SBR法交替缺氧好氧模式下短程硝化效率的優化

高春娣，王惟肖，李 浩，焦二龍，彭永臻

（北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100124）

SBR法交替缺氧好氧模式下短程硝化效率的優化

高春娣*，王惟肖，李 浩，焦二龍，彭永臻

（北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100124）

采用SBR法以實際生活污水為研究對象，通過交替缺氧好氧的運行模式實現了短程硝化的快速啟動.在不同的缺/好氧時間比條件下考察了短程硝化的啟動時間、污染物處理效果以及氨利用速率的變化.結果表明，在缺氧/好氧時間比為1：1和2：1條件下，分別用了31，55d使得兩系統的亞硝酸鹽積累率達到90%，短程狀態穩定.氨氮去除率達到95%以上，COD出水在50mg/L以下，總氮去除率提高20%，污染物的去除效率有所提高.由全程到短程的轉變期間，系統氨利用速率分別提高了67.5%和89.8%，同時提高了短程硝化的效率.期間，污泥沉降性較好，污泥容積指數穩定在60～80mL/g.

廢水；交替缺氧好氧；短程硝化；氨利用速率；沉降

近年來，短程硝化反硝化已經成為水處理領域的研究重點和熱點，對短程硝化的實現及相關內容進行了大量的研究［1-2］.與傳統生物脫氮工藝相比，短程硝化反硝化工藝可節約25%的供氧量，減少40%的反硝化有機碳源（以甲醇計）［3］，反硝化速率高出了63%，缺氧階段產生的生物量下降了30%［4］.通過溫度、pH值、游離氨、低溶解氧、實時控制、交替等方法可以抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的生長，使氨氧化菌（AOB）在系統中占優勢，進而實現亞硝化［5］.

交替工藝是指在一個周期內的反應階段，缺氧好氧交替循環運行.它不僅在工業廢水［6］、豆制品廢水［7］、垃圾滲濾液［8］中有一定的應用，也可以用于生活污水［9］，并從實驗室規模逐漸擴大到實際的污水處理廠，也可用于污水處理廠的升級改造［10］.不需要投加化學藥劑，僅需要簡單操作曝氣的開關［11］就可以實現交替工藝.Katsogiann等［12］采用先好氧20min后缺氧1h的運行模式，循環3次可以實現短程硝化.與傳統模式相比，COD和懸浮固體的去除率基本相同；在溶解氧為2g/m3條件下，交替系統的脫氮效率為71.10%，然而在傳統系統上只有24.37%［13］.從傳統工藝轉化為交替系統不需要添加任何投資費用［13］，可以在一定程度上減少曝氣時間，節約能耗.目前，交替好氧缺氧工藝實現短程多以實時控制為主［7，10，14］，這對試驗裝置及設備的要求相對較高，投資較大，運行成本高，而以非實時控制為手段的研究較少［11］.同時，交替條件下主要研究的是溫度、pH值和溶解氧（DO）對實驗效果的影響［15］，缺乏交替時間比對短程效率優化的研究［11，16］.

本研究在非實時控制的條件下，利用AOB與NOB生理特性的不同，采用序批式反應器（SBR），交替缺/好氧的運行模式處理實際生活污水，快速實現短程硝化，通過不同缺/好氧時間比來確定優化條件，包括實現短程的時間及其污染物處理效果，氨利用速率的改變，并考察期間污泥沉降性的變化情況.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置及廢水成分

圖1 SBR裝置示意Fig.1 Schematic diagram of SBR

本試驗采用2個相同SBR反應器，均由有機玻璃制成，為圓柱體，有效體積為8L，如圖1所示.在反應器壁上有3個口，分別用于進水、排水和排泥；以3個曝氣砂頭作為微孔曝氣器，采用鼓風曝氣的方式，并以轉子流量計調節進氣量.

試驗所用的進水來自北京市某高校家屬院，屬于低C/N比城市生活污水，其進水COD濃度為150～250mg/L，平均濃度為188mg/L，-N濃度為60～80mg/L，平均為70mg/L， C/N比約為2.65，-N濃度為0～0.36mg/L，-N濃度為0～2.4mg/L， pH值為7.0～7.8.

1.2 污泥來源、馴化及試驗運行

污泥取自實驗室中試SBR工藝排放的剩余污泥，平均接種到兩個SBR反應器中，按照傳統SBR工藝缺氧1h、好氧4h進行馴化，馴化后的污泥達到氨氮全部氧化，亞硝酸鹽積累率幾乎為0，并且污泥具有良好的沉降性能，SV%為20%～25%.

運行方式按照先缺氧后好氧的模式交替運行，交替循環3次后沉淀排水，其中SBR1缺/好氧時間比是1：1，即缺氧攪拌45min，好氧曝氣45min；SBR2缺/好氧時間比是2：1，即缺氧攪拌60min，好氧曝氣30min.總反應時間為270min，每天運行2個周期，溫度為25℃，排水比為50%，污泥齡為30天，污泥濃度保持在2500～3000mg/L.

1.3 分析方法

表1 FISH分析中采用的寡核苷酸探針Table 1 16S rRNA-targeted oligonucleotide probes used in FISH analysis

1.4 氨利用速率的測定

氨利用速率（AUR）通過測定混合液中起始的氨氮濃度，并間隔一定時間段測定混合液中氨氮的濃度，根據測定結果即可得到氨氮濃度隨時間的變化曲線，利用曲線的斜率r和測定的混合液MLVSS值，由公式AUR=r/MLVSS求得氨利用速率（mgNH4+-N/（gVSS·h））.其中，采用人工配置混合液，以氯化銨為氮源，碳酸氫鈉為堿度，并且保證氮源及堿度足量（設定氨氮濃度為60mg/L， 0.5g/L NaHCO3每0.2g/L NH4Cl）［18］.將污泥清洗后與混合液混合，連續曝氣2h，溫度為25℃，其間每隔20min取樣測定氨氮濃度.為減小誤差，進行3組平行試驗.

2 結果與討論

2.1 不同缺/好氧時間比條件下短程硝化的快速啟動

經過A/O模式馴化，污泥處在全程狀態，其亞硝酸鹽積累率（NAR）幾乎為0，氨氮基本去除完全.后改為交替模式，SBR1、SBR2分別采用缺/好氧時間比為1：1和2：1進行試驗.2個反應器中NAR變化如圖2所示，其中前6d為全程馴化階段結果，從第7d開始進行交替實驗.

從圖2可以看出，SBR1反應器從改為交替模式后第3d NAR就達到了50%，又經過28d后，積累率增長到90%，并且長時間穩定運行，實現了短程硝化.而SBR2反應器，NAR達到50%用了17d，增長到90%用了55d，比SBR1多用24d.其原因認為如下，首先，因為交替運行模式中，短時間的曝氣只能提供一定DO，在曝氣初期系統中的DO濃度較低，限制了亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽的過程.其次，由于SBR1比SBR2每個循環的曝氣時間長15min，每個周期總曝氣時間長45min，使氨氧化過程更充分，亞硝酸鹽濃度較高，積累較快，而SBR2曝氣量以及曝氣時間有限，亞硝酸鹽積累較慢.因此，相較而言，在缺/好氧時間比為1：1條件下，能夠快速啟動短程硝化.

圖2 交替缺氧好氧模式下亞硝酸鹽積累率變化Fig.2 Variation of nitrite accumulation rate under the mode of alternating anoxic/oxic

在交替試驗運行的后期，NAR一直保持在較高水平，短程狀態較為穩定.這是由于飽食饑餓特性使得AOB能夠經受住溶解氧周期性的變化，逐漸成為優勢菌群.這與Chen等［19］的細胞損傷理論相吻合，微生物需要在好氧環境中產生更多的能量來修補在缺氧和底物不足等不利環境下受到的損傷，從而促使微生物快速增殖.在交替運行的缺氧階段，降低快速生長的異養生物對氧的競爭力，使得溶解氧在硝化階段能夠更好的利用［20］.試驗表明，交替缺/好氧模式可以提高短程硝化的啟動效率.另外，在溶解氧濃度低時也有利于亞硝化細菌對基質的競爭從而有利于短程硝化的發生［21］.

2.2 交替模式對有機物去除效果的提高

如圖3所示，在改變運行模式后，由于SBR1中曝氣時間及DO均較為充足，氨氧化過程較為完全，氨氮去除率幾乎沒有受到影響，并保持較好的去除效果，總氮的去除率也從50%提高到70%左右.而在SBR2中，由于曝氣時間較短，從馴化時的4h縮短至1.5h，活性污泥未能很快適應新的運行模式，導致氨氮去除效果不佳.然而，污泥經過1個多月的運行后，氨利用速率提高，氨氮基本去除完全，總氮去除率也逐步提高，并且能夠穩定運行.COD去除率的變化并不明顯，盡管進水COD隨季節波動較大，但出水效果良好，SBR1和SBR2的去除率分別為79.0%和79.31%，濃度基本在50mg/L以下，出水COD達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準［22］.

圖3 交替缺氧好氧模式下污染物去除率變化Fig.3 Variation of pollutant removal efficiency under the mode of alternating anoxic/oxic（a） SBR1；（b） SBR2

圖4 交替缺氧好氧模式下典型周期內各污染物濃度及DO、pH值變化Fig.4 Variation of pollutant concentration and DO， pH in typical cycle under the mode of alternating anoxic/oxic（a）SBR1污染物；（b） SBR2污染物；（c） SBR1的DO、pH值變化；（d） SBR2的DO、pH值變化

如圖4所示，通過對全周期的考察可以發現，反硝化過程中pH值逐漸升高，隨著硝化反應的進行，pH值開始降低，DO在2.0mg/L以上，在好氧階段穩定在一個平臺上，并有上升的趨勢.COD在前90min中就基本降解完成，氨氮在曝氣階段轉變為亞硝酸鹽，致使亞硝酸鹽的濃度增加，而硝酸鹽濃度幾乎為0.試驗表明，在采用交替缺/好氧交替模式條件下，在交替前期，SBR1的去除效率優于SBR2，到后期污染物的去除效率均有所提高，并且短程硝化的狀態保持良好.

2.3 交替模式下節能效率的提高

在交替模式下，隨著亞硝酸鹽的不斷累積，在不同時期測定污泥的氨利用速率，其結果如圖5所示.全程過程中的SBR1與SBR2的氨利用速率分別為5.798，5.148mg-N/（gVSS·h），經過一段時間的交替運行后，氨利用速率變快，SBR1提高至9.712mg-N/（gVSS·h），提高了67.5%；SBR2提高至9.772mg-N/（gVSS·h），提高了89.8%，最終SBR2略高于SBR1.

圖5 全程與短程下氨利用速率的變化Fig.5 Variation of ammonia utilization rate under complete nitrification and partial nitrification

根據微生物的動力學研究，交替缺/好氧運行模式與傳統模式相比，由于AOB與NOB種群結構的不同，其氧化、生長和衰減速率不同，導致AUR存在差異.SBR2運行的一個周期中，曝氣時間較短，在相同進水條件、氨氮出水同時為0mg/L條件下，AUR比SBR1稍高.試驗表明，交替運行條件下有利于篩選AUR較快的AOB，使得氨氮在短時間內可以氧化完全.

從經濟學角度考慮，由于曝氣時間較短，所需要的曝氣量也相對較少，如SBR2，一個周期內總好氧時間僅有1.5h即可將氨氮氧化完全，從而可以節約能耗，提高節能效率，降低運行成本.并且，試驗中SBR2的節能優化效果優于SBR1.

2.4 交替模式對污泥特性的影響

圖6 短程狀態下Nso1225、NIT3的熒光原位雜交照片Fig.6 The image of Nso1225 and NIT3 under partial nitrification by FISH （1000times）

由全程硝化轉為短程硝化的過程中，菌群結構發生改變，由NOB為優勢菌種轉變為AOB，圖6為短程狀態下AOB的FISH照片.從圖6（b）和（c）中可以看出，硝化細菌與氨氧化細菌的數量相比明顯較少，說明AOB是優勢菌種，實現了短程硝化.

在交替缺氧好氧運行模式下，污泥的沉降性能良好，出水較為清澈.污泥容積指數（SVI）有下降的趨勢，并基本穩定在60～80mL/g， SVI變化如圖7所示.在間歇曝氣的運行條件下，能減少泡沫問題的產生，SVI較低，但是不會消除［23-24］，亞硝酸鹽積累、絲狀菌是引起活性污泥系統SVI變化的主要原因［25］.所以，在這種交替運行模式下，不易發生絲狀菌污泥膨脹問題.

圖7 不同時間比下SVI隨時間的變化情況Fig.7 Variation of SVI at different time ratio

3 結論

3.1 采用先缺氧再好氧的交替運行模式有利于短程硝化的實現.本試驗中，交替循環3次，在缺/好氧時間比為1：1和2：1條件下，分別用了31， 55d亞硝酸鹽積累率達到了90%，快速啟動了短程硝化，提高了啟動效率.

3.2 在交替缺/好氧模式下，具有較好的出水水質，氨氮去除率幾乎在95%以上，COD出水低于50mg/L，總氮去除率在70%左右，提高了污染物去除效率，且SVI穩定在60～80mL/g.

3.3 從全程到短程的過程中，時間比為1：1時可快速實現短程硝化，AUR提高了67.5%；而時間比為2：1時，短程硝化啟動較慢，但AUR提高了89.8%.不同缺/好氧時間比下氨利用速率均有所提高，而時間比為2：1時的氨利用速率稍高，均培養出了較強的氨氧化菌，提高了節能效率.

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Optimization of efficiency on partial nitrification under the mode of alternating anoxic/oxic in sequencing batch reactor.

GAO Chun-di*， WANG Wei-xiao， LI Hao， JIAO Er-long， PENG Yong-zhen
（College of Environmental and Energy Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）.

China Environmental Science， 2015，35（2）：403～409

Using Sequencing Batch Reactor （SBR） treating domestic wastewater， quick start of partial nitrification was carried out through the mode of alternating anoxic/oxic. Time of achieved partial nitrification， treatment efficiency and ammonia utilization rate were investigated in different ratio of anoxic/oxic time. The results showed that the ratio of anoxic/oxic time was 1：1and 2：1， while two systems nitrite accumulation rate raised to 90% after 31days and 55days respectively， the state of partial nitrification was stable. Besides， ammonia removal efficiency was attained above 95% and the COD effluent concentration was less than 50mg/L. The total nitrogen removal was enhanced about 20%， and pollutants removal efficiency was increased. Form the complete nitrification to the partial nitrification， ammonia utilization rate increased 67.5% and 89.8% respectively， at the same time， efficiency of the partial nitrification was improved. Meanwhile， sludge had significantly better settling performance， sludge volume index was stable at 60～80mL/g.

waste water；alternating anoxic aerobic；partial nitrification；ammonia utilization rate；sedimentation

X703.1

A

1000-6923（2015）02-0403-07

高春娣（1973-），女，河北唐山人，教授，博士，主要從事污水處理理論與技術，污泥膨脹理論與控制方法.發表論文20余篇.

2014-05-13

國家自然科學基金項目（51478012）；國家青年自然科學基金（51108005）；北京市教育委員會科技計劃項目（KM201410005009）

* 責任作者， 教授， gaochundi@bjut.edu.cn