SBR不同运行模式对好氧颗粒污泥性能的影响

王芳，葛桂波

（1.苏州科技学院化学生物与材料工程学院，江苏苏州215009；2.大连民族大学环境与资源学院，辽宁大连116600）

SBR不同运行模式对好氧颗粒污泥性能的影响

王芳1，葛桂波2

（1.苏州科技学院化学生物与材料工程学院，江苏苏州215009；2.大连民族大学环境与资源学院，辽宁大连116600）

采用厌氧/好氧交替序批式反应器，用人工合成污水为进水，比较了不同SBR运行模式对好氧颗粒污泥理化性质和脱氮性能的影响。试验在保证进水水质、曝气量、周期运行时间等参数相同的前提下，通过调整厌氧和曝气的运行时间和交替次数，共进行了四组实验，R1运行模式为进水2 min、厌氧静置88 min、好氧曝气120 min、厌氧沉降25 min，排水5 min；R2运行模式为进水2 min，厌氧静置28 min，好氧曝气120 min，厌氧沉降85 min，排水5 min；R3运行模式为进水2 min，好氧曝气178 min，厌氧沉降55 min，排水5 min；R4运行模式为进水2 min，好氧曝气58 min，厌氧沉降60 min，好氧曝气60 min，厌氧静置55 min，排水5 min。结果表明，由于SBR运行模式不同，形成的好氧颗粒污泥特性和脱氮性能有很大差别，增加SBR厌氧/好氧交替次数有利于快速形成强度较高并且脱氮性能良好的好氧颗粒污泥。

好氧颗粒污泥；厌氧/好氧交替序批式反应器；SBR运行模式

研究污水生物处理方法，探索适合我国国情而且经济有效的工艺和技术，是目前亟待解决的重要课题，而好氧颗粒污泥具备的独特性质——微生物种类多含量高、污泥比重大、具备同时硝化反硝化以及异养硝化、好氧反硝化等功能，使其成为污水处理中研究的热点问题。

目前有关好氧颗粒污泥的生物降解性能方面的研究报道很多，并且多数集中在SBR反应器中。张蓉蓉等[1]研究了好氧颗粒污泥处理高浓度氨氮废水，考察了其脱氮行为以及不同C/N条件下好氧颗粒污泥微生物的比耗氧速率、好氧颗粒污泥对氨氮的比降解速率随时间的变化规律，结果认为，随着进水氨氮浓度的提高，好氧颗粒污泥对氨氮的比降解速率也逐渐上升。李志华等[2]采用无机碳为碳源在SBR中培养好氧颗粒污泥，研究发现在实验初期较短的沉淀时间是氨氧化菌富集的主要因素，并且自养反硝化作用随着颗粒的形成而效果显著。赵永贵等[3]对高碳氮负荷下同时脱氮除碳好氧颗粒污泥进行了研究，表明通过控制运行条件可以培养出具有良好脱氮除碳功能的好氧颗粒污泥。

但至今为止,有关不同的厌氧/好氧交替运行模式对SBR反应器中好氧颗粒污泥影响的研究尚少，并且好氧污泥颗粒化的中试研究尚欠缺,同时在工业化SBR反应器中培养好氧颗粒污泥的实践还未进行。因此，本项研究主要利用SBR反应装置，以好氧颗粒污泥为生物脱氮的考察对象，研究在SBR操作工艺下，厌氧/好氧交替次序、次数和持续时间对好氧颗粒污泥理化特性和脱氮性能的影响，寻找好氧颗粒污泥稳定运行和脱氮除碳的最佳工艺运行方式，从而为改良现有污水生物脱氮工艺提供一个新思路。

1 材料与方法

1.1 实验装置结构

试验同时采用四个间歇反应器（sequencing batch airlift reactor，SBR）进行，它们具有相同的结构，均为有机玻璃方柱形，高45 cm，长和宽均为15 cm，总体积10.125 L,有效容积为10 L。反应器采用高位箱水位平衡原理进行瞬时进水，曝气气体流量由气体流量计控制，从反应器底部由空气压缩机充入，反应器排水口设在离底部高20 cm处，同时在离反应器底部高10 cm处设有一个可换排水口。试验装置流程见图1。

1.2 运行条件及方式

反应器中接种的絮状活性污泥，取自大连经济技术开发区污水处理二厂的曝气池，污泥浓度为8 000 mg/L，接种体积300 mL，颜色为黑褐色，温度为室温（22±2°C）。

在整个运行期间，四个反应器进水负荷和进水组成均保持相同且稳定。进水均为人工模拟废水，组成见表1。表1中微量元素)（mg/L）为：EDTA，15 000；H3BO4，140；ZnSO4·7H2O，430；MnCl2·4H2O，990；CuSO4·5H2O，250；NH4MoO4·2H2O，220；NiCl2，199；Na2SeO3·5H2O，210。反应器曝气量均控制在0.12 m3/h，pH用NaHCO3调控在7.0左右。

图1 SBR试验装置流程示意图

表1 反应器进水组成

由于好氧颗粒污泥的形成受到工况工艺的影响比较大，特别是合适的水力剪切力和SBR运行方式均对好氧颗粒污泥的形成有利。，因此本实验四个反应器均采用SBR运行方式。又由于SBR运行的厌氧/好氧交替次序、次数和持续时间对好氧颗粒污泥理化特性和脱氮性能的影响尚未有明确的有关报道，所以本实验四个SBR的厌氧/好氧交替次序和持续时间有所不同，其主要运行工况条件见表2。

表2 SBR运行工况比较min

1.3 分析方法

在实验进行中，对各反应器常规分析项目进行了检测，COD、BOD5、总悬浮固体（TSS）、挥发性悬浮固体（VSS）、NH4-N、NO2-N和NO3-N的分析测定均采用标准方法[4]。反应器中污泥各项特性参数SV、MLSS、SVI、MLVSS和含水率等参数的测定方法均按国家标准方法执行[5]。成熟颗粒污泥的粒径分布采用Laguna等[6]所述的湿筛分方法进行测定。颗粒污泥强度的测定采用GhangrekarMM等[7]的测定方法。好氧颗粒污泥比重的测定操作程序参考文献[8]所述。

2 结果与讨论

2.1 好氧颗粒污泥的发育形成过程

在实验过程中，由于四组反应器运行模式不同（如1.2节所示），好氧颗粒污泥在形成期间呈现不同的特点：R1反应器运行过程中污泥颜色由接种时棕黑色逐渐变为深褐色，污泥量较接种时有所减少，在运行第10天反应器中出现细小颗粒化污泥，SVI值在51.64 mL/g，随后，颗粒污泥逐渐增多并长大，形成的颗粒污泥颜色为深褐色，形状大多为圆形或椭圆形。R2在表2所列的工况条件下运行，接种絮状污泥运行的前15天，污泥颜色由接种时的棕黄色逐渐变为土黄色；运行19 d后，反应器中出现小颗粒团，SVI值为70.53 mg/L，颗粒周围粘附有絮状体污泥；在随后的运行中，颗粒污泥逐渐长大，呈土黄色，多数为不规则的圆形。R3反应器运行过程中污泥颜色由接种时棕黑色逐渐变为黄褐色，污泥量有所增长，在运行第8天左右反应器中开始出现细小颗粒化污泥，SVI值在63.27 mL/g，随后，颗粒污泥逐长大，形成的颗粒污泥颜色为黄褐色，形状大多为圆形。R4在接种絮状污泥运行后的第15天，反应器中出现细小颗粒，污泥颜色由接种时的棕黄色逐渐变为黄褐色；SVI值为56.77 mg/L。

以上现象说明，不同SBR运行模式下，污泥颗粒化过程中污泥颜色和颗粒化速度有一定的差别。结果比较见表3。

表3 好氧颗粒污泥形成初期特点

由表3可知，好氧颗粒污泥形成的时间、大小和沉降性能均受到SBR厌氧/好氧次序和运行时间的影响。对比工况条件分析可知，第一次好氧曝气之前不进行厌氧静置（如R3和R4）对好氧颗粒污泥快速形成有利，曝气后厌氧静置的时间越长（如R2和R3）形成的好氧颗粒污泥沉降指数相对越高,沉降性能越低。

2.2 好氧颗粒污泥成熟期污泥特性

经过大约30 d左右的运行时间，各反应器出水水质均保持在稳定状态，并且各反应器好氧颗粒污泥形态分明、轮廓清晰并且污泥颗粒化程度很高，说明此时各运行方式下的好氧颗粒污泥均达成熟生长期。将各反应器中好氧颗粒污泥进行理化特性的测定，并进行比较，结果见表4。

表4 成熟期好氧颗粒污泥理化特性参数

从表4中数据分析可知，污泥比重和沉降指数呈正相关，比重越大沉降指数越小，说明沉降性能越好。同时，含水率和沉降性能呈负相关，沉降性能越好，含水率越小。污泥的颗粒强度通过完整性系数表示，颗粒强度测定法[7]为：从反应器中取出部分颗粒污泥用自来水稀释10倍，取25 mL稀释后的颗粒污泥倒入高为75 cm，直径为7.5 cm的圆形容器中沉降，将在第1 min内沉降于容器底部的污泥颗粒收集，然后将其稀释到150 mL放在摇床上以200 r/min的速度摇5 min；将摇5 min后的污泥倒入一个容量为150 mL的量筒，沉降1 min后，轻轻倒出上清液；称量上清液中污泥的重量和沉降颗粒污泥的重量，求出污泥的完整性系数＝上清液中污泥重量／（上清液污泥重量＋沉降污泥重量）。污泥的完整性系数在一定程度上可表示颗粒污泥的强度，在摇床上容易破碎进入上清液的污泥量越大，污泥完整性系数越高，说明污泥颗粒强度越小。从表4分析可知，R4运行方式下形成的好氧颗粒污泥强度最高（完整性系数最小），说明SBR厌/好氧交替运行多次有利于提高好氧颗粒污泥强度。

从表4中可见，R1中形成的颗粒污泥粒径主要分布在3.0～4.0 mm之间，R2中颗粒污泥的粒径主要在1.5～2.0 mm之间，R3中形成的颗粒污泥粒径主要分布在2.0～3.0 mm之间，R4中颗粒污泥的粒径主要在1.0～2.0 mm之间。结果说明在相同水力循环时间下，不同的厌氧/好氧次序和运行时间对好氧颗粒污泥粒径有显著影响。在一个循环周期中，厌氧/好氧交替次数增多，形成的好氧颗粒污泥粒径小，但颗粒强度大。

2.3 好氧颗粒污泥对废水降解能力的比较

2.3.1 出水COD含量的变化在试验过程中，由于四个SBR反应器运行模式不同，对其中好氧颗粒污泥的形成特点均有影响，从而导致反应工艺对废水降解能力的不同。图2表明了四个反应器中出水COD的变化情况。

由图2数据表明，在反应器运行初期（1～10 d），好氧颗粒污泥处于形成阶段，各反应器出水COD的含量差别比较明显，R4中COD降解能力较大，R1中COD降解能力最小。随着运行时间的延长，好氧颗粒污泥逐渐形成，各反应器中COD的去除率明显增大，出水COD含量均降低至100 mg/L以下。在好氧颗粒污泥成熟运行期，各反应器出水COD含量差别减小，并且趋于平稳，而R4出水中COD含量仍最小，去除率达93%左右。

2.3.2 出水TN的变化情况在整个运行期间，各反应器出水TN含量的变化情况见图3。由图3数据表明，由于各反应器SBR运行模式不同，导致其对总氮的降解能力差别较大。在好氧颗粒污泥形成阶段，各反应器出水TN含量均波动较大，但R4对TN的去除能力较其它反应器有明显的优势。随着好氧颗粒污泥的形成和成熟，各反应器中出水TN的含量亦趋于稳定，但差别依旧明显。图3表明，在好氧颗粒污泥成熟稳定运行期间，R4对TN的降解能力最大，其出水TN含量接近8 mg/L，去除率达80%左右。其次R3出水TN含量保持在11 mg/L左右，去除率达72%。R1出水TN含量14 mg/L左右，去除率65%左右。R2对TN的降解能力最低，出水TN在18 mg/L,去除率只有55%左右。

图2 各反应器出水COD变化情况

图3 各反应器出水TN变化情况

2.4 运行周期下各基质降解情况

2.4.1 COD在一个运行周期的变化分析由于各反应器SBR运行模式不同，因此对各基质在同一周期不同阶段的降解情况进行了监测，COD监测结果见图4。

由图4可见，由于四个SBR反应器厌/好氧运行模式不同，所以在相同的运行时间下，反应器中COD的含量和降解速度变化较大。R1和R2以进水之后先厌氧一段时间再曝气的模式运行，而COD降解需要好氧异养菌，所以在R1和R2进水后的厌氧阶段COD降解速度较慢，COD含量很高，并且厌氧时间越长，COD保持较高水平的时间越长。R3和R4运行模式是进水之后就曝气，在好氧环境下，COD很快被降解，在曝气30 min后COD降解率就可达85%左右。R1和R2曝气之后COD也很快降低，在30 min内降解率也可达85%左右。

2.4.2 氨氮在一个周期下的变化分析同一周期下，各反应器中NH3-N变化情况见图5。

由图5分析可知，各反应器进水相同，氨氮含量均在43 mg/L左右。但在一个运行周期240 min内，由于SBR运行模式的不同，氨氮在同一时间下不同反应器中的含量差别很大。R1在运行前90 min均为厌氧阶段，因此氨氮去除率较低，氨氮含量维持在较高水平，随着90～210 min时间段的曝气，氨氮明显下降，好氧段结束时（210 min时），氨氮去除率接近排水阶段水平74%左右。R2前30 min为厌氧阶段，好氧阶段氨氮的含量明显下降，至厌氧静置阶段氨氮的去除率趋于平稳68%。R3进水之后即开始曝气，所以氨氮在整个曝气阶段（0～180 min）明显下降，当到厌氧阶段时氨氮保持在相对稳定并且较低的水平。R4通过厌氧好氧交替进行两次的模式运行，在运行前60 min，R4处于好氧阶段，其中氨氮明显下降，此阶段去除率达35%左右，在运行60～120 min时段内，R4处于厌氧阶段，此时氨氮保持在相对稳定水平，含量在25 mg/L左右，之后的120～180 min时段内，R4再次处于好氧阶段，氨氮再次出现明显下降趋势，在此好氧段结束时反应体系中的氨氮去除率达到87%左右，之后的厌氧段氨氮含量相对稳定，在一个运行周期结束时氨氮含量为4.52 mg/L，去除率达89%。

图4 各反应器COD含量在一个运行周期内的变化情况

图5 各反应器氨氮含量在一个运行周期内的变化情况

2.4.3 亚硝酸盐氮和硝酸盐氮在一个周期下的变化分析同一周期下，各反应器中NO2-N和NO3-N变化情况见图6。

图6 各反应器亚硝酸盐氮和硝酸盐氮含量在一个运行周期内的变化情况

由图6中曲线变化得出，由于各反应器SBR运行模式不同，导致在一个周期中相同的时间段内各反应器中氮基质的含量差别很大。R1在运行前90 min处于厌氧阶段，此时NO2-N略有上升，而NO3-N明显下降，原因可能是厌氧反硝化菌处在活性代谢期；在90～210 min时段的好氧阶段，NO2-N在90～120 min时间段仍略显升高，但在120～210 min时段明显下降，应是好氧硝化作用的结果，而且整个好氧阶段R1中硝酸盐氮明显升高。R2在前30 min处于厌氧阶段，此时NO2-N没有明显变化，而NO3-N明显下降，在随后30～ 150 min时段的好氧曝气，NO2-N显著下降，NO3-N明显上升，在150～240 min时段的厌氧静置，NO2-N保持相对稳定，NO3-N再次下降。R3进水之后即经历2～180 min时段的好氧曝气，NO2-N在前30 min好氧段略有上升，之后明显下降，应是好氧硝化菌活性较强，而NO3-N在略有下降之后明显上升。R4在前60 min为好氧曝气，NO2-N略有上升之后显著下降，NO3-N有所上升，之后的60～120 min时段的厌氧阶段，NO2-N无明显变化，NO3-N明显下降，而在120～180 min时段的好氧段，NO2-N再次下降，而NO3-N有所上升，之后180～235 min的厌氧静置阶段，NO2-N保持相对稳定，NO3-N明显下降。

分析以上变化规律，NO3-N的降解主要发生在厌氧阶段，应是厌氧反硝化菌起主要作用，但由于不同SBR运行模式培养的好氧颗粒性能的不同，并且有报道[9－11]好氧颗粒污泥中存在各种脱氮细菌，如厌氧氨氧化菌、好氧反硝化菌等，由于各种菌的共同作用，导致在一个运行周期下，氮基质的变化并没有明显的规律可循。总体而言，R4中好氧颗粒污泥脱氮性能最好。

3 结论

通过四组不同SBR反应器对好氧颗粒污泥的理化特性和脱氮性能进行考察，得出结论如下：

（1）在相同运行周期下，SBR运行模式对好氧颗粒污泥的培养有很大影响。由于厌氧/好氧交替模式和时间不同，导致好氧颗粒污泥形成和成熟所需要的时间不同。SBR在好氧曝气之前无厌氧静置对好氧颗粒污泥快速形成有利。

（2）运行模式对好氧颗粒污泥理化特性有很大影响。曝气后厌氧静置的时间越长形成的好氧颗粒污泥沉降指数相对越高,沉降性能越低，同时含水率越高。厌氧好氧交替次数增多，有利于提高好氧颗粒污泥的颗粒强度和颗粒比重，但形成的颗粒物泥粒径相对较小。

（3）不同运行模式中COD在相同周期时间下所处的浓度水平有很大差别，但总体来看，好氧曝气30 min内，COD的降解率即可达85%左右。

（4）不同运行模式下好氧颗粒污泥脱氮性能有很大差别。厌氧好氧交替次数增加有利于好氧颗粒污泥中氮基质的脱除，但不同模式下形成的好氧颗粒污泥中的菌落特征还有待进一步研究和探索。

[1]刘莉莉，王志平，蔡伟民.SBR反应器中好氧颗粒污泥的同步脱氮除碳特性[J].中国给水排水，2010，26（21）：113-120.

[2]李志华，郭强，吴杰，等.自养菌污泥致密过程及其污水处理特性研究[J].环境科学，2010，31（3）：738-742.

[3]赵永贵，黄钧，杨华.高碳氮负荷下同时脱氮除碳好氧颗粒污泥的研究[J].环境科学，2011，32（11）：3405-3411.

[4]国家环境保护局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002.

[5]徐亚同，史家梁，张明.污染控制微生物工程[M].北京：化学工业出版社，2001.

[6]Laguna A,Ouattara A,Gonzalez R O,et al.A simple and low cost technique for determining the granulometry of upflow anaerobic sludge blanket reactor sludge[J].Water Science and Technology,1999,40（8）：1-8.

[7]Ghangrekar M M,Asolekar S R,Ranganathan K R,et al.Experience with UASB reactor start up under different operating condition[J].Water Science and Technology,1996,34（5-6）：421-428.

[8]王凯军，贾立敏.城市污水生物处理新技术开发与应用[M].北京：化学工业出版社，2001.

[9]de Kreuk M K,Pieioreanu C,Hosseini M,et al．Kineticmodel of a granular sludge SBR：influences on nutrientremoval[J]．Biotechnol Bioeng,2007, 97（4）：801-815.

[10]Ni B J,Xie W M,Liu S G,et a1．Granulation of activatedsludge in a pilot-scale sequencing batch reactor for thetreatment of low-strength municipal wastewater[J]．Water Res,2009,43（3）：751-761.

[11]Xiao F,Yang S F,Li X Y．Physical and hydrodynamicproperties of aerobic granules produced in sequencingbatch reactors[J]．Sep Pufif Technol, 2008,63（3）：634-641．

Influence of different SBR models on nitrogen removal performance of aerobic granules

WANG Fang1,GE Guibo2
（1.School of Chemical Biology and Materials Engineering,SUTS,Suzhou 215009,China;2.College of environment and resource,Dalian Nationalities University,Dalian 116600,China）

The paper focused on the study of the performance of the nitrogen removal and characteristics of aerobic granules in four anaerobic/aerobic alternating multi-stage sequencing batch reactors which operated under the same conditions such as the influent,the aeration volume,the cycle time,etc.Under 4 hours of cycle,the four SBR reactors were different in anaerobic/aerobic alternating model and operation time,that is,R1 was run under the condition of 2 min influent,88 min anaerobic settle,120 min aerobic stage,25 min anaerobic settle and 5min exfluent;R2 was run under the condition of 2 min influent,28 min anaerobic settle,120 min aerobic stage,85 min anaerobic settle and 5 min exfluent;R3 was run under the condition of 2 min influent,178 min aerobic stage,55 min anaerobic settle and 5 min exfluent;R4 was run under the condition of 2 min influent,58 min aerobic stage,60 min anaerobic settling,60 min aerobic stage,55 min anaerobic rest and 5 min exfluent.The results show that there were distinct differences in the characteristics and the nitrogen removal performance of aerobic granules because of the different SBR models.With the increase of anaerobic/aerobic alternating time,the granule strength and performance were improved in the SBR.

aerobic granules;anaerobic/aerobic alternating multi-stage sequencing batch reactors;SBR model

X703

A

1672-0679（2015）04-0018-06

（责任编辑：经朝明）

2015-06-17

大连民族学院科研基金项目（DC12010313）

王芳（1975-），新疆昌吉州人，副教授，博士，主要从事水污染控制工程研究。