基于響應面法優(yōu)化SBBR處理城市污水中氨氮的研究

摘 要：采用序批式生物膜反應器（SBBR）對城市模擬污水進行處理。用接種法對SBBR反應器進行掛膜啟動。主要研究了曝氣時間、C/N、填料投加量對SBBR反應器去除氨氮的效果。采用響應面法對穩(wěn)定運行的SBBR反應器中的曝氣時間、C/N、填料投加量進行了優(yōu)化，同時構(gòu)建回歸模型，并進行方差分析。結(jié)果表明：掛膜成熟時，SBBR系統(tǒng)出水COD和氨氮去除率分別穩(wěn)定在88.1%和85.2%以上。單因素實驗分析結(jié)果表明：曝氣時間、C/N、填料投加量對SBBR反應器脫氮效果影響顯著，其最優(yōu)值為6h、10、30%。經(jīng)過響應面優(yōu)化后反應器的最佳工況點為：填料投加量為20.2%、C/N為10.5、曝氣時間為6.4h。模型預測COD的去除率為95%、氨氮的去除率為94.14%。模型驗證實測結(jié)果為COD去除率為92.72%、氨氮去除率為91.53%，與預測值相差小于3%。因此，該模型能較為真實地反映各因素對模擬城市污水中COD去除率和氨氮去除率的影響。響應面法可以優(yōu)化SBBR反應器處理模擬城市污水。

關(guān) 鍵 詞：污水處理；SBBR；微生物系統(tǒng)構(gòu)建；響應曲面優(yōu)化法；模型驗證

中圖分類號：X703文獻標志碼： A 文章編號： 1004-0935（2024）09-1364-06

中國城市水污染的持續(xù)時間很久^[1]。城市水污染的源頭主要有工業(yè)污水及生活污水，如果沒有經(jīng)過專業(yè)技術(shù)處理就進行排放，會嚴重污染水體環(huán)境，對城市周圍及河流流經(jīng)的地方造成不良影響^[2]，影響中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進。

SBBR是目前國內(nèi)外正在研究、應用的一種污水生物處理工藝^[3-4]。相對于SBR反應器而言，生物填料加入SBBR反應器。填料的添加，給微生物生長提供更為優(yōu)越的生存環(huán)境^[5]。其具備活性污泥法、生物膜法各自的優(yōu)勢，污水處理效果良好。SBBR工藝的研究和應用最早集中在工業(yè)廢水處理，但是隨著對它的研究技術(shù)不斷深入與發(fā)展，它的用途還延伸至生活污水、難降解有機廢水等的治理^[6]。

影響SBBR處理效率的因素主要有：溫度、曝氣時間、DO的質(zhì)量濃度、進水C/N、填料用量等^[7]。通過單因素分析來對影響因素進行優(yōu)化分析，確定最佳條件。

響應面優(yōu)化方法，又稱響應面法（RSM），是由數(shù)學與統(tǒng)計學結(jié)合，通過對多因素或非線性函數(shù)建立一個數(shù)學模型來研究其最優(yōu)解的方法。它可用于受多種變量影響的響應值的建模與分析，最終的目的是對所選影響響應值的條件進行優(yōu)化^[8-9]。

基于單因素實驗得到的主要影響因素為變量，以COD、氨氮去除率為響應值，對主要影響因素進行復合實驗，運用Design-Expert11軟件對多變量效應響應值進行了建模與分析，得出SBBR反應器去除氨氮的最佳工況點。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗裝置為自制，所用SBBR反應器由有機玻璃制成，內(nèi)徑10cm，高100cm，容積為5L。在反應器外側(cè)設有多個取樣口（兼有排水作用），反應器底部設有放空管、進水管并裝有微孔曝氣器，采用鼓風曝氣方式，壓縮空氣由空氣泵提供，采用轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)曝氣量。SBBR反應器的進水、曝氣、沉降、出水裝置之間通過乳膠管連接。采用自控系統(tǒng)控制裝置整體。

1.2 接種污泥及進水水質(zhì)

SBBR反應器掛膜接種污泥取自S市某污水處理廠中運行情況良好的曝氣生物濾池，該接種污泥活性較高，沉降性能良好，呈深褐色，絮狀。該污泥MLSS為3 972 mg·L^-1，MLVSS為2 300 mg·L^-1，MLVSS/MLSS為0.748，SV為50。

根據(jù)東北某大型污水處理廠進水水質(zhì)^[10]，配制人工模擬的城市污水，由葡萄糖、氨氮、NaHCO、KHPO等配制而成，進水COD、氨氮質(zhì)量濃度為200～600 mg·L^-1、30～70 mg·L^-1、pH為6.5～8.5。

1.3 實驗儀器

磁力攪拌器，Wiggens，WH220-HT；電子分析天平，F(xiàn)A2004；離心機，TDL-5-A；消解儀，Hach，DR200；pH測定儀，Sartorius PB.10；紫外分光光度計，765S。

1.4填料選擇

選用Ф38的多面空心小球作為掛膜載體。比表面積為151，孔隙率為89。填料采用懸掛法，在頂部、底部利用鐵絲進行固定。

1.5實驗方法

單因素分析實驗：分別改變曝氣時間、C/N、填料投加量固定其余因素，探究各因素對SBBR反應器脫氮除碳效果的影響。基于單因素實驗的結(jié)果，以曝氣時間、C/N、填料投加量為自變量，COD去除率和氨氮去除率為響應值，進行3因素3水平的響應面優(yōu)化實驗，構(gòu)建模型及進行方差分析，得到最佳工況點，最后進行模型驗證。

2 結(jié)果與討論

2.1 SBBR脫氮影響因素研究

2.1.1 曝氣時間的影響

在控制填料投加量為30%、C/N為10時，對曝氣時間進行優(yōu)化，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著曝氣時間的增加，COD以及氨氮的去除率呈上升趨勢，但是7 h后期，去除率明顯降低。這是由于曝氣時間的延長，反應器內(nèi)的有機物也會隨之消耗，需要的營養(yǎng)物質(zhì)還不足以使微生物下一步生長，所以在綜合考慮其他因素對COD去除率影響的同時，曝氣時間定在6 h。

2.1.2 C/N的影響

在控制填料投加量為30%、曝氣時間為6h時，對C/N進行優(yōu)化，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著C/N的增加，COD以及氨氮的去除率不斷增大，最后趨于平緩。分析表明：當COD負荷較大時，硝化反應較少，被去除的物質(zhì)多為微生物自身細胞合成所用。當C/N增加時，反應器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)充足，提高了處理效率，但考慮到實際成本，所以在綜合考慮其他因素對于COD去除率影響的情況下，將C/N設為10。

2.1.3 填料投加量的影響

在控制曝氣時間為6h、C/N為10時，對填料投加量進行優(yōu)化，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著填料投加量的增加，COD以及氨氮的去除率呈上升趨勢，3個條件下去除率的去除大致相同，當填料投加量選取30%時，去除率有所降低。這說明了分散相顆粒直徑大小和數(shù)量與污染物去除之間存在一定關(guān)系。過量的懸浮填料在曝氣作用下，進行運動所形成的剪切力使得活性污泥出現(xiàn)分散和細化的現(xiàn)象，絮體比以前變小，不能形成普通的絮狀結(jié)構(gòu)，最終導致反應器去除率有所降低。因此，綜合考慮，選擇填料投加量為30%，使其達到最優(yōu)處理水平。

2.2 響應曲面優(yōu)化分析

2.2.1 分析因素的選取及方案確定

根據(jù)單因素實驗分析確定影響因子水平，以曝氣時間、C/N、填料投加量為自變量，以COD去除率和氨氮去除率為響應值，進行3因素3水平響應面實驗。影響因子水平及編碼如表1所示。

通過Box-Behnken中心組合實驗進行17組實驗，實驗方案及結(jié)果如表2所示。

針對上述3種條件作用下的氨氮去除率和COD去除率，運用Design-Expert11軟件進行多元回歸擬合，得到氨氮去除率、COD去除率與填料投加量、C/N 和曝氣時間之間的二次多項回歸模型和因素之間的交互作用以及等高線圖和響應面圖。

2.2.2曝氣時間、C/N、填料投加量對COD去除率的影響

填料投加量、C/N 和曝氣時間作為自變量，COD去除率作為響應值（），可得到方程（式1）。

=93.5+1.97×+3.45×+2.74×+1.41×AB+

1.01×-1.82×-2.93ײ-4.16ײ-3.2ײ（1）

多因素交互對COD去除率影響的響應面圖如圖4所示，COD去除率連續(xù)變量方差模型的分析見表3。由表3可知，此模型的=34.74，<0.0001，說明該模型顯著性非常好。模型失擬度為0.5654，失擬度為0.6663，且失擬度不顯著，表明該模型構(gòu)建較為合理且達到預期效果，擬合度較好，可以用來預測和分析對COD的去除效果。變異系數(shù)C.V.=1.24%＜10%，說明該模型具有較高的可信度與精確度。實驗的信噪比為18.1467＞4，視為合理，說明該模型可以較好地用于預測^[11]。對3種因素之間的交互作用進行分析，可知其由大到小的排序為：C/N和曝氣時間、填料投加量和曝氣時間、C/N和曝氣時間。

2.2.3曝氣時間、C/N、填料投加量對氨氮去除率的影響

填料投加量、C/N 和曝氣時間作為自變量，氨氮去除率作為響應值（），可得到方程（式2）。

=90.89+4.07×+2.2×+3.82×-2.2×-0.315 2

×+2.52×-1.46ײ-6.69ײ-2.9²（2）

多因素交互對氨氮去除率影響的響應面圖如圖5所示，氨氮去除率連續(xù)變量方差模型的分析如表4所示。

由表4可知，此模型的=95.56，<0.0001，說明該模型非常顯著。該模式下失擬度為2.92，失擬度=0.1638，且失擬度不顯著，表明該模型構(gòu)建較為合理且達到預期效果，擬合度較好，可以用來預測和分析對氨氮的去除效果。變異系數(shù)C.V.=0.9919%<10%，驗證了模型的可信度和精研度。實驗的信噪比=31. 2116>4，能夠視為合理，驗證了模型能很好地進行預測。對3種因素之間的交互作用進行分析，可知其由大到小的排序為：C/N和曝氣時間、填料投加量和C/N、填料投加量和曝氣時間。

在實驗條件下，Box-Behnken模型所得到的優(yōu)化SBBR反應器運行參數(shù)的方案為：填料投加量為26.8%、C/N為10.5、曝氣時間為6.5 h。預測COD的去除率為95%、氨氮的去除率為94.14%。

2.2.4模型驗證

對上述模型進行驗證，取上述最優(yōu)條件：填料投加量為26.8%、C/N為10.5、曝氣時間為6.5 h，進行為期28 d的模型驗證實驗，與預測值進行對比。在最優(yōu)條件下，COD的實際去除率為92.72%，氨氮的實際去除率為91.53%，與預測值相差均小于3%。這說明該模型能較為真實地反映各因素對模擬城市污水中COD去除率和氨氮去除率的影響，證明應用響應面法優(yōu)化城市污水是可行的。

3結(jié) 論

1）SBBR處理城市污水的單因素最佳實驗結(jié)果為：曝氣時間、C/N、填料投加量的相應最優(yōu)值分別是6h、10、30%。

2）基于單因素實驗獲得的最優(yōu)值，利用響應面優(yōu)化法以COD去除率為響應值時，各個影響因子作用效果顯著性為：C/N>曝氣時間>填料投加量。而以氨氮去除率為響應值時，各個影響因子作用效果顯著性為：曝氣時間> C/N >填料投加量。影響因子之間存在著交互作用，其中C/N和曝氣時間的交互作用最為顯著。

3）基于Box-Behnken響應曲面法建立的經(jīng)驗模型回歸性較好，可用于SBBR反應器處理模擬城市污水的反應條件優(yōu)化。最佳條件組合為：填料投加量為26.8%、C/N為10.5、曝氣時間為6.5 h。預測COD的去除率為95%、氨氮的去除率為94.14%。最后，進行模型驗證，取最優(yōu)條件進行實際處理污水，最終實際COD去除率為92.72%，實際氨氮去除率為91.53%，與預測值均小于3%。因此，該模型能較為真實地反映各因素對模擬城市污水中COD去除率和氨氮去除率的影響。響應面法可以優(yōu)化SBBR反應器處理模擬城市污水。

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Optimization of SBBR Treatment of Ammonia Nitrogen in Municipal Wastewater Based on Response Surface Method

HUANG Yuqi， KANG Han， GAO Yihan

（School of Municipal and Environmental Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang Liaoning 110168，China）

Abstract：Sequencing batch biofilm reactor （SBBR）was used to treat urban simulated wastewater. The SBBR reactor was started by inoculation method. The effects of aeration time，C/N and filler dosage on the removal of ammonia nitrogen in SBBR reactor were studied. The response surface method was used to optimize the aeration time，C/N and filler dosage in the stable SBBR reactor，and the regression model was constructed and analyzed by variance. The results showed that when the biofilm was mature，the removal rates of COD and ammonia nitrogen in the effluent of SBBR system were stable at 88.1% and 85.2%，respectively. The single factor experimental analysis showed that the aeration time，C/Nand filler dosage had a significant effect on the denitrification of the SBBR reactor，and the optimal values were 6 h，10 and 30%. After response surface optimization，the optimal operating point of the reactor was determined as follows： the filler dosage was 20.2%，&nbsp;the C/N was 10.5，and the aeration time was 6.4 h. The model predicted that the removal rate of COD was 95% and the removal rate of ammonia nitrogen was 94.14%. The model validation results showed that the COD removal rate was 92.72% and the ammonia nitrogen removal rate was 91.53%，which was less than 3% of the predicted value. Therefore，the model can truly reflect the influence of various factors on the removal rate of COD and ammonia nitrogen in simulated urban sewage. The response surface method can optimize the SBBR reactor to treat simulated urban sewage.

Key words：Sewage treatment; SBBR; Construction of microbial system;Response surface optimization method;Model verification