SBR法交替缺氧好氧模式下短程硝化效率的优化

高春娣，王惟肖，李 浩，焦二龙，彭永臻

（北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124）

SBR法交替缺氧好氧模式下短程硝化效率的优化

高春娣*，王惟肖，李 浩，焦二龙，彭永臻

（北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124）

采用SBR法以实际生活污水为研究对象，通过交替缺氧好氧的运行模式实现了短程硝化的快速启动.在不同的缺/好氧时间比条件下考察了短程硝化的启动时间、污染物处理效果以及氨利用速率的变化.结果表明，在缺氧/好氧时间比为1：1和2：1条件下，分别用了31，55d使得两系统的亚硝酸盐积累率达到90%，短程状态稳定.氨氮去除率达到95%以上，COD出水在50mg/L以下，总氮去除率提高20%，污染物的去除效率有所提高.由全程到短程的转变期间，系统氨利用速率分别提高了67.5%和89.8%，同时提高了短程硝化的效率.期间，污泥沉降性较好，污泥容积指数稳定在60～80mL/g.

废水；交替缺氧好氧；短程硝化；氨利用速率；沉降

近年来，短程硝化反硝化已经成为水处理领域的研究重点和热点，对短程硝化的实现及相关内容进行了大量的研究［1-2］.与传统生物脱氮工艺相比，短程硝化反硝化工艺可节约25%的供氧量，减少40%的反硝化有机碳源（以甲醇计）［3］，反硝化速率高出了63%，缺氧阶段产生的生物量下降了30%［4］.通过温度、pH值、游离氨、低溶解氧、实时控制、交替等方法可以抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的生长，使氨氧化菌（AOB）在系统中占优势，进而实现亚硝化［5］.

交替工艺是指在一个周期内的反应阶段，缺氧好氧交替循环运行.它不仅在工业废水［6］、豆制品废水［7］、垃圾渗滤液［8］中有一定的应用，也可以用于生活污水［9］，并从实验室规模逐渐扩大到实际的污水处理厂，也可用于污水处理厂的升级改造［10］.不需要投加化学药剂，仅需要简单操作曝气的开关［11］就可以实现交替工艺.Katsogiann等［12］采用先好氧20min后缺氧1h的运行模式，循环3次可以实现短程硝化.与传统模式相比，COD和悬浮固体的去除率基本相同；在溶解氧为2g/m3条件下，交替系统的脱氮效率为71.10%，然而在传统系统上只有24.37%［13］.从传统工艺转化为交替系统不需要添加任何投资费用［13］，可以在一定程度上减少曝气时间，节约能耗.目前，交替好氧缺氧工艺实现短程多以实时控制为主［7，10，14］，这对试验装置及设备的要求相对较高，投资较大，运行成本高，而以非实时控制为手段的研究较少［11］.同时，交替条件下主要研究的是温度、pH值和溶解氧（DO）对实验效果的影响［15］，缺乏交替时间比对短程效率优化的研究［11，16］.

本研究在非实时控制的条件下，利用AOB与NOB生理特性的不同，采用序批式反应器（SBR），交替缺/好氧的运行模式处理实际生活污水，快速实现短程硝化，通过不同缺/好氧时间比来确定优化条件，包括实现短程的时间及其污染物处理效果，氨利用速率的改变，并考察期间污泥沉降性的变化情况.

1 试验材料与方法

1.1 试验装置及废水成分

图1 SBR装置示意Fig.1 Schematic diagram of SBR

本试验采用2个相同SBR反应器，均由有机玻璃制成，为圆柱体，有效体积为8L，如图1所示.在反应器壁上有3个口，分别用于进水、排水和排泥；以3个曝气砂头作为微孔曝气器，采用鼓风曝气的方式，并以转子流量计调节进气量.

试验所用的进水来自北京市某高校家属院，属于低C/N比城市生活污水，其进水COD浓度为150～250mg/L，平均浓度为188mg/L，-N浓度为60～80mg/L，平均为70mg/L， C/N比约为2.65，-N浓度为0～0.36mg/L，-N浓度为0～2.4mg/L， pH值为7.0～7.8.

1.2 污泥来源、驯化及试验运行

污泥取自实验室中试SBR工艺排放的剩余污泥，平均接种到两个SBR反应器中，按照传统SBR工艺缺氧1h、好氧4h进行驯化，驯化后的污泥达到氨氮全部氧化，亚硝酸盐积累率几乎为0，并且污泥具有良好的沉降性能，SV%为20%～25%.

运行方式按照先缺氧后好氧的模式交替运行，交替循环3次后沉淀排水，其中SBR1缺/好氧时间比是1：1，即缺氧搅拌45min，好氧曝气45min；SBR2缺/好氧时间比是2：1，即缺氧搅拌60min，好氧曝气30min.总反应时间为270min，每天运行2个周期，温度为25℃，排水比为50%，污泥龄为30天，污泥浓度保持在2500～3000mg/L.

1.3 分析方法

表1 FISH分析中采用的寡核苷酸探针Table 1 16S rRNA-targeted oligonucleotide probes used in FISH analysis

1.4 氨利用速率的测定

氨利用速率（AUR）通过测定混合液中起始的氨氮浓度，并间隔一定时间段测定混合液中氨氮的浓度，根据测定结果即可得到氨氮浓度随时间的变化曲线，利用曲线的斜率r和测定的混合液MLVSS值，由公式AUR=r/MLVSS求得氨利用速率（mgNH4+-N/（gVSS·h））.其中，采用人工配置混合液，以氯化铵为氮源，碳酸氢钠为碱度，并且保证氮源及碱度足量（设定氨氮浓度为60mg/L， 0.5g/L NaHCO3每0.2g/L NH4Cl）［18］.将污泥清洗后与混合液混合，连续曝气2h，温度为25℃，其间每隔20min取样测定氨氮浓度.为减小误差，进行3组平行试验.

2 结果与讨论

2.1 不同缺/好氧时间比条件下短程硝化的快速启动

经过A/O模式驯化，污泥处在全程状态，其亚硝酸盐积累率（NAR）几乎为0，氨氮基本去除完全.后改为交替模式，SBR1、SBR2分别采用缺/好氧时间比为1：1和2：1进行试验.2个反应器中NAR变化如图2所示，其中前6d为全程驯化阶段结果，从第7d开始进行交替实验.

从图2可以看出，SBR1反应器从改为交替模式后第3d NAR就达到了50%，又经过28d后，积累率增长到90%，并且长时间稳定运行，实现了短程硝化.而SBR2反应器，NAR达到50%用了17d，增长到90%用了55d，比SBR1多用24d.其原因认为如下，首先，因为交替运行模式中，短时间的曝气只能提供一定DO，在曝气初期系统中的DO浓度较低，限制了亚硝酸盐转化为硝酸盐的过程.其次，由于SBR1比SBR2每个循环的曝气时间长15min，每个周期总曝气时间长45min，使氨氧化过程更充分，亚硝酸盐浓度较高，积累较快，而SBR2曝气量以及曝气时间有限，亚硝酸盐积累较慢.因此，相较而言，在缺/好氧时间比为1：1条件下，能够快速启动短程硝化.

图2 交替缺氧好氧模式下亚硝酸盐积累率变化Fig.2 Variation of nitrite accumulation rate under the mode of alternating anoxic/oxic

在交替试验运行的后期，NAR一直保持在较高水平，短程状态较为稳定.这是由于饱食饥饿特性使得AOB能够经受住溶解氧周期性的变化，逐渐成为优势菌群.这与Chen等［19］的细胞损伤理论相吻合，微生物需要在好氧环境中产生更多的能量来修补在缺氧和底物不足等不利环境下受到的损伤，从而促使微生物快速增殖.在交替运行的缺氧阶段，降低快速生长的异养生物对氧的竞争力，使得溶解氧在硝化阶段能够更好的利用［20］.试验表明，交替缺/好氧模式可以提高短程硝化的启动效率.另外，在溶解氧浓度低时也有利于亚硝化细菌对基质的竞争从而有利于短程硝化的发生［21］.

2.2 交替模式对有机物去除效果的提高

如图3所示，在改变运行模式后，由于SBR1中曝气时间及DO均较为充足，氨氧化过程较为完全，氨氮去除率几乎没有受到影响，并保持较好的去除效果，总氮的去除率也从50%提高到70%左右.而在SBR2中，由于曝气时间较短，从驯化时的4h缩短至1.5h，活性污泥未能很快适应新的运行模式，导致氨氮去除效果不佳.然而，污泥经过1个多月的运行后，氨利用速率提高，氨氮基本去除完全，总氮去除率也逐步提高，并且能够稳定运行.COD去除率的变化并不明显，尽管进水COD随季节波动较大，但出水效果良好，SBR1和SBR2的去除率分别为79.0%和79.31%，浓度基本在50mg/L以下，出水COD达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准［22］.

图3 交替缺氧好氧模式下污染物去除率变化Fig.3 Variation of pollutant removal efficiency under the mode of alternating anoxic/oxic（a） SBR1；（b） SBR2

图4 交替缺氧好氧模式下典型周期内各污染物浓度及DO、pH值变化Fig.4 Variation of pollutant concentration and DO， pH in typical cycle under the mode of alternating anoxic/oxic（a）SBR1污染物；（b） SBR2污染物；（c） SBR1的DO、pH值变化；（d） SBR2的DO、pH值变化

如图4所示，通过对全周期的考察可以发现，反硝化过程中pH值逐渐升高，随着硝化反应的进行，pH值开始降低，DO在2.0mg/L以上，在好氧阶段稳定在一个平台上，并有上升的趋势.COD在前90min中就基本降解完成，氨氮在曝气阶段转变为亚硝酸盐，致使亚硝酸盐的浓度增加，而硝酸盐浓度几乎为0.试验表明，在采用交替缺/好氧交替模式条件下，在交替前期，SBR1的去除效率优于SBR2，到后期污染物的去除效率均有所提高，并且短程硝化的状态保持良好.

2.3 交替模式下节能效率的提高

在交替模式下，随着亚硝酸盐的不断累积，在不同时期测定污泥的氨利用速率，其结果如图5所示.全程过程中的SBR1与SBR2的氨利用速率分别为5.798，5.148mg-N/（gVSS·h），经过一段时间的交替运行后，氨利用速率变快，SBR1提高至9.712mg-N/（gVSS·h），提高了67.5%；SBR2提高至9.772mg-N/（gVSS·h），提高了89.8%，最终SBR2略高于SBR1.

图5 全程与短程下氨利用速率的变化Fig.5 Variation of ammonia utilization rate under complete nitrification and partial nitrification

根据微生物的动力学研究，交替缺/好氧运行模式与传统模式相比，由于AOB与NOB种群结构的不同，其氧化、生长和衰减速率不同，导致AUR存在差异.SBR2运行的一个周期中，曝气时间较短，在相同进水条件、氨氮出水同时为0mg/L条件下，AUR比SBR1稍高.试验表明，交替运行条件下有利于筛选AUR较快的AOB，使得氨氮在短时间内可以氧化完全.

从经济学角度考虑，由于曝气时间较短，所需要的曝气量也相对较少，如SBR2，一个周期内总好氧时间仅有1.5h即可将氨氮氧化完全，从而可以节约能耗，提高节能效率，降低运行成本.并且，试验中SBR2的节能优化效果优于SBR1.

2.4 交替模式对污泥特性的影响

图6 短程状态下Nso1225、NIT3的荧光原位杂交照片Fig.6 The image of Nso1225 and NIT3 under partial nitrification by FISH （1000times）

由全程硝化转为短程硝化的过程中，菌群结构发生改变，由NOB为优势菌种转变为AOB，图6为短程状态下AOB的FISH照片.从图6（b）和（c）中可以看出，硝化细菌与氨氧化细菌的数量相比明显较少，说明AOB是优势菌种，实现了短程硝化.

在交替缺氧好氧运行模式下，污泥的沉降性能良好，出水较为清澈.污泥容积指数（SVI）有下降的趋势，并基本稳定在60～80mL/g， SVI变化如图7所示.在间歇曝气的运行条件下，能减少泡沫问题的产生，SVI较低，但是不会消除［23-24］，亚硝酸盐积累、丝状菌是引起活性污泥系统SVI变化的主要原因［25］.所以，在这种交替运行模式下，不易发生丝状菌污泥膨胀问题.

图7 不同时间比下SVI随时间的变化情况Fig.7 Variation of SVI at different time ratio

3 结论

3.1 采用先缺氧再好氧的交替运行模式有利于短程硝化的实现.本试验中，交替循环3次，在缺/好氧时间比为1：1和2：1条件下，分别用了31， 55d亚硝酸盐积累率达到了90%，快速启动了短程硝化，提高了启动效率.

3.2 在交替缺/好氧模式下，具有较好的出水水质，氨氮去除率几乎在95%以上，COD出水低于50mg/L，总氮去除率在70%左右，提高了污染物去除效率，且SVI稳定在60～80mL/g.

3.3 从全程到短程的过程中，时间比为1：1时可快速实现短程硝化，AUR提高了67.5%；而时间比为2：1时，短程硝化启动较慢，但AUR提高了89.8%.不同缺/好氧时间比下氨利用速率均有所提高，而时间比为2：1时的氨利用速率稍高，均培养出了较强的氨氧化菌，提高了节能效率.

［1］Kornaros M， Dokianakis S N， Lyberatos G. Partial nitrification/denitrification can be attributed to the slow response of nitrite oxidizing bacteria to periodic anoxic disturbances ［J］. Environmental Science and Technology， 2010，44：7245-7253.

［2］王淑莹，黄惠珺，郭建华，等.DO对SBR短程硝化系统的短期和长期影响 ［J］. 北京工业大学学报， 2010，36（8）：1104-1110.

［3］高大文，彭永臻，潘 威.SBR法短程硝化-反硝化生物脱氮工艺的研究 ［J］. 环境污染治理技术与设备， 2003，4（6）：1-4.

［4］Abeling U， Seyfried C F. Anaerobic-aerobic treatment of high-strength ammonia wastewater-nitrogen removal via nitrite［J］. Water Science and Technology， 1992，26（5/6）：1007-1015.

［5］Cruz Bournazou M N， Hooshiar K， Arellano-Garcia H， Wozny G，Lyberatos G. Model based optimization of the intermittent aeration profile for SBRs under partial nitrification ［J］. Water Research， 2013，15，47（10）：3399-3410.

［6］曾 薇，彭永臻，王淑莹.SBR工艺交替硝化反硝化运行方式的可行性研究 ［J］. 环境科学学报， 2004，24（4）：576-580.

［7］高大文，彭永臻，王淑莹.交替好氧/缺氧短程硝化反硝化生物脱氮I.方法实现与控制 ［J］. 环境科学学报， 2004，24（5）：761-768.

［8］Li H S， Zhou S Q， Huang G T， et al. Partial nitritation of landfill leachate with varying influent composition under intermittent aeration conditions ［J］. Process Safety and Environmental Protection， 2013，91（4）：285-294.

［9］Nardelli P， Gatti G， Eusebi A L， et al. Full-Scale Application of the Alternating Oxic/Anoxic Process： An Overview ［J］. Industrial and Engineering Chemistry Research， 2009，48：3526-3532.

［10］Santinelli M， Eusebi A L， Cola E， et al. A Hybrid Denitrification Alternate Cycles Reactor To Enhance the Nitrogen Biological Removal in a Real Wastewater Treatment Plant ［J］. Industrial and Engineering Chemistry Research， 2011，50（24）：13947-13953.

［11］Kornaros M， Marazioti C， Lyberatos G. A pilot scale study of a sequencing batch reactor treating municipal wastewater operated via the UP-PND process ［J］. Water Science and Technology，2008，58（2）：435-438.

［12］Katsogiann A N， Kornaros M， Lyberatos G. Enhanced nitrogen removal in SBRs bypassing nitrate generation accomplished by multiple aerobic/anoxic phase pairs ［J］. Water Science and Technology， 2003，47（11）：53-59.

［13］Saziye B. Comparison between alternating aerobic- anoxic and conventional activated sludge systems ［J］. Water Research，2007May， 41（10）：2220-2228.

［14］Paolo B， Francesco F， Emanuela C， et al. Alternate cycles process for municipal WWTPs upgrading： ready for widespread application ［J］. Industrial and Engineering Chemistry Research，2008，47（13）：4387-4393.

［15］李亚峰，秦亚敏，谢新立，等.间歇曝气条件下短程硝化的实现及影响因素研究 ［J］. 环境工程学报， 2011，5（7）：1518-1521.

［16］苏东霞，李 冬，张肖静，等.曝停时间比对间歇曝气SBR短程硝化的影响 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（5）：1152-1158.

［17］Amann R， Ludwig W， Schleifer K H. Phylogenetic identification and in situ detection of individual microbial cells without cultivation ［J］. Microbiological Reviews， 1995，59（1）：143-169.

［18］Dytczak M A， Londry K L， Oleszkiewicz J A. Activated sludge operational regime has significant impact on the type of nitrifying community and its nitrification rates ［J］. Water Research，2008，42（8/9）：2320-2328.

［19］Chen G H， Yip W K， Mo H K， et al. Effect of sludge fasting/feasting on growth of activated sludge cultures ［J］. Water Research， 2001，35（4）：1029-1037.

［20］Dytczak M A， Londry K L， Siegrist H， et al. Ozonation reduces sludge production and improves denitrification ［J］. Water Research， 2007，41：543-550.

［21］张 辉，白向玉，李 敬，等.间歇曝气短程硝化控制新途径的初步试验研究 ［J］. 新疆环境保护， 2005，27（4）：28-32.

［22］GB18918—2002 城镇污水处理厂污染物排放标准 ［S］.

［23］Paolo M， Donatella D. Testing the control of filamentous microorganisms responsible for foaming in a full-scale activated-sludge plant running with initial aerobic or anoxic contact zones ［J］. Bioresource Technology， 1997，60：43-49.

［24］张功良，李 冬，张肖静，等.低温低氨氮SBR短程硝化稳定性试验研究 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（3）：610-616.

［25］路聪聪，王淑莹，葛士建，等.苯酚对污水生物脱氮系统亚硝积累及污泥性能的影响 ［J］. 化工学报， 2013，64（7）：2641-2649.

Optimization of efficiency on partial nitrification under the mode of alternating anoxic/oxic in sequencing batch reactor.

GAO Chun-di*， WANG Wei-xiao， LI Hao， JIAO Er-long， PENG Yong-zhen
（College of Environmental and Energy Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）.

China Environmental Science， 2015，35（2）：403～409

Using Sequencing Batch Reactor （SBR） treating domestic wastewater， quick start of partial nitrification was carried out through the mode of alternating anoxic/oxic. Time of achieved partial nitrification， treatment efficiency and ammonia utilization rate were investigated in different ratio of anoxic/oxic time. The results showed that the ratio of anoxic/oxic time was 1：1and 2：1， while two systems nitrite accumulation rate raised to 90% after 31days and 55days respectively， the state of partial nitrification was stable. Besides， ammonia removal efficiency was attained above 95% and the COD effluent concentration was less than 50mg/L. The total nitrogen removal was enhanced about 20%， and pollutants removal efficiency was increased. Form the complete nitrification to the partial nitrification， ammonia utilization rate increased 67.5% and 89.8% respectively， at the same time， efficiency of the partial nitrification was improved. Meanwhile， sludge had significantly better settling performance， sludge volume index was stable at 60～80mL/g.

waste water；alternating anoxic aerobic；partial nitrification；ammonia utilization rate；sedimentation

X703.1

A

1000-6923（2015）02-0403-07

高春娣（1973-），女，河北唐山人，教授，博士，主要从事污水处理理论与技术，污泥膨胀理论与控制方法.发表论文20余篇.

2014-05-13

国家自然科学基金项目（51478012）；国家青年自然科学基金（51108005）；北京市教育委员会科技计划项目（KM201410005009）

* 责任作者， 教授， gaochundi@bjut.edu.cn