SBR脫氮除磷最佳運行工況的探究

摘 要：為探究SBR工藝處理城市生活污水的最佳反應工況，采取“進水-好氧-缺氧-厭氧-好氧-沉淀-排水-閑置”的工藝流程，將脫氮除磷過程分離開來，對分段進水最佳流量比和各階段最佳反應時間進行研究。結果表明：對于總磷和COD的去除，A進水模式（流量比為7∶3）去除率最高，分別為83.69%和91.64%；對于總氮和氨氮的去除，C進水模式（流量比為9∶1）的進水方式去除率最高，分別為83.40%和93.50%。同時，研究發現有效反應時間為12h時為脫氮除磷的最佳運行工況。

關 鍵 詞：SBR；脫氮；除磷

中圖分類號：X703 文獻標志碼： A 文章編號： 1004-0935（2024）09-1473-04

SBR是序批式活性污泥法的簡稱，由于其具有占地面積小、工藝簡單、運行方式靈活、脫氮除磷效果好等優點，近年來成為研究熱點^[1-3]。但在傳統SBR工藝處理時，由于反硝化與聚磷菌釋磷過程存在碳源競爭，脫氮除磷效果往往不佳，難以達到規定的排放準則，發現有機物、氮、磷的去除率只有85.2%、62.4%、65.7%^[4]。因此如何改進SBR工藝、如何有效解決碳源矛盾以提高氮、磷的去除效果已成為眾多研究的重中之重。

目前出現了很多SBR的改良技術，常見的有CAST工藝、多段SBR工藝、間歇曝氣SBR工藝、交替式SBR工藝等^[5-6]。陳強等^[7]用改良分段進水三級A²/O工藝處理低碳氮比污水獲得較高的總氮、總磷去除效率；孫麗娜等^[8]將某污水處理廠SBR工藝改成分段式進水SBR工藝后，出水指標滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）中一級A標準；DAIGGER等^[9]改變進水段數和流量比使脫氮除磷效率提高了35％以上。

采用分段進水方法優化傳統SBR工藝，相比于常規單點或單區進水工藝，分段進水技術增強脫氮效率是因為部分碳源直接進入到厭氧區^[10]，提高了厭氧釋磷效率，避免了除磷過程活性污泥中攜帶的硝態氮對厭氧釋磷菌產生不利影響，強化了微生物對原水碳源的有效利用。同時，測量各個階段污水中相應指標的變化情況，通過分析不同時間的工藝流程中各個指標的變化情況選擇出最優方案，從而達到最好的脫氮除磷效果^[11]。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗裝置采用有機玻璃制成的長方體 SBR 反應器，長60cm，寬 40cm，高 40cm，總容積 96L，處理污水有效容積 72L。反應器外壁設有取水口（兼排水），底部設有排泥管，內部設有微孔曝氣頭和機械攪拌器以滿足反應要求。實驗裝置圖見圖1。

1.2 活性污泥和實驗水質

實驗用水取自江蘇省徐州市某小區的城市生活污水，具體水質指標如表1所示。

活性污泥取自中國礦業大學生活污水處理廠二沉池的脫水污泥，按 COD、N、P為100∶5∶1的質量比配制營養液，加大曝氣量，連續曝氣培養1個月后，大量原生動物鐘蟲、輪蟲、累枝蟲的出現，表明污泥馴化成功，開始進行實驗。

1.3 檢測方法

污水處理的各項監測項目和分析方法見表2。

2 結果與分析

2.1 工況設計

采取兩段進水模式，第一段進水于初曝氣前，第二次進水于厭氧階段前。設置A、B、C、D 4種進水比例，比例分別為7∶3、8∶2、9∶1、10∶0。同時，平行設置3個SBR工況，①號工況為“進水（5 min）-曝氣（2h）-攪拌（1h）-厭氧（1h）-曝氣（2h）-沉淀（30min）-排水（15min）-閑置（15min）”，有效運行周期為6h；②號工況為“進水（5min）-曝氣（2h）-攪拌（1.5h）-厭氧（1.5h）-曝氣（4h）-沉淀（30min）-排水（15min）-閑置（15min）”，有效運行周期為9h；③工況為“進水（5min）-曝氣（2h）-攪拌（2h）-厭氧（2h）-曝氣（6h）-沉淀（30min）-排水（15min）-閑置（15min）”，有效運行周期為12h。

按以上條件進行12組正交實驗，對各個階段水質進行取樣檢測，并進行分析，得出最佳運行工況。

2.2 最佳進水流量比的探究

探索了進水流量比對TP、COD、TN、NH-N去除率的影響，結果如表3至表6所示。由表3至表6可知，當有效運行時間為12h時，A模式下總磷和COD的去除率最高，即當采用7∶3流量比進水時，總磷和COD的去除效果最好。磷的去除主要在厭氧和好氧階段完成，厭氧階段水中聚磷菌釋磷，并消耗溶解性有機物（VFA），進而在后續曝氣階段過量吸磷，通過生物污泥的排放來實現磷的去除^[7]。當采用模式D（流量比為10∶0）的進水方式時由于厭氧段之前的缺少進水，前期反硝化過程又消耗了大量的溶解性有機物，聚磷菌厭氧釋磷的活動受到抑制，導致磷的去除效果變差。

對于總氮和氨氮而言，當有效運行時間為12h時，采用C模式時，總氮和氨氮的去除率最高。全進水方式污染物負荷過高會導致微生物的生命活動受到抑制，氮的去除率不高。而采用分段進水時，聚磷菌會與反硝化菌爭奪碳源，聚磷菌會優先利用污水中的碳源進行釋磷，反硝化過程就會因為碳源不足受到抑制，故后進水比例過大也會抑制氮的去除，故當采用C模式進水時，總氮和氨氮的去除效果最好。

綜上所述，下文對于總磷和COD去除的最佳運行時間探索，采用的是A模式進水條件，對于總氮和氨氮去除的最佳運行時間探索，采用的是C模式的進水條件。

2.3 最佳運行工況的探究

2.3.1 總氮去除效果分析

總氮去除效果對比圖如圖2所示。有效運行時間為12h時總氮去除效果最好，最終出水質量濃度小于15mg·L^-1，符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）^[12]一級A排放標準。從各個階段來看，進水后隨著曝氣的進行，總氮略微有所降低，主要原因是這個階段發生硝化反應，水中的氨氮轉化為硝態氮，故而該階段不是總氮去除的主要階段。隨著攪拌的進行，反應環境由好氧逐漸變為缺氧，發生反硝化反應，總氮得到大幅度的去除。缺氧以后由于再次進水，導致水中的總氮有小范圍的升高。但隨著再次曝氣的進行，水中剩余的硝態氮再次進行反硝化，得到一定程度的去除，故而在曝氣結束后出現小范圍的下降?？偟膩砜?，3個工況的總趨勢是一致的，但缺氧階段時間為2h時下降幅度最大，說明缺氧階段的最佳有效運行時間為2h。

2.3.2氨氮去除效果分析

氨氮去除效果對比圖如圖3所示。由圖3可以看出，運行時間為12h時氨氮去除效果最好。進水初期，在曝氣的條件下，氨氮因微生物硝化作用轉化為硝態氮，質量濃度大幅減小，主要原因是這個階段發生硝化反應，水中的氨氮轉化為硝態氮。但由于初次曝氣時各工況反應時間均為2h，因而各工況去除率大致相同。后續攪拌進入缺氧厭氧階段，氨氮質量濃度會有所下降?？偟膩碚f，3種工況對氨氮去除趨勢相同，但由于運行時間為12h的工況對氨氮反應時間更長，在缺氧-厭氧-曝氣階段對氨氮去除率也更高。

2.3.3 總磷去除效果分析

污水中總磷的去除主要由聚磷菌在厭氧階段消耗有機物獲得能量并釋放磷，在曝氣階段吸收污水中的磷，最后通過污泥排放實現的?？偭兹コЧ麑Ρ葓D如圖4所示。

由圖4可知，在第一次曝氣后磷的質量濃度有所下降，當反應環境由好氧逐漸變為缺氧時，由于反硝化菌與聚磷菌競爭碳源，導致釋磷量較少。厭氧階段時，一方面二次進水增加碳源，另一方面硝態氮的去除避免對聚磷菌釋磷產生不利影響，因而總磷的質量濃度陡增，達到峰值。隨后好氧曝氣縮短了除磷的進程，聚磷菌大量吸磷，污水中磷的質量濃度大幅降低?？偟膩砜?，3個工況的總趨勢是一致的，但厭氧階段時間為2h時釋磷量最大，曝氣時間為6h時吸磷量最大，去除效果最優，故缺氧階段的最佳有效運行時間為2h，曝氣時間為6h。

2.3.4 COD去除效果分析

COD的去除效果如圖5所示。第一次曝氣之后COD質量濃度快速下降，主要原因是污水中微生物的活性高，對COD的吸附、降解能力強。在缺氧階段，盡管反硝化會消耗有機物，但是好氧菌活性降低，吸附的懸浮有機物會重新進入水中，導致水中COD質量濃度有所升高。厭氧階段由于聚磷菌釋磷消耗揮發性有機物（VFA），故質量濃度降低。第二次曝氣后COD質量濃度大幅下降，但曝氣時間為6h時處理效果最好，最終出水質量濃度遠小于 50mg·L^-1，符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A排放標準?？偟膩碚f，曝氣時間為6h時COD去除效果最好。

3 結 論

1）分段進水會影響總氮、氨氮、總磷及COD的去除率。對于總磷和COD的去除，A進水模式去除率最高，分別為83.69%和91.64%。對于總氮和氨氮的去除，C模式的進水方式去除率最高，分別為83.40%和93.50%。

2）對于總氮和氨氮的去除，缺氧階段最佳有效運行時間為2h；對于總磷的去除，厭氧階段最佳有效運行時間為2h，好氧曝氣最佳有效運行時間為

6h；對于COD的去除，曝氣最佳有效運行時間為

6h。故有效反應時間為12h時為最佳運行工況。

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Research on Optimum Operating Condition of SBR

for Nitrogen and Phosphorus Removal

ZHANG Pan， FANG Li， ZHOU Jingyi， SHE Yi， ZHONG An， LI Xiaohong

（School of Environment Science and Spatial Informatics， China University of Mining and Technology，

Xuzhou Jiangsu 221000，China）

Abstract：In order to explore the optimal reaction conditions of SBR for treating urban domestic wastewater， the process flow of "raw water-aeration-anoxia-anaerobism-aeration-sedimentation-drainage-idleness" was used to separate the removal of nitrogen and phosphorus， and the optimal flow ratio of staged influent and the optimal reaction time of each stage were studied. The results showed that for the removal of total phosphorus and COD， the highest removal rates were 83.69% and 91.64% in influent A mode （flow ratio 7∶3）. For the removal of total nitrogen and ammonia nitrogen， the C influent mode （flow ratio 9∶1） had the highest removal rate with 83.40% and 93.50%， respectively. At the same time， it was found that the optimal operating condition for nitrogen and phosphorus removal was when the effective reaction time was 12 h.

Key words：SBR; Denitrification; Dephosphorization