彭永臻，曾薇

　　摘　要：本文介紹了采用兩段 SBR法處理有機物和氨氮含量較高的化工廢水的試驗研究。一段反應器（SBR1）的反應過程處于好氧狀態(tài)．主要去除大部分有機物。二段反應器（SBR2）先好氧，去除剩余有機物和硝化反應，并且控制硝化反應進程至亞硝酸型硝化結束；然后缺氧反硝化，反硝化以原水作為碳源。試驗結果表明：采用兩段SBR法處理有機物和氨氮濃度較高的工業(yè)廢水，增加了二段污泥中硝化菌的含量，使具有不同作用的兩大類微生物群體分別在各自的反應器內(nèi)生存。在進一步降低出水COD的同時，避免高有機負荷對硝化反應的沖擊，使碳氮比（C/N）不再成為脫氮系統(tǒng)的影響因素。因此，與單一的SBR法相比，兩段SBR法不僅提高處理效率，還能節(jié)約能耗及外加碳源的費用。
　　關鍵詞：兩段SBR法，亞硝酸型硝化，反硝化

　　SBR藝己廣泛應用于工業(yè)廢水的處理[1]。近年來，以SBR藝為基礎，陸續(xù)開發(fā)和應用了幾種新型的SBR工藝。例如，膜法或SBR[2]，二級SBR系統(tǒng)[3]，厭氧SBR[4][5]，三級SBR系統(tǒng)[6]等等。SBR的一個顯著特點就是可以在時間上靈活地控制好氧、缺氧和厭氧的環(huán)境條件，達到脫氮除磷的目的。因此，對于處理氮、磷濃度較高的廢水。SBR已成為理想的工藝[7，8]。本研究將兩個普通SBR反應器串聯(lián)起來，處理有機物與氨氮濃度均較高的工業(yè)廢水，即能去除有機污染物又能達到脫氮的目的。因此，控制不同的試驗條件，研究兩段SBR法的特性，為高效處理有機物和氨氮濃度較高的廢水提供一定的理論依據(jù)。

1．材料和方法

　　試驗采用石油化工廢水，原廢水主要含有乙酸、偏苯三酸及苯酥等多種有機化合物，呈強酸性，處理前調(diào)節(jié)pH值為6～7。加適量的自來水稀釋到不同的COD濃度，并根據(jù)試驗要求投加NH₄Cl和KH₂PO₄，兩段SBR工藝系統(tǒng)由兩套相同的SBR串聯(lián)構成，分別命名為SBR1和SBR2。SBR1處于好氧狀態(tài)，去除大部分有機物。SBR2以脫氮為主，先好氧硝化，并控制硝化反應至亞硝酸型硝化結束，同時也去除少部分剩余的有機物，進一步降低出水COD濃度。然后缺氧反硝化，反硝化通入原水作為碳源。每套反應器裝置如圖1所示。反應器高70cm，直徑30cm，有效容積38L。采用鼓風曝氣，轉子流量計調(diào)節(jié)曝氣量控制DO濃度；溫控儀和加熱器控制水溫；在線檢測DO、ORP和pH，并根據(jù)這些參數(shù)的變化情況在一定的時間間隔內(nèi)取樣測定COD、NH₄⁺-N、NO₂^-－W、NO₃^--H和MLSS等指標。

2．試驗結果與分析

　　兩段SBR系統(tǒng)啟動和污泥培養(yǎng)馴化階段，始終將水溫維持在30～32℃，SBR2硝化段的pH值控制在7.0-7.7，此溫度與pH值均是亞硝化菌的最佳范圍。原水的氨氮在50-100mg/L，COD在500～1000mg／L范圍內(nèi)變化，在線檢測DO、ORP和pH。每一周期的硝化反應過程中曝氣量恒定，由于在固定氧供給模式下，SBR內(nèi)的亞硝酸化和硝酸化具有順序發(fā)生的特點，當NH₄⁺-N全部轉化為NO₂^--N和部分NO₃⁺-N時，pH值大幅度升高^[9]。根據(jù)在線檢測的pH值的這一變化特點，及時結束SBR2的硝化過程，進入缺氧反硝化。因此，SBR2的硝化反應并不是設定固定的水力停留時間（HRT），而是根據(jù)原水氨氮濃度的變化在線控制反應時間。采取這種控制方法和上述的運行條件，經(jīng)過一個月的培養(yǎng)，亞硝化菌占絕對優(yōu)勢，SBR2硝化反應結束時NO₃^--N/NOx--N在5％以下，成功的將硝化反應控制在亞硝酸型硝化結束。在后續(xù)試驗結果的討論中，由于NO₃^--N的最大濃度只有1-2mg／L，圖中沒有出示，主要討論NO₂^-－N變化。
　　試驗考察了溫度對兩段SBR反應器內(nèi)污泥活性的影響情況，從而找出各自反應器內(nèi)微生物最適宜的溫度條件。在此基礎上，變化不同的進水NH₄⁺—N濃度和COD濃度，比較兩個反應器內(nèi)污染物降解情況。
2.1 溫度的影響
　　試驗配制原水COD濃度為1270mg/L，進入SBR1混合后初始COD濃度為1050mg/L，氨氮濃度為85mg／L，MLSS控制在2000mg/L左右。一般認為微生物降解COD的適宜溫度為20℃，因此，SBR1在20℃運行的基礎上突然將溫度變化到15℃、27℃，COD的降解情況如圖2（a）所示。SBR1主要是去除大部分COD，SBR1出水沒有檢測出亞硝態(tài)氮，說明SBR1沒有發(fā)生硝化反應。在SBR1的反應過程中，氨氮濃度隨COD的降低而減少，由于沒有發(fā)生硝化反應，氨氛濃度的減少主要是用于微生物的同化作用。SBR1的出水進入SBR2，反應初始的氨氮濃度為34mg/L。SBR2的主要作用是硝化、反硝化。一般認為硝化反硝化的適宜溫度是30℃，因此，SBR2在30℃運行的基礎上，將溫度突然變化到20℃、25℃、34℃，MLSS控制在1800mg／L左右，DO充足，氨氮及亞硝態(tài)氮的變化情況如圖2（b）所示。
從圖2(a）中可以看出，當SBR1的溫度由20℃進一步提高到27℃時，對COD的降解過程幾乎沒有影響，反應并沒有因為溫度的提高而加快。但是，當溫度由20℃突然降至15℃時，反應速度明顯變慢，COD的比降解速率由8.4kg／（kg.d）降到6.3kg／（kg.d），反應時間延長30min。由此可見，對于去除COD的微生物而言，當溫度超過20℃后，微生物的活性已充分發(fā)揮，在污泥濃度和進水COD一定的條件下，溫度的影響已不明顯。在溫度低于20℃的范圍內(nèi)，溫度成為污泥活性的限制因素，對反應速度的影響較大。因此，SBR1的適宜溫度確定為20～25℃。從圖2（b）中可以看出，在30℃時，硝化和反硝化所用的時間最短，當溫度進一步提高到34℃時，對反應過程幾乎沒有影響。隨著溫度從30℃降至25℃、20℃，硝化反硝化的速度也隨著逐步降低。由此可見，30℃時硝化菌和反硝化菌的活性最強，SBR2的適宜溫度在30℃左右。試驗結果表明：兩種微生物存在于不同的反應器內(nèi)并在各自最佳的溫度范圍內(nèi)發(fā)揮最大作用，因此提高了處理效率。避兔在單一反應器內(nèi)，溫度過高而增加運行費用或溫度過低而降低微生物的活性。更重要的是，控制SBR2在30℃左右的條件下運行，可將硝化反應控制在亞硝酸型硝化反應結束。

2.2 進水COD濃度的影響
　　試驗中SBR1初始氨氮濃度不變，均為85mg／L，改變初始COD濃度（s）分別為1250mg/L、850mg/L和600mg／L，SBR1和SBR2的污泥濃度分別控制在2000～2300mg／L和3000mg／L左右，DO充足。兩個反應器內(nèi)COD、氨氮和亞硝態(tài)氮濃度的變化情況如圖3a）、 （b）所示。
　　從圖3（a）中可以看出，當初始COD濃度由600mg／L增加到1250mg/L，經(jīng)SBR1處理后出水的COD濃度僅由120mg/L增加到190mg/L，大約80％的COD都已在SBR1去除。也就是說，SBR1初始COD濃度增加了700mg／L，SBR2進水COD濃度僅增加了70mg／L，對SBR2的硝化反應不會帶來沖擊和影響。對于硝化反應而言，硝化菌要求的污泥齡較長，大約30天以上。而單一的SBR系統(tǒng)長期在較高的COD濃度下運行，降解COD的異養(yǎng)菌就會快速增殖，抑制硝化菌的生長。與此同時，為保持反應器內(nèi)一定的污泥濃度，硝化菌會隨著剩余污泥排放量的增大而流失，縮短污泥齡，降低硝化反應速度。兩段SBR法可有效的避免高COD濃度對硝化反應的沖擊，因為大部分COD在SBR1中已被去除。SBR2由于COD濃度低，相對于SBR1而言，污泥增長非常緩慢，污泥齡長，保證了硝化菌較長生長周期的要求。例如，在試驗中，當SBRI初始COD為1250mg/L，SBR1反應結束后COD僅剩190mg／L，SBR1的MLSS則由2000mg／L增至2300mg/L。而SBR2的MLSS在這個反應周期結束后僅增長了30mg／L。另有研究指出：當BOD5/TKN=9時，硝化菌僅占污泥的2.9％，當BOD5/TKN＝1時，硝化菌的比例可以提高到21％。由此可見，較低的COD濃度有利于提高污泥中硝化菌的比例，提高硝化反應速度，兩段SBR的比硝化反應速度可達到0.2～0.25kg／（kg.d）。
　　圖3(b）的試驗結果驗證了上述分析。

　　圖3(b）反映的是SBR2反應過程中COD的變化情況。從圖中看出，SBR2可以去除少部分剩余的COD，進一步降低出水COD濃度。這是由于SBR2雖然以脫氮為主，但污泥中占大部分的仍是可以降解COD的異養(yǎng)菌，包括反硝化的異養(yǎng)菌，因此仍能去除少部分COD。結合圖3（b）中SBR2的氨氮與亞硝態(tài)氮變化情況，發(fā)現(xiàn)硝化反應與去除COD同時發(fā)生。這是由于SBR2進水的COD濃度較低，硝化菌只有在低COD濃度的條件下，才能在與異養(yǎng)菌的競爭中發(fā)揮作用。SBR1初始的COD濃度越低，SBR2進水的氨氮濃度越高，所需的硝化反應
時間越長，反硝化所需碳源也越多。例如，圖3(b）中所示，SBK1的初始COD濃度為600mg/L時，SBR2的硝化時間最長，達到140min。三個COD的突增是反硝化開始時注入原水作為碳源，引起COD的增高，但隨著反硝化的快速進行，COD也快速下降。對應于SBR1初始COD為600mg／L的曲線，COD的突增出現(xiàn)得最晚，COD增長的幅度也最大，正說明了這個反應過程的硝化時間最長，所需碳源最多。各個反應過程的反硝化都是以原水作為碳源，這樣可以節(jié)省另投碳源的費用。
　　綜合上述分析，在SBR1進水氨氮濃度不變的條件下，COD濃度的增加只會相應的延長SBR1的反應時間，SBR2內(nèi)的硝化反應時間反而隨COD的增加而減少，這是由于在SBR1內(nèi)，隨著進水COD濃度的增加，微生物同化作用消耗的氨氮也增加，使SBR2的進水氨氮濃度降低。
2.3 進水氨氮濃度的影響
　　試驗中SBR1初始的COD濃度不變，每個周期都是800～850mg/L，改變初始的氨氮濃度(N）分別為103mg／L、87mg/L、70mg/L。SBR1的污泥濃度控制在2000～2200mg／L左右，SBR2的污泥濃度控制在3000～3100mg／L，DO充足，兩個反應器內(nèi)COD、氨氮、亞硝態(tài)氮隨時間的變化情況如圖4（a）、(b）所示。

　　從圖4(a）中可以看出，對于SBR1，在氮充足的情況下，COD的降解速度不受氨氮濃度的影響，三組不同氨氮濃度的進水，COD的降解時間基本相同。由于COD濃度不變，三組試驗中SBR1內(nèi)微生物同化作用消耗的氨氮是相同的，因此SBR1出水的氨氮濃度隨進水氨氮濃度的增加而增加。從圖4(b）可以看出，SBR2硝化、反硝化的時間隨進水氨氛濃度的增加而延長。COD變化在SBR2反應前期基本相同，COD降解與硝化反應同時進行。SBR1進水氨氮濃度越高，SBR2反硝化需要的碳源越多，即COD的峰值越高。由于反硝化需要的時間較短，圖4(b）也反映出在碳源充足的條件下，進水氨氮濃度的變化對反硝化時間的影響不是很顯著。因此，在原水COD濃度不變，氨氮濃度變化的條件下，對SBR1內(nèi)的COD降解沒有影響，只是相應的改變SBR2硝化反應時間。在進水氨氮濃度較高的情況下，兩段SBR可有效的提高硝化反應效率和總反應效率，減少總反應時間。
2.4 進水氨氮與COD沖擊負荷的影響
　　將原水氨氮55mg／L，COD550mg／L突然增大到氨氮85mg／L，COD1250mg／L。SBR1和SBR2的污泥濃度分別控制在2000～2100mg／L，3000mg／L左右。
　　圖5（a）表明了隨進水COD濃度的增加，SBR1的反應時間延長。盡管SBR1進水的COD濃度由550mg/L增加到1250mg／L，氨氮濃度也相應的由55mg／L增加到85mg／L，但是大部分COD在SBR1去除，而且COD濃度越高，SBR1內(nèi)的異養(yǎng)菌同化作用消耗的氨氮越多，使得SBR1出水的COD和氨氮只在很小的范圍內(nèi)變化。SBR2的COD變化情況如圖5(b)所示，兩組試驗沒有明顯的差別，因為大部分COD在SBR1內(nèi)去除，SBR2進水COD幾十mg／L的變化不足以對反應過程產(chǎn)生影響。圖5(b）也出示了SBR2內(nèi)的氨氮和亞硝態(tài)氮的變化過程，兩組試驗也沒有明顯的差別。而單——SBR法在同樣的條件下，由于污泥的快速增長而降低硝化菌的比例，總反應時間延長20%。因此，對于兩段SBR法，在氨氮與COD濃度同時增大的沖擊負荷下，由于大部分COD和部分氨氮在SBR1中去除，可有效的抵制沖擊負荷對SBR2硝化反應的干擾。

　　2.2、2.3和2.4均是從不同角度改變原水的碳氮比（C/N：7－15），考察 C／N對兩段SBR脫氮系統(tǒng)的影響，因為C/N是影響活性污泥法脫氮系統(tǒng)的主要因素。C/N過高，則降低硝化反應速率，通常要求BOD₅在15－20mg／L以下；C/N過低，則硝化反應時間過長并抑制反硝化做。而兩段SBR系統(tǒng)去除COD和脫氮發(fā)生在不同的反應器內(nèi)，C／N不再是硝化反應的制約因素。在任何C/N條件下，氨氮的污泥負荷均可達到0.25kg／（kg·d）。反硝化引入污水作為碳源，原水的C/N也不再是反硝化的制約因素。

3．結論

　　(1）采用兩段SBR法處理有機物和氮含量較高的工業(yè)廢水，可以使兩大類具有不同作用的微生物群體存在于不同的反應器內(nèi)，并在各自最佳的環(huán)境條件下生存，可有效的提高處理效率。
　　（2）在SBR1去除大部分COD的基礎上，SBR2可以進一步去除剩余的少部分COD，使出水的COD濃度更低。。
　?。?）SBR1去除大部分COD，防止高有機負荷對SBR2內(nèi)硝化反應的沖擊，使C/N不再硝化反應的制約因素。同時，SBR2內(nèi)較低的COD濃度有利于硝化菌的生長，增加污泥中硝化菌的比例，提高硝化反應速率，減少總反應時間，節(jié)省運行費用。
　　（4）控制SBR2內(nèi)的硝化反應進程至亞硝酸型硝化反應結束，節(jié)約能耗。而且反硝化投加原廢水作為碳源，提高硝化反應速率并節(jié)省另投碳源的費用，降低處理成本。

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