正交實驗法優化SBR處理老齡垃圾滲濾液脫氮條件

周 銳，黃家榜，桑建偉，楊宏星，朱守誠

（污水凈化與生態修復材料安徽省重點實驗室，合肥市東方美捷分子材料技術有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

垃圾滲濾液是垃圾填埋場中垃圾本身含有的水分、進入填埋場的雨雪水及其他水分經歷垃圾層和覆土層而形成的一種高濃度的有機廢水，其組分復雜、污染物濃度高、處理難度大[1]。垃圾滲濾液按形成的時間可分為初期、中期、老齡垃圾滲濾液，其中老齡垃圾滲濾液典型特征是碳氮比失衡、氨氮濃度高、可生化性較差[2]。

序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor activated sludge process，SBR）的特點是間歇流活性污泥工藝，運行靈活，可實現高效脫氮除碳[3]；具有占地面積小、基建費用相對較低、耐沖擊負荷等優點[4]，被廣泛應用于污水處理[5]。目前SBR工藝在滲濾液處理方面的研究已廣泛開展[6-8]。本研究采用單因素考察和三因素三水平正交試驗對SBR工藝中老齡垃圾滲濾液的脫氮條件進行優化，研究進水pH、進水C/N、曝氣時間對SBR處理老齡垃圾滲濾液脫氮效果的影響，為老齡垃圾滲濾液的高效處理提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所接種的活性污泥為合肥某生活污水處理廠的活性污泥，將其接種馴化后，混合液懸浮固體濃度（Mixed Liquid Suspended Solids，MLSS）為3500～4000 mg/L。老齡垃圾滲濾液取自某垃圾填埋場中垃圾滲濾液原液，呈深褐色，其水質特性如下：pH值為7～8，COD濃度3200～3500 mg/L，NH3-N濃度為1100～1300 mg/L，TN濃度為1200～1400 mg/L，TP濃度為25～30 mg/L。

1.2 試驗設備

試驗所用SBR裝置如圖1所示，在SBR反應池中裝有攪拌器、潷水器與曝氣裝置，反應器有效容積為50L。試驗用水經水泵從上方進入SBR反應池，進水完成后SBR反應池底部曝氣裝置進行曝氣供氧，曝氣結束后進入缺氧攪拌階段，最后靜置沉淀由潷水器排水。整個反應裝置中進水流量、曝氣強度均由轉子流量計監測，各個反應時序由控制器根據預先設定的時間切換。

圖1 SBR試驗裝置示意圖

1.3 試驗方法與分析方法

試設計工藝流程為：進水-好氧-缺氧攪拌-靜置-排水。將接種污泥倒入SBR反應器中后補充自來水和適量滲濾液廢水至50L，SBR反應器缺氧/好氧（A/O）工段間隔運行各4h為一循環，好氧階段曝氣強度為0.5m3/h。初期階段用低負荷的污水進行馴化，待處理效果明顯提高后再逐漸增大污水負荷，直至滲濾液補充量為5L左右。反應器氨氮去除率穩定在80%以上，污泥濃度達到3500～4000 mg/L。經20d 的馴化后，系統處理效率基本穩定，污泥濃度達到預期值，反應器進入啟動階段。

單因素和正交試驗采用間歇式進水、排水，單次進水量約為5L左右。試驗起始時SBR池內氨氮濃度在110～130mg/L，COD濃度在320～350 mg/L，根據試驗設計條件調節曝氣時間、反應pH值，以及在SBR池內補充葡萄糖調整C/N比例。SBR反應好氧階段曝氣強度保持為0.5m3/h，缺氧段反應時間固定為4h，靜置時間為1h，反應結束后取上清液進行檢測。繼續反應一段時間直至SBR反應器內殘余氨氮在10mg/L以下，然后排出上清液，補充新的滲濾液，繼續下一試驗。正交試驗根據單因素的試驗結果，以氨氮去除率為指標，選取進水pH、進水C/N、曝氣時間為影響因素，每個因素各選取三個水平，按照L9（34）正交表進行正交試驗，優化試驗條件。

水質COD、NH3-N、TN和TP采用《水和廢水監測分析方法》[9]測定；pH值采用pHS-3Cb型pH計測定；MLSS值采用《CJ/T 211-2005城市污水處理廠污泥檢驗方法》測定。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 進水pH對氨氮去除率的影響

控制進水C/N=25，曝氣時間為6h，調節進水pH在6.5～9.0內，考察進水pH對SBR工藝污水氨氮去除效果的影響，結果如圖2所示。試驗表明：氨氮去除率隨著進水pH值升高變化的趨勢是先上升后下降。當進水pH=8.0時，氨氮去除率達到最高（約89.50%），隨著進水pH的進一步升高，氨氮去除率反而下降。推測原因是pH為8左右時，有利于亞硝化細菌的生長，氨氮能快速轉化成亞硝態氮，過高和過低的pH會抑制亞硝化細菌的生長速率[10]，不利于氨氮的氧化，降低廢水中的氨氮去除效率。因此，選擇進水pH為7.5～8.5進行正交試驗。

圖2 進水pH值對氨氮去除率的影響

2.1.2 進水C/N對氨氮去除率的影響

圖3為控制進水pH=8.0，曝氣時間為6h，改變進水C/N比值，運行SBR裝置一個周期考察C/N對污水氨氮的去除效果的影響趨勢圖。試驗結果表明：隨著進水C/N比值的升高氨氮去除率呈現出先上升后下降，進水C/N=25時氨氮去除率最高（約89.40%），在進水C/N比值高于25之后，氨氮去除率反而下降。推測原因可能是由于隨著進水C/N比值的升高，碳源充足，微生物能夠快速繁殖，亞硝化細菌得到快速增長，大幅提升對污水中氨氮的氧化作用，顯著降低污水中的氨氮；而當進水C/N值過高，污水中碳源過多，導致污水中異養菌占優勢，氨氮氧化的效率反而降低[11]。因此，選擇C/N比值為20～30作為正交試驗條件。

圖3 進水C/N對氨氮去除效果的影響

2.1.3 曝氣時間對氨氮去除率的影響

控制進水C/N=25， 進水pH=8.0，考察進水不同曝氣時間對SBR工藝對污水氨氮去除效果的影響，結果如圖4所示。試驗表明：氨氮去除率隨著曝氣時間的延長，呈現出先不斷上升后趨于穩定的趨勢，在曝氣前6h氨氮去除率增加幅度明顯，當曝氣時間＞6h，氨氮去除率幾乎持平（約88.18%）。因此，選擇曝氣時間為6～10h作為正交試驗條件。

圖4 曝氣時間對氨氮去除效果的影響

2.2 正交試驗

依據單因素試驗結果，以氨氮去除率為指標，選取進水pH值、進水C/N、曝氣時間3個因素，按照L9（34）正交表設計正交試驗，因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平表

從表2正交試驗設計及結果表可知：各因素對氨氮去除率的影響大小的依次順序為：A＞B＞C，即進水pH＞進水C/N＞曝氣時間。根據每一因素試驗結果的均值（K1、K2、K3）可以判斷因素的最優水平。由表2可知A2B2C1為SBR處理垃圾滲濾液脫氮最佳試驗條件，即進水pH為8.0，進水C/N為25，曝氣時間為6h。

表2 正交試驗設計及結果表

由表3正交試驗方差分析結果發現：進水pH、進水C/N、曝氣時間對試驗結果的影響均有統計學差異（p＜0.05）。

表3 方差分析結果

2.3 驗證試驗

根據正交試驗結果對A2B2C1（進水pH=8.0，進水C/N=25，曝氣時間=6h）試驗條件進行驗證，重復試驗3次，以驗證結果的合理性與穩定性。三次試驗氨氮去除率分別為89.32%、89.67%、89.43%，結果顯示并無顯著差異，因此該條件可以作為SBR處理老齡垃圾滲濾液的脫氮條件。

3 結論

本研究以老齡垃圾滲濾液為研究對象，采用單因素考察研究進水pH、進水C/N、曝氣時間對老齡垃圾滲濾液中氨氮去除的影響，并通過正交試驗對老齡垃圾滲濾液SBR脫氮條件進行優化。通過單因素試驗確定參數合適范圍作為正交試驗的對象：進水pH=7.5、8.0、8.5；進水C/N=20、25、30；曝氣時間=6h、8h、10h。正交試驗結果表明對氨氮去除率的影響順序為：進水pH＞進水C/N＞曝氣時間。在0.5m3/h的曝氣強度下SBR處理的最佳條件為進水pH為8.0，進水C/N為25，曝氣時間為6 h。