SBR模拟工艺的运行及工艺流程优化的探索杨怡

再陨月陨晕运耘允陨郧耘晕员21圆园园8晕韵援4SBR法是间歇式活性污泥法(Sequenc-ingBatchReactorActivatedSludgePro-cess)的简称，又称为序批式活性污泥法。SBR活性污泥法是在单一的反应器内按时间顺序完成进水、反应（曝气）、沉淀、排水、待机（闲置）全过程，从而达到污水处理的目的。SBR法具有工艺简单，基建与运行费用低；生化反应推动力大、速度快、效率高；耐冲击负荷能力较强；操作灵活、易维护等优点，而且在高NH+4-N废水处理中具有优势，容易在好氧条件下控制曝气量和反应时间来强化硝化反应的顺利完成，在缺氧条件下使反硝化过程更快地完成，从而为脱氮提供条件。因而现在被广泛应用，同时也是研究短程硝化反硝化常用的一种系统。长期以来，无论是在废水生物脱氮理论上还是在工程实践中，都一直认为要实现废水生物脱氮就必须使NH+4-N经历典型的完全硝化反硝化过程才能被去除（见图1）。在该过程中，NO3-N的生成不仅延长了脱氮反应历程，而且亦造成能源和外加碳源的浪费。因此，如何有效的缩短控制脱氮历程成为近年来国内外学者的研究重点和热点，具有重要的应用价值。本试验着重研究中高DO条件下，在实现短程硝化反硝化的同时，使高氨氮废水经处理后COD和氨氮都有较高的去除率，便于日后将该研究结果应用在畜禽废水的处理中，从而在保证有较好的出水水质的同时能够提高处理效率。1材料与方法1.1材料1.1.1污泥来源实验污泥采至宜宾市江安县华夏酒业有限公司污水处理池。MLSS为1970mg/L。模拟工艺的运行及工艺流程优化的探索江安县环境保护局杨怡图1传统生物脱氮途径和短程硝化反硝化生物脱氮途径2222--PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建—系列电磁空压机，六联搅拌器，pHS-3精密数显酸度计，7202B型可见分光光度计，1000ml烧杯4只，蒸发皿，比色管等。1.1.3实验用水实验用水由人工模拟高氨氮废水和碳源有机废水根据比例混合而成，进水COD值为920mg/l，NH+4-N值为67.9mg/l，NO-3-N值为0.189mg/L，NO-2-N值为0.221mg/L，pH值为8.64。以上药品溶于1L水中备用。每次取20ml，加1.2L自来水稀释。碳源有机废水：加1.8g葡萄糖于1.2L自来水中制得。1.2方法1.2.1污泥的驯化在实验室内采用间歇运行方式培养驯化硝化—反硝化污泥，驯化期间采用的操作模式：以24小时为一个周期，连续曝气6个小时，静置2个小时，由于主要考虑脱氮效果，不需设闲置期，运行约10天左右，在进水COD为920mg/L，NH+4-N为67.9mg/L的条件下，COD去除率达到92%以上，NH+4-N去除率达75%以上，至此认为污泥驯化基本完成。1.2.2优化前的工艺运行实验所用SBR反应器为1000ml烧杯，反应器有效容积0.6L，按实验要求控制以DO值为条件的4个烧杯，每一周期反应时间由人为控制。利用pHS-3精密数显酸度计在进水时监测pH值。进水期：将配制好的模拟生活污水(总共2.4L)等量分装于4只盛有污泥混合液的烧杯中。反应期：将ACO—系列电磁空压机连接的多孔砂心曝气头放入反应器中作为曝气装置，采用限制曝气(充水完毕后开始曝气)，使4只反应器中DO值分别控制在3mg/L、5mg/L、6mg/L、7mg/L，连续曝气6小时后停止。静置期：静置2小时。排水期：将出水排至进水期前的最低水位。进水测定其COD、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N、pH值，而后从开始曝气计时起，每隔1小时分别从4只烧杯内取一定量的混合液，沉淀过滤后测定NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N含量。每隔2小时分别从4只烧杯内取一定量的混合液，沉淀过滤后测定COD值。1.2.3优化后的工艺运行优化工艺试验中采用DO=3mg/L和5mg/L两种溶解氧浓度，考察NO-2-N的积累和氨氮的去除情况，主要的分析项目不变。两种优化工艺分别是：a：曝气6小时→静置2小时→厌氧搅拌2小时→静置。其原因在于进水氨氮浓度较高，促使氨氧化菌生殖，在硝化阶段结束后积累了大量亚硝酸盐，影响了反硝化速率，相应地延长了反硝化时间。b：曝气6小时→厌氧搅拌2小时→静置10小时。其原因在于生物脱氮系统涉及厌氧和缺氧过程，系统中厌氧区和缺氧区不需要供氧，但使污泥处于悬浮状态的搅拌是必需的，要获得较好的反硝化效果，对于活性污泥系统，反硝化过程中混合液的溶解氧浓度应控制在图2试验装置图表1模拟高氨氮废水成分2323--PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建以下。静置10小时则是希望获得更加彻底的反硝化效果。1.2.4分析项目与测是方法2结果与讨论2.1工艺优化前不同DO浓度下COD的去除情况在一个周期内，不同DO浓度下的COD去除率随时间的变化趋势如图3所示，在曝气的6个小时里，四种DO浓度下水样中COD的去除率均在92%以上，说明大部分有机物是在曝气阶段去除的。其中，DO=3mg/L和DO=7mg/L浓度下的变化曲线在2~6小时之间具有相似的趋势，即先降后升，但变化幅度不大。而DO=5mg/L的变化趋势刚好相反，即先升后降，上升幅度相对较大。DO=6mg/L浓度下的变化趋势则是持续上升，并且变化幅度是四者中最大的。其原因可能是：DO=6mg/L浓度下的活性污泥具有比前述三种更稳定的氧化分解有机物的能力，能够快速地将吸附的有机物合成自身细胞物质或转化为代谢产物，正是这种稳定的作用降低了由曝气冲脱和微生物代谢所重新释放到水样中的有机物对整个过程的影响，从而表现出COD去除率持续上升的趋势。其它三种DO浓度下的活性污泥虽然在曝气初期就能够快速氧化分解水样中的有机物，但由于曝气冲脱和微生物代谢所释放的有机物造成水样中的有机物含量发生较大变化，综合作用的结果便是COD去除率的起浮不定。曝气结束时可以看出，COD的去除率是随DO值的增高而增高的。进入静置阶段后，缺氧环境将对分解有机物的好氧微生物产生抑制作用，使其分解有机物的能力大大下降，而此时反硝化菌等厌氧异养微生物将开始分解水中的部分有机物。DO=3mg/L和DO=5mg/L浓度下的曲线有起伏波动，DO=6mg/L浓度下的曲线继续上升，DO＝7mg/L浓度下的曲线缓慢下降，但就该阶段起止时刻的去除率来看，变化已很小，可认为趋于稳定。2.2工艺优化前不同DO浓度对“三氮”去除的影响DO浓度是人们在亚硝酸型硝化工艺中最为关注的指标之一。传统理论认为，在好氧条件下硝化反应才能进行，溶解氧浓度不仅影响硝化反应速率，而且影响其代谢产物。为满足正常的硝化反应，在活性污泥中，溶解氧的浓度至少要有2mg/L，一般应在2～3mg/L。当溶解氧的浓度低于0.5～0.7mg/L时，硝化反应过程将受到抑制。鉴于畜禽废水主要包括尿、部分粪和养殖舍冲洗水，具有有机物浓度高、悬浮物多、氨氮含量高、臭味大的特点，在试表2主要的分析项目和测是方法图3不同DO浓度下COD去除率随时间变化趋势2424--PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、5mg/L、6mg/L、7mg/L四种溶解氧浓度形成梯度进行运行测试。本试验结果发现：在较高的DO浓度下，亚硝基氮均得到了较高的积累，[NO-2/(NO-2+NO-3)]＞94%（见图4）。除DO=5mg/L外累积率有随DO值的增高而逐渐降低的趋势。由此可以看出，试验结果突破了传统理论的局限性，在中高DO浓度下实现亚硝基氮的积累是完全可能的。下面就反应过程中三氮的变化做出具体的分析：NO-2-N：如图5所示，曝气的前3个小时里，各DO浓度下NO-2-N的积累变化明显，呈现出一定的规律，具有相似的增长斜率。可能原因是在曝气初期反应器中营养充足，污泥活性不断增强，吸附了大量的NH+4-N，并将其转化为NO-2-N。3～6小时之间NO-2-N的积累趋势总体来看均有所减缓，这是由于随着硝化过程的进行，营养物质逐渐消耗，氨氧化菌所吸附的NH+4-N不断得以转化，总量逐渐减少，从而使得NO-2-N的增长量不如从前。停止曝气后，反应器处于静置状态，水体及污泥絮凝体内部形成缺氧状态，进入反硝化阶段。DO=3mg/L[图5(a)]和DO=5mg/L[图5(b)]浓度下NO-2-N的浓度下降较快，充分说明了反硝化作用的存在，由于这两种DO浓度属于中度DO浓度，在反硝化阶段的初期，水样中残存的溶解氧很快被好氧微生物消耗掉，从而创造出有利于反硝化进行的缺氧条件，因而能取得较明显的反硝化效果。DO=6mg/L、7mg/L[图5(c)、(d)]浓度下NO-2-N的浓度变化则比较缓慢，说明在高DO浓度下，反硝化阶段初期可能存在较多的过饱和氧，使反硝化菌的活性受到了抑制，而部分氨氧化菌可能在这种条件下继续将NH+4-N转化成NO-3-N，补偿了一部分由反硝化菌转化而减少的NO-2-N。NO-3-N：大量研究表明，氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的适宜pH值分别为7.0～8.5和6.0～7.5。在对pH值进行实时监测发现进水pH值在8.6左右，四种DO浓度下的水样在整个流程中pH值介于8.4～8.7之间。在此条件下硝化能大大提高亚硝化率，降低硝化率。另外，进水氨氮浓度较高，氨氧化菌对氨氮的氧化速率高于亚硝酸盐氧化菌的氧化速率，说明水中高浓度氨抑制了亚硝酸盐氧化菌的活性，而氨氧化菌活性并未受到明显影响。在图中硝化阶段，并没有出现NO-3-N大量增加的现象，浓度变化很小，趋势平稳。这说明亚硝酸盐氧化菌的确受到了抑制，该过程很好地实现了短程硝化反硝化。NH+4-N：在曝气开始的1个小时内，四种DO浓度下的变化都十分明显，去除率分别为79%、78%、76%、79%。这可能是污泥吸附和氨氧化菌等在起作用。在后续的运行过程中，其变化波动不大，曝气冲脱污泥吸附的NH+4-N，微生物代谢产物的排除以及其它转化途径都有可能是其浓度变化的原因，这说明氨氮的去除集中在曝气初期。图4不同DO浓度下亚硝基氮的累计情况2525--PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建可以看出，DO=3mg/L、5mg/L浓度下的出水综合效果较DO=6mg/L、7mg/L浓度下的要好，出水三氮浓度相比之下较低。2.3工艺优化后不同DO浓度对“三氮”去除的影响综上所述，在传统运行模式下，NH+4-N去除率还不够高，出水中的浓度也较高。这引发了对SBR工艺影响因素和工艺优化的思考，考虑到畜禽废水的特点以及处理经济性，优化工艺试验中采用DO=3mg/L、5mg/L两种溶解氧浓度，考察NO-2-N的积累和氨氮的去除情况。试验处理效果分析如下：由图7中四条NH+4-N变化曲线可以看出：NH+4-N在硝化阶段的渐减趋势较之前更加平稳，并不是集中在曝气开始的一两个小时内，说明氨氧化菌处于良好的运行状态之中。在曝气结束时，NH+4-N的去除率均达到了93%以上，说明绝大部分的NH+4-N是在曝气阶段得以转化的。NO-2-N在前3个小时的累积率也在93%以上，说明氨氧化菌的活性很强，将大量的NH-4-N转化成NO-2-N。前已述及由于受pH值、溶解氧浓度、氨浓度等因素的影响，亚硝酸盐氧化菌受到抑制，综合作用的结果导致图6不同DO浓度下出水三氮浓度对比图5图5图5图5不同DO浓度下三氮的变化图图52626--PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建的积累。进入静置或厌氧阶段后，反硝化菌将NO-2-N转化为N2从水中逸出。在进入反硝化阶段1个小时后，第Ⅰ种优化工艺中NO-2-N