱，王淑瑩，朱如龍，等.改進SBR處理垃圾滲濾液深度脫氮的啟動與實現[J].東南大學學報（自然科學版），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].江蘇環境科技，2003，16（2）：14-15，21.

[7] 張蘭河，周廣吉，龐香蕊，等.溫度對AOA-SBR工藝同步脫氮除磷的影響[J].化工進展，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] 國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法[M].第四版.北京：中國環境科學出版社，2002.

[11] GB18918—2002，城鎮污水處理廠污染物排放標準[S].

[12] 侯紅娟，王洪祥，周 琪.進水COD濃度及C/N值對脫氮效果的影響[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研究現狀[J].水科學與工程技術，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與動力學研究[J].科技與生活，2010（5）：93-106.

[18] 方戰強，陳曉蕾，成 文，等.SBR降解動力學研究[J].環境工程學報，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物降解動力學[J].科技情報開發與經濟，2006，16（11）：169-170.