温度对新型SBR工艺脱氮除磷的影响研究

李飞，崔炜，陈涛，何因中国矿业大学环境与测绘学院，徐州(221008)摘要：新型SBR工艺是在传统SBR反应器中加一隔板，将反应器从空间上分成上下两个区域，上面是好氧区，下面为缺氧区。实验研究了温度在新型SBR工艺中对脱氮除磷的影响。结果表明：温度在20～31℃范围内，随着温度升高系统处理效果都有明显的增加，当温度在31士0.5℃工况下，处理的效果最好，CODcr、NH4+-N、TN和TP去除率分别达到89%、99%、83%和76%。关键词：SBR，新型工艺，脱氮除磷，温度目前，我国水体存在着污染严重，投入污水处理的资金有限，起步较晚，城市污水处理率低等问题。为了从根本上解决江河湖库的富营养化问题，必须对现有的大部分污水处理厂进行工艺改造，根据我国国情，以发展经济易行、效果可靠、节省能耗的可持续处理工艺为依据。因此开发低耗高效的污水处理新工艺，有效地降低废水中氮、磷含量已经成为水污染控制的一个重要研究内容。传统SBR工艺经过厌氧、好氧、缺氧三个阶段合理的时间配置交替运行，实现了去碳、脱氮、除磷。但在实际处理城市生活污水过程中，经常出现脱氮效果好时除磷效果差、除磷效果好时脱氮效果不佳的情况[1]。本实验新型SBR工艺是在反应器中加了一块挡板，将反应器分成了两个反应区：板上方为好氧区和板下方为缺氧区，形成了频繁交替A/O脱氮工艺，加上传统SBR的厌氧（缺氧）组合，实现新的运行方式：A+多次A/O频繁交替运行过程。它改变了传统SBR工艺运行模式：厌氧→好氧→缺氧单一序列的运行过程。通过对反应器中好氧缺氧厌氧区的合理空间分配，同时控制好其他影响因素，使脱氮除磷均达到昀好。因而本实验对新型SBR工艺脱氮除磷的作用及温度的影响进行了研究。1.材料与方法1.1试验装置图1实验装置图反应器所用材料为有机玻璃，内径28.8cm，有效高度25.0cm，有效容积6.0L，隔板1本课题得到中国矿业大学大学生训练“连续曝气式SBR交替工艺处理城市生活污水的研究”项目的资助。的圆孔。试验装置见图1。试验污水为人工配制，由蠕动泵流入反应器底部厌氧区，经潜水泵输送到圆孔处，再经微孔曝气器曝气流向隔板四周，从而在隔板上方形成一个好氧区；污水又由隔板边缘流向隔板下方进入缺氧区，随后流进厌氧区。1.2测定项目及方法COD:重铬酸钾法；TN:过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；NH4+-N:钠氏试剂分光光度法；TP:钼锑抗分光光度法；PH:PHS-2酸度计法；MLSS:105℃干燥减量法；DO:JPSJ-605溶解氧分析仪。1.3接种污泥活性污泥取自徐州国桢污水处理厂二沉池，接种前将污泥进行反复淘洗，去掉上层漂浮物和下层大块沉积物，留下颗粒细小的污泥；然后空曝一天，利用内源呼吸作用，使异养菌自身消耗并去掉不利物质；昀后把污泥放入反应器中进行间歇培养。驯化初期，污泥呈絮状，出水浑浊；至第20d时，污泥变成棕黄色大泥团，镜检发现大量钟虫、吸管虫和各种后生动物等微生物，污泥浓度达到3500～4000mg/L，氨氮去除率达到95%以上，这时认为驯化结束。2.结果与讨论温度是影响微生物生长活动的重要因素，在微生物酶系统不受变性影响的温度范围内，水温上升就会使微生物活动旺盛，反应速度提高。对于生化过程，一般水温在20℃～30℃效果昀好[2]。温度不仅影响细菌的比增长速率，而且会影响细菌的活性。一般认为，氨氧化细菌的昀大比增长速率与温度之间遵循Arhenius方程，温度每升高10℃，昀大比增长速率增加1倍。在5～30℃，随着温度的升高，硝化反应速率也增加。硝化菌增长的昀适宜温度范围是30～35℃。温度过高，蛋白质的变性降低细菌的活性，硝化速率也会降低。当温度低于4℃，亚硝酸盐氧化细菌的生命活动几乎停止。一般在5℃以下，40℃以上的硝化作用不能进行。而生物除磷理论认为：系统的吸磷能力取决于磷的厌氧释放量。而磷的厌氧释放由可利用的水解产物小分子有机酸决定，因此低温时水解速率下降将导致除磷效果降低。本阶段分20士0.5℃、24士0.5℃、27士0.5℃、31士0.5℃四个工况实验研究温度对脱氮除磷的影响。试验运行参数表1，4个试验工况情况见表2,工况的运行结果见表3。表1温度对脱氮除磷的影响试验运行参数温度T(℃)PH溶解氧DO(mg/l)污泥浓度MLSS(mg/l)泥龄SRT(d)反应区比例V好氧：V缺氧20士0.5℃24士0.5℃27士0.5℃31士0.5℃7.5～8.0好氧区：2.0～3.5缺氧区：0.5～1.53500-5000182：3停留时间HRT（min）进水好氧沉淀排水闲置45255301515温度对脱氮除磷的影响试验工况工况：温度℃时间分配情况（一个周期360min）工况1：20士0.5℃工况2：24士0.5℃工况3：27士0.5℃工况4：31士0.5℃进水45min,反应255min,沉淀30min,排水15min,闲置15min.表3温度对脱氮除磷的影响工况试验运行结果单位：mg/l水质指标工况120士0.5℃工况224士0.5℃工况327士0.5℃工况431士0.5℃进水263.4275.1251.4263.4出水78.857.237.528.2CODcr去除率70.10%79.20%85.10%89.30%进水38.339.338.539.7出水7.435.620.50.12NH4+-N去除率80.60%85.70%98.70%99.70%进水42.943.743.144.3出水16.2113.978.157.38TN去除率62.20%68.04%81.08%83.32%进水3.413.393.483.52出水1.891.240.970.84TP去除率44.67%63.53%72.11%76.12%从表3中可以看出，4个工况的有机物和脱氮除磷效果情况：工况4＞工况3＞工况2＞工况1，实验结果表明，系统在温度20～31℃范围内运行，随着温度升高有机物和脱氮除磷效果能力都有明显的增加，4个工况中，温度在31士0.5℃条件下，工况4运行处理的效果昀好：CODcr去除率达89%、NH4+-N了去除率达到了99%、TN去除率为83%、TP的去除率76%，从实验结果反映出工况4的有机物的去除率高，硝化反硝化脱氮效果显著，同时除磷处理效果较好。而工况1在20士1℃的CODcr去除率只有70%、NH4+-N去除率为80%、TN去除率为62%、TP去除率仅有44%，为4个工况中昀差，从实验结果反映出，在新型SBR工艺中，温度的变化对有机物和脱氮除磷是有显著的影响。分析实验结果，对于脱氮而言，在20～31℃温度变化范围内，温度对脱氮的硝化和反硝化作用有一定的影响，4个工况的NH4+-N的去除率都较高，说明温度变化对硝化的影响很小，而温度对反硝化的影响相对要大些，工况4与工况1之间相差了20个百分点。温度对脱氮作用的影响分析其原因：（1）在系统中实现的是多次A/O频繁交替不断的运行变化，污水与活性污泥充分混合后，混合液在系统中形成的空间循环流态，不仅好氧缺氧在短时间内频繁交替发生，而且混合液频繁地处于硝化反硝化反应变化之中，在好氧区发生有机物降解和硝化、吸磷的反应，在缺氧区发生反硝化反应，混合液在频繁交替A/O作用下，硝化反硝化反应进行得较完全彻底，因此，脱氮反应在20～31℃范围受温度的影响不大；（2）随着温度的升高，存在有逐渐形成亚硝酸型硝化的条件，亚硝酸型积累增加，具有实现短程硝化反硝化的可能条件。从前面好氧缺氧反应区分配比例对脱氮除磷的影响阶段的短程同步硝化反硝化或同步短程硝化反硝化实验中，已经证实了在本工艺中存在着短程同步硝化反硝化和同步短程硝化反硝化的现象。而当温度在27～31℃范围变化时，工况3和工况4的NH4+-N去除率达到98%以上、TN去除率为81%以上，从NH4+-N和TN去除率都非常高，推断出在新型SBR工艺系统中有实现短程同步硝化反硝化或同步硝化反硝化的现象。从理论上分析其原因：在脱氮过程中，温度对硝化细菌的生长和硝化速率有较大的影响。硝化细菌的生长速率N和温度的关系如下[78]：0.033(20)1,20()[10],TNndµµ−−=(3.1)式中Nu：T℃时硝化菌的昀大比生长速率，1d−N,20u：20℃时硝化菌的昀大比生长速率，1d−T：运行温度，℃在污水处理正常温度5～20℃下，硝酸菌的增长速率要比亚硝酸菌快，这就意味着氨氮在硝化过程中被完全氧化为硝酸盐氮，而亚硝酸盐氮的含量却很低，这就是以往脱氮工艺中全程硝化过程。但是，在中温和高温情况下硝化菌却表现为完全相反的特征，即亚硝酸菌的增长速率远远大于硝酸菌的增长速率。见图2亚硝酸菌和硝酸菌的昀小停留时间与温度的关系[3][4]。图2亚硝酸菌、硝酸菌的生长速率与温度、昀小停留时间的关系高景峰等人[5]通过实验，证实的温度选择理论：温度为19℃时硝化速率较温度为23℃降低近45%；在23～28℃，硝化速率差别不大；当温度超过29℃时，硝化速率又有所增加，所以硝化过程的温度不宜低于20℃。温度在5～20℃时，亚硝酸盐氧化细菌比氨氧化细菌生长速率高，但是随着温度逐渐升高，亚硝酸盐氧化细菌的生长速率明显低于氨氧化细菌的生长速率。亚硝酸盐氧化细菌比氨氧化细菌的泥龄长，因此可以通过维持相对小的泥龄将亚硝酸盐氧化细菌从系统中逐渐洗除，使氨氧化细菌逐渐在反应器中占优势，从而使氨氧化控制昀小停留时间（d）010203040硝酸菌亚硝酸菌654321温度（℃）在亚硝化阶段。温度越高则细菌的代谢速度越快，当温度达到28～30℃，硝化类型为稳定的亚硝酸型硝化，硝化结束时NO2--N/NOX--N平均维持在82～83%。工况3和工况4的实验结果与上述的实验结论是相吻合的。从实验结果分析温度对除磷的影响，可以看出4个工况的除磷率是随着温度的升高而升高。究其原因：（1）温度影响污泥中的微生物生长，污泥浓度降低，活性下降，温度影响发酵菌的产酸，厌氧区的产酸大大减少，导致在随后的好氧区乙酸枯竭，水解作用下降，可利用的水解产物小分子有机酸减少；影响释磷效率，从而影响到除磷效果。工况1与工况4相比，温度在20～31℃范围内变化，随着温度的下降，TP去除率下降了32个百分点，这一现象基本上是符合生物除磷理论；（2）工况1的TN去除率为62%时，TP去除率仅有44%的实验结果，可以认为是反硝化作用降低对释磷的影响到除磷的效果。3.结论在新型SBR工艺系统运行中，温度变化对脱氮除磷的效果是有影响。随着温度的降低，系统的微生物活性降低，去除有机物和硝化和反硝化作用的能力明显下降，反硝化能力的下降，在反应器中的硝酸盐的浓度高，抑制产酸菌的厌氧发酵和挥发性脂肪酸的产生，从而影响到系统的除磷能力。因而，本工艺在低度或常温度下运行时，要加长周期的运行和加长曝气反应的时间，并需要加长厌氧反应水力停留时间，才能保证A+多次A/O各个条件环节的反应充分和完全。同时，从实验结果也可以得出，本工艺在20℃的常温下运行时，运行周期6h和4h的曝气反应时间，是能够达到好去有机物和脱氮效果，但要同时满足脱氮除磷的效果。必须要加长运行周期和曝气反应时间。提高系统的除磷能力。参考文献[1]IrvineR,BushAW.Sequencingbatchbiologicalreactors-anoverview[J].WPCF,1979,51(2):235-243.[2]魏瑞霞,孙剑辉,陈金龙.SBR法处理废水的影响因素,.重庆环境科学,2003(11)25,156-158．[3]C.HellingalA.A.J.C.Schellen,J.W.Muldereta1.TheSHARONProce