间歇曝气SBR工艺处理特性及动力学研究

金明姬等

摘要：试验采用曝气-搅拌-曝气相结合的间歇曝气SBR工艺处理模拟废水，探讨不同有机容积负荷条件下，系统对COD、TN与TP的处理特性，并进行相关动力学研究。结果表明，0.70-1.96 kgCOD/（m3·d）有机容积负荷范围内，系统COD、TN与TP去除率随负荷无明显变化趋势，处理效果稳定，耐冲击负荷。在所有运行期间，系统COD、TN与TP平均去除率均大于96%，处理效果显著。据试验所得，在0.70-1.96 kgCOD/（m3·d）有机容积负荷范围内，间歇曝气SBR工艺COD降解动力学模型为[（So-Se）·Q]/XV=（1.31×Se）/（194.96+Se），TN降解动力学模型为[（So-Se）·Q]/XV=（0.02×Se）/（3.42+Se）。

关键词：间歇曝气SBR工艺；有机容积负荷；动力学模型

中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）15-3613-04

Abstract： The simulated wastewater was treated in SBR with intermittent aeration contained three parts： aeration-stirring-aeration. Study on the removal characteristics of COD， TN， TP and the kinetics at different organic volume loading in the system. At 0.70-1.96 kgCOD/（m3·d）， the removal efficiency of COD， TN， TP had no significant trends with the changing of organic volume loading， the removal efficiency was stable and the system was anti-shock loading. In the whole stages， the average removal efficiency was over 96% in the system so the removal efficiency was significant. At 0.70-1.96 kgCOD/（m3·d）， the kinetic model of COD was[（So-Se）·Q]/XV=（1.31×Se）/（194.96+Se） and TN was [（So-Se）·Q]/XV=（0.02×Se）/（3.42+Se） in the SBR with intermittent aeration.

Key words： SBR with intermittent aeration； organic volume loading； kinetic model

序批式活性污泥法（Sequencing batch reactor，SBR）是20世纪70年代初由美国开发出的污水处理工艺[1]。该工艺是在单一曝气池内通过时间的交替实现进水、反应、沉淀、排水等运行过程的处理技术。与传统活性污泥法相比，SBR工艺由于其运行方式的独特性，具有结构简单，操作灵活，管理方便，占地面积小等优点[2-4]。目前，随水体富营养化问题的日趋严重[5]，SBR工艺广泛应用于生物脱氮除磷领域。SBR工艺以其灵活多变的操作为基础，通过间歇曝气的运行模式，在生物反应池内易形成好氧、缺氧及厌氧等不同的运行环境。实现生物脱氮过程中的硝化、反硝化反应，以及生物除磷过程中的厌氧释磷、好氧吸磷过程[6-9]。本研究采用曝气-搅拌-曝气相结合的间歇曝气运行方式，考察间歇曝气SBR工艺对有机物及氮、磷等营养物质的处理特性；同时，进行相关动力学模型研究，探求有关动力学参数，建立间歇曝气SBR工艺污染物降解动力学模型。为工艺的优化设计及运行管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验装置如图1所示，由有机玻璃加工而成，反应池液体有效容积为34 L，在离上水位8 L处设有排水口。反应池上设有曝气装置、搅拌装置及时间控制器等。曝气装置用于曝气，搅拌装置用于缺氧搅拌，时间控制器用于调整曝气与搅拌等不同的运行状态。

试验采用自配的模拟废水，废水结合微生物生长所需营养成分，以葡萄糖、（NH4）2SO4和K2HPO4作为碳源、氮源及磷源，外加部分微量元素配制而成。试验根据不同试验要求按比例调整了其进水浓度。试验用活性污泥取自城市污水处理厂二沉池的回流污泥。

1.2 试验设计

试验采用间歇运行模式，其运行周期为12 h，日处理量为16 L。结合生物脱氮除磷机理如图2，试验采用曝气-搅拌-曝气相结合的间歇曝气运行方式，曝气与搅拌时间分别为5 h。试验以有机容积负荷为变量，考察了不同负荷条件下，间歇曝气SBR工艺对COD、TN及TP的处理特性。试验将进水负荷从0.70依次提高到1.03、1.44、1.70及1.96 kgCOD/（m3·d）等不同条件。

水质的检测参照国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》[10]，MLSS采用105 ℃干燥减重法，COD采用重铬酸钾法，TN采用过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法。

2 结果与分析

2.1 间歇曝气SBR工艺处理对COD处理效果的影响

如图3所示，运行期间COD进水浓度在1 169.2～4 340.6 mg/L，出水浓度在24.6～210.1 mg/L范围内。在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）负荷范围内，COD出水浓度随负荷的增加呈上升趋势。在0.70 kgCOD/（m3·d）与1.03kgCOD/（m3·d）条件下，COD平均出水浓度分别为38.8 mg/L与56.4 mg/L，满足了《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准（60 mg/L）[11]。

在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）不同负荷条件下，COD平均去除率依次为97.3%、97.4%、96.7%、97.0%和95.4%；随负荷的增加，去除率无明显变化趋势，处理效果稳定，系统耐冲击负荷能力强。整个运行期间，COD平均去除率为96.8%，系统对COD处理效果显著。

2.2 间歇曝气SBR工艺处理对TN处理效果的影响

如图4所示，运行期间TN进水浓度在23.1～92.1 mg/L，出水浓度在0.8～7.7 mg/L范围内。在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）负荷范围内，TN出水浓度随负荷的增加呈上升趋势；但0.70～1.70 kgCOD/（m3·d）范围内，其变化幅度较小；负荷上升至1.96 kgCOD/（m3·d）时，其变化幅度相对较大。在整个运行期间，出水浓度均满足了一级B标准（20 mg/L）。

在0.70～1.70 kgCOD/（m3·d）负荷范围内，TN去除率无明显变化趋势，处理效果稳定；而负荷上升至1.96 kgCOD/（m3·d）时去除率有所下降，但此阶段平均去除率为94.2%，去除效果仍较高。随负荷的增加活性污泥中降解有机物的异养微生物生长迅速，易形成优势种，抑制参与生物脱氮过程的硝化菌生长，故负荷增加至一定条件时，去除率呈下降趋势[12，13]。在曝气-搅拌-曝气相结合的运行方式中，前置曝气与搅拌为生物脱氮提供了较好的硝化与反硝化环境，故整个运行期间，TN平均去除率较高，为96.2%，系统对TN去除效果显著。

2.3 间歇曝气SBR工艺处理对TP处理效果的影响

如图5所示，运行期间TP进水浓度在8.1～27.9 mg/L，出水浓度在0.2～0.9 mg/L范围内。在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）负荷范围内，TP出水浓度随负荷的增加呈先下降后上升趋势。但整个运行期间，出水浓度均满足一级B标准（1 mg/L），且变化幅度较小。

在0.70 kgCOD/（m3·d）低负荷条件下，TP去除率较低；而随负荷的增加去除率上升，在1.03～1.96 kgCOD/（m3·d）负荷范围内去除率无明显变化趋势，处理效果稳定。低负荷条件有利于硝化菌的生长，而反硝化反应因缺少碳源受到抑制，故硝酸盐得到富集[14]。据研究表明，硝化过程中产生的硝酸盐对生物除磷过程中的厌氧释磷有抑制作用，故低负荷条件下TP的去除率最低[15，16]。在间歇曝气系统中，搅拌与后置曝气为生物除磷提供了较好的厌氧释磷与好氧吸磷环境，整个运行期间，TP平均去除率为96.1%，系统对TP去除效果显著。

2.4 基质降解动力学研究

生物处理过程中，基质的降解导致微生物的增长。在动力学研究中，较好反应基质降解与微生物增长间关系的方程有Monod方程[17-19]（公式1）。SBR工艺在反应阶段发生基质降解与微生物的增长[20]，故间歇曝气SBR工艺动力学模型符合Monod方程。

v=vmax·■ （1）

按物理意义，基质降解速率为单位时间单位污泥所去除的污染物量，故基质降解速率又可表示为式2，式中dS/dt又可表示为式3。

v=■·■ （2）

■=■ （3）

将式1、式2与式3进行整合，可得间歇曝气SBR工艺基质降解动力学模型如式4。

■=vmax·■ （4）

式中，S0与Se分别为污染物进出水浓度（mg/L），Q为进水量（L），V为反应器有效容积（L），X为混合污泥浓度（mg/L），Vmax为最大比降解速率（d-1），Ks为饱和常数（mg/L）。

试验中，V与Q为恒定值，稳定状态下，X几乎保持不变。试验通过改变进水浓度（S0），测不同条件下的出水浓度（Se）；以1/Se与XV/[（S0-Se）·Q]为横纵坐标进行线性回归，求动力学参数Vmax与Ks，并建立基质降解动力学模型。

结合不同负荷条件下，废水中COD、TN、TP的进出水浓度与微生物浓度，以1/Se与XV/[（S0-Se）·Q]为横纵坐标作图，其结果如图6。从图6可知，COD、TN拟合结果相关性较好，而TP拟合结果相关性差，相关系数（R2）仅为0.130 6，故文章只对COD与TN进行了进一步的动力学研究。

图6中直线斜率为KS/Vmax，在纵坐标上的截距为1/Vmax。由此所得Vmax与Ks值，以及所建动力学模型如表1所示。

为进一步验证动力学模型的科学性，将不同负荷条件下COD与TN出水浓度模型预测值与实测值进行了比较，比较采用卡方（χ2）检验。结果如表1，COD与TN卡方（χ2）值分别为9.45与0.75，χ2<χ20.05，4=9.49，P>0.05，预测值与实测值无明显差异，在0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）负荷范围内，模型可较好的预测间歇曝气SBR系统出水水质，在工程实践中具有一定的意义。

3 结论

1）在0.70-1.03 kgCOD/（m3·d）有机容积负荷范围内，系统COD出水浓度满足了《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准；在0.7-1.96 kgCOD/（m3·d）负荷范围内，TN与TP出水浓度均满足了一级B标准。

2）在不同有机容积负荷条件下，COD、TN与TP去除率无明显变化趋势，系统处理效果稳定，耐冲击负荷。在所有运行期间，COD、TN与TP平均去除率均达到96%以上，系统处理效果显著。

3）据试验所得，0.70～1.96 kgCOD/（m3·d）有机容积负荷范围内，间歇曝气SBR工艺COD降解动力学模型为[（SO-Se）·Q]/XV=（1.31×Se）/（194.96+Se），TN降解动力学模型为[（SO-Se）·Q]/XV/=（0.02×Se）/（3.42+Se）。通过对模型的验证，模型在一定负荷范围内，可较好地预测系统出水水质，在工程实践中具有一定意义。

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