不同曝气强度下SBMBBR和SBR脱氮除磷性能对比研究

书书书第３２卷第３期２０１２年３月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３２，Ｎｏ．３Ｍａｒ．，２０１２基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．５０９０８０２８）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．５０９０８０２８）作者简介：郭海燕（１９７７—），女，副教授（博士），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；通讯作者（责任作者）Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＧＵＯＨａｉｙａｎ（１９７７—），ｆｅｍａｌｅ，ａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ（Ｐｈ．Ｄ．），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ郭海燕，郭祯，柳志刚，等．２０１２．不同曝气强度下ＳＢＭＢＢＲ和ＳＢＲ脱氮除磷性能对比研究［Ｊ］．环境科学学报，３２（３）：５６８５７６ＧｕｏＨＹ，ＧｕｏＺ，ＬｉｕＺＧ，ｅｔａｌ．２０１２．ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｉｎＳＢＲａｎｄＳＢＭＢＢＲｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３２（３）：５６８５７６不同曝气强度下ＳＢＭＢＢＲ和ＳＢＲ脱氮除磷性能对比研究郭海燕１，２，，郭祯１，２，柳志刚１，２，张寿通１，２，周集体３１．大连交通大学环境与化学工程学院，大连１１６０２８２．辽宁省高等学校环境科学与技术重点实验室，大连１１６０２８３．大连理工大学环境与生命学院，大连１１６０２４收稿日期：２０１１０５１３　　　修回日期：２０１１０７１５　　　录用日期：２０１１０７２８摘要：对比考察了不同曝气强度下序批式活性污泥反应器（ＳＢＲ）和序批式移动床生物膜反应器（ＳＢＭＢＢＲ）的脱氮除磷效果，并分析了反应器单个周期内有机物、氮和磷的转化过程．实验结果表明，ＳＢＭＢＢＲ和ＳＢＲ脱氮主要是基于好氧段发生的同步硝化反硝化（ＳＮＤ）及进水、搅拌阶段发生的缺氧反硝化途径实现的，而除磷是基于常规生物除磷和反硝化除磷过程而完成．曝气强度会影响ＳＢＲ和ＳＢＭＢＢＲ好氧阶段ＳＮＤ发生的程度，最佳曝气强度下两者通过ＳＮＤ作用去除的ＴＮ量分别达到去除总量的４７．７％和７９．０％．在采用先行厌氧的运行方式，保持系统内高浓度微生物，使反应器在进水Ｃ／Ｎ比只有２．２～３．５的条件下均取得了良好的脱氮除磷效果．两者相比，ＳＢＭＢＢＲ和ＳＢＲ在ＣＯＤ和ＮＨ＋４Ｎ去除方面没有差异，而ＳＢＭＢＢＲ的反硝化、除磷效果更优，ＴＮ、ＴＰ去除率分别达到９５．４％和９３．５％，较ＳＢＲ分别高出１０．９％和４．１％．关键词：ＳＢＲ；ＳＢＭＢＢＲ；脱氮除磷；硝化反硝化（ＳＮＤ）；反硝化除磷文章编号：０２５３２４６８（２０１２）０３５６８０９　　　中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标识码：ＡＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｉｎＳＢＲａｎｄＳＢＭＢＢＲｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅｓＧＵＯＨａｉｙａｎ１，２，，ＧＵＯＺｈｅｎ１，２，ＬＩＵＺｈｉｇａｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧＳｈｏｕｔｏｎｇ１，２，ＺＨＯＵＪｉｔｉ３１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤａｌｉａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２８２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＥｄｕｃａｔｉｏｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＬｉａｏｎｉｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２８３．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｎｄＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２４Ｒｅｃｅｉｖｅｄ１３Ｍａｙ２０１１；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ１５Ｊｕｌｙ２０１１；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ２８Ｊｕｌｙ２０１１Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｉｎｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｒｅａｃｔｏｒ（ＳＢＲ）ａｎｄｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｍｏｖｉｎｇｂｅｄｂｉｏｆｉｌｍｒｅａｃｔｏｒ（ＳＢＭＢＢＲ）ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅｓ．ＣＯＤ，ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｐｒｏｆｉｌｅｓｉｎａｓｉｎｇｌｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｉｒｃｌｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔ，ｉｎｂｏｔｈＳＢＭＢＢＲａｎｄＳＢＲ，ｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｗａｓｍａｉｎｌｙａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄｂｙｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｃａｔｉｏｎ（ＳＮＤ）ｐｒｏｃｅｓｓａｔａｅｒｏｂｉｃｐｈａｓｅａｎｄａｎｏｘｉｃｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｔｆｉｌｌｉｎｇａｎｄｍｉｘｉｎｇｐｈａｓｅ．Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．ＡｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅａｆｆｅｃｔｅｄｔｈｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｏｆＳＮＤ，ａｎｄｕｎｄｅｒｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍａｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｄｕｒｉｎｇＳＮＤｐｒｏｃｅｓｓａｃｃｏｕｎｔｅｄｆｏｒ４７．７％ａｎｄ７９．０％ｏｆｔｈｅｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖｅｄｉｎＳＢＲａｎｄＳＢＭＢＢＲ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＩｄｅａｌｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｗｅｒｅａｃｈｉｅｖｅｄｗｈｅｎｏｐｅｒａｔｅｄｆｉｒｓｔｉｎａｎａｅｒｏｂｉｃｍｏｄｅａｎｄｋｅｐｔｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｗｉｔｈｉｎｆｌｕｅｎｔＣ／Ｎｒａｔｉｏｏｆ２．２～３．５．ＷｈｉｌｅＣＯＤａｎｄＮＨ＋４Ｎｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｗｅｒｅｓｉｍｉｌａｒｉｎｂｏｔｈｔｙｐｅｏｆｒｅａｃｔｏｒｓ，ｂｅｔｔｅｒｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｗｅｒｅａｃｈｉｅｖｅｄｗｉｔｈＴＮａｎｄＴＰｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆ９５．４％ａｎｄ９３．５％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｉｎＳＢＭＢＢＲ，ｗｈｉｃｈｗａｓ１０．９％ａｎｄ４．１％ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＳＢＲ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＢＲ；ＳＢＭＢＢＲ；ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ；ＳＮＤ；ｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ３期郭海燕等：不同曝气强度下ＳＢＭＢＢＲ和ＳＢＲ脱氮除磷性能对比研究１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）随着水体富营养化问题的日益突出及污水排放标准的不断提高，脱氮除磷已成为当前污水处理领域的研究热点，序批式活性污泥（ＳＢＲ）工艺因其特有的优越性而得到越来越广泛的应用．基于传统脱氮除磷原理，采用单级好氧或厌氧好氧运行工序的ＳＢＲ工艺很难实现污水中氮和磷的有效去除，因此，不少研究者就如何改进ＳＢＲ运行方式以减小各反应过程之间矛盾，提高脱氮除磷效果进行了深入的研究，主要的改进运行方式有：在曝气中间阶段或曝气阶段后增设停曝搅拌阶段（高锋等，２００５；薛军等，２００８），采用厌氧好氧缺氧运行模式（彭赵旭等，２００８；Ｅｌｄｏｎｅｔａｌ．，２００８），采用多段进水、交替厌氧好氧运行工序（韩志英等，２００７；王罗春等，２０１０），采用恒液位出水方式等（赵晨红等，２００８）．以上改进的运行方式提高了ＳＢＲ的运行效果，但也使其运行操作和管理更为复杂．移动床生物膜反应器（ＭＢＢＲ）是近几年兴起的一种污水处理工艺，它集中了活性污泥法和生物膜法的优点，具有生物相丰富、传质速率快、处理能力强、抗冲击负荷等特点．在ＭＢＢＲ工艺中，由于填料内部存在的溶解氧（ＤＯ）扩散限制而多有同步硝化反硝化（ＳＮＤ）现象的发生（Ｊｕｎｅｔａｌ．，２００３；张永祥，２０１０；郭海燕，２０１１），因而具有良好的脱除有机物和氮的能力．研究发现，采用厌氧好氧序批式移动床生物膜反应器（ＳＢＭＢＢＲ），利用传统除磷原理和ＳＮＤ原理能够实现氮和磷的同步去除（Ｈｅｌｎｅｓｓ，２００１；Ｇｉｅｓｅｋｅｅｔａｌ．，２００２；吴广华等，２００７）．在ＳＢＭＢＢＲ中，聚磷菌、反硝化菌、硝化菌等存在于同一系统中，必然存在着硝化菌、反硝化菌与聚磷菌对溶解氧需求不同的矛盾，反硝化菌与聚磷菌对碳源的竞争，以及在生物膜内部存在的ＤＯ扩散限制可能有利于脱氮而不利于磷的吸收等问题．因此，本文对比考察以厌氧好氧简单模式运行的ＳＢＲ和ＳＢＭＢＢＲ脱氮除磷效果，分析在不同曝气条件下反应器单个周期内有机物、氮和磷的转化过程，探讨系统中污染物去除的特性．以验证ＳＢＭＢＢＲ工艺在污水脱氮处理方面的优越性，确定关键工艺参数，为该工艺的应用推广及现有ＳＢＲ污水处理工程的升级改造提供参考．２　材料和方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　实验装置实验系统如图１所示，由反应器、进水储池、出水储池、进水泵、空气压缩机、搅拌机及自控系统组成．反应器主体为有机玻璃管制成的圆柱体，高５００ｍｍ，内径１６０ｍｍ，有效容积为１０Ｌ．进水泵、搅拌器、空气压缩机和电磁阀连接自控系统，可实现自动进水、搅拌、曝气、排水等工序．反应器运行周期约８ｈ，运行工序为：进水１０ｍｉｎ，搅拌１２０ｍｉｎ，好氧曝气３００ｍｉｎ，沉淀３０ｍｉｎ，排水１０ｍｉｎ，闲置３０ｍｉｎ．单批处理污水量５Ｌ．采用ＳＢＭＢＢＲ运行模式时，反应器内添加改性聚乙烯填料，空床填充率５０％．该填料内部为十字的圆柱形，高７ｍｍ，直径１０ｍｍ，孔隙率８４％，总比表面积１１００ｍ２·ｍ－３．图１　实验装置图Ｆｉｇ．１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐ２．２　进水水质和运行条件实验采用模拟生活污水，主要由蔗糖、ＮＨ４Ｃｌ、小苏打、ＫＨ２ＰＯ４等配制而成，同时投加ＭｇＳＯ４、ＭｎＳＯ４、ＦｅＳＯ４、ＫＣｌ、ＣａＣｌ２等，提供微生物生长所需微量元素．实验过程可分为两个阶段．第一阶段为ＳＢＲ运行模式，反应器采用某污水处理厂活性污泥接种，出现良好脱氮效果后进入正式检测阶段，期间保持进水条件基本不变，好氧段曝气强度梯度变化．进水ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ浓度范围分别为２２４～４４６ｍｇ·Ｌ－１、６５～１２３ｍｇ·Ｌ－１和１１～１６ｍｇ·Ｌ－１，进水ｐＨ为６．４～７．７，碱度（以ＣａＣＯ３计）２０４～３３１ｍｇ·Ｌ－１，曝气强度变化范围为３０～１２０Ｌ·ｈ－１，运行过程中除取样外仅通过出水排放剩余污泥，悬浮活性污泥ＭＬＳＳ变化范围为６６３０～９１１０ｍｇ·Ｌ－１，微生物污泥龄１５～２０ｄ．实验第二阶段为ＳＢＭＢＢＲ运行模式，污泥接种条件和ＳＢＲ类似，进水ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ浓度范围分别为２３１～４５９ｍｇ·Ｌ－１、１１２～１４７９６５环　　境　　科　　学　　学　　报３２卷ｍｇ·Ｌ－１和１０～２１ｍｇ·Ｌ－１，进水ｐＨ为６．４～７．８，碱度２１３～３２５ｍｇ·Ｌ－１，好氧段曝气强度梯度变化范围为３８～９０Ｌ·ｈ－１，每个运行周期通过出水排放剩余污泥，悬浮活性污泥ＭＬＳＳ浓度为４２１０～５６７０ｍｇ·Ｌ－１．２．３　分析方法主要化学指标分析方法参照《水和废水监测分析方法》（国家环保局，２００２），ＮＨ＋４Ｎ采用纳氏试剂分光光度法测定，ＮＯ－３Ｎ采用酚二磺酸光度法测定，ＮＯ－２Ｎ采用Ｎ（１萘基）乙二胺光度法测定，碱度采用酸碱指示剂滴定法测定，ＣＯＤ采用微波消解滴定法