基于正交试验设计的SBBR处理造纸废水工艺优化

赵秋燕，胡丽丽

（安徽建筑大学城市建设学院 土木系，安徽 合肥 238079）

根据联合国环境组织统计，全世界造纸业的年排废水量超过274亿吨，其中生化需氧量（BOD5）约 5 854万吨，悬浮物（SS）约 594万吨。造纸工业不仅是我国传统的污染大户，同时也是造成水污染的重要污染源之一[1]。造纸废水具有排放量大，污染物含量高，成分复杂等特征，废水中还含有大量的木质素、无机填料、无机酸盐、半纤维素、油墨等[2-4]。目前对于处理造纸废水的方法主要以物理化学法、生物化学法以及物理化学生物化学联合运用等为主[5]。物理化学法具有治理快、处理效果好等优点，但处理费用较高，属于深度处理法，适用于排放标准要求较高的造纸废水；生物化学法的优点是处理效率高、运行费用低，不足之处在于处理周期长、一次性投资较大。序批式生物膜反应器（sequential batch biofilm reactor,SBBR）是由Wilderer[6-7]为解决进水的水力负荷波动过大、针对生长缓慢的细小微生物易于从反应器中淘洗出去以及传统活性污泥法无法有效处理某些工业废水的现状等问题，首次提出了生物膜反应器的序批式运行模式。SBBR同时具备活性污泥法和生物膜法的优点，不仅大大提高了系统的抗冲击负荷能力，还丰富了反应器内的生物量和微生物种群[8]。影响废水处理效果的因素较多，在实际应用中，常需同时考察多个试验因素的影响，如污泥龄（SRT）、溶解氧（DO）、水力停留时间（HRT）、pH及温度等，若逐个进行试验，由于工作量较大并且试验条件局限而难以实施[9]。本文采用SBBR工艺，主要研究不同水平的HRT、曝气量以及填料的填充率对造纸废水处理效果的影响，通过极差法对正交试验结果进行分析，以便确定最佳运行条件。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置如图1所示，反应器主要由有机玻璃制成的高位进水箱、SBBR组成，其中SBBR有效容积为20 L。在SBBR反应器壁垂直方向不同高度设置三个排水口，用以取样或排水；反应器底部设置排泥口，用于排泥或者放空；反应器底部通过空气泵及曝气软管进行均匀曝气，以转子流量计控制曝气量；在距出水口1/5远处设置一道隔离网，用来防止悬浮填料或活性污泥在取样或出水时随水流出。悬浮填料由聚丙烯制成，中空结构，其规格为10 mm、周围厚度为0.6～0.8 mm、中间圆为0.4～0.5 mm。

1.2 实验废水水质及污泥特性

实验用水为模拟造纸废水：以腐殖酸、木质素、硅藻土、微晶纤维素、工业葡萄糖等提供碳源，KH2PO4提供磷源，NH4Cl提供氮源，NaHCO3为缓冲物质，适当加入少量微量元素。模拟造纸废水的水质为：COD 为 1 000～1 200 mg·L-1，NH3-N 为30～50 mg·L-1，TP 为 4～5 mg·L-1，SS 为 60～80 mg·L-1，pH 为 6.5～7.5。

图1 实验流程示意图

接种污泥（取自合肥市某污水处理厂）连续闷曝24 h后，活性污泥呈灰褐色、絮状，污泥浓度在5 000 mg·L-1左右，SV30（污泥沉降比）为 20%左右，沉降性能良好，并在显微镜下能观察到微生物活性较高。

1.3 实验方法

将接种污泥倒入SBBR反应器中，连续曝气24 h后充分静置，排出上清液，然后加入适量的模拟废水。初期阶段用低负荷的污水进行驯化，待处理效果明显提高后再逐渐增大污水负荷。经30 d的驯化后，去除率基本稳定在85%以上。系统稳定后，挂入填料，如此循环运行，直到污泥浓度达到预期值，反应器进入启动阶段。

1.4 分析项目与方法

COD、NH3-N及SS的检测方法按照《水和废水监测分析方法》[10]。正交试验结果采用极差法进行分析。

2 结果与讨论

2.1 HRT对污染物去除效率的影响

图2 HRT对污染物去除效率的影响

微生物与基质底物的接触时间以及传质过程均会受到HRT的影响。HRT过短，会使反应器内不能保持较高的生物量，进而影响工艺的处理效果；HRT过长，又会使反应器处理能力过剩，造成浪费。由图2可知，当HRT＜8 h时，随着水力停留时间HRT的延长，污染物的去除效率逐渐提高；当HRT＞8 h时，污染物的去除率增加不明显，甚至略有下降趋势。这是因为HRT越长，废水中各污染物被降解的机会就越多，但是HRT过长，使污泥负荷降低，可能会导致污泥浓度减小，进而影响污染物的去除效果[11-12]。考虑到污染物去除效率以及经济性两方面，选取HRT为6、8、10 h三个水平作为正交试验考察对象。

2.2 曝气量对污染物去除效率的影响

微生物代谢所必需的条件之一便是氧气，而水体中溶解氧的浓度由曝气量的大小决定。曝气不足会使水中溶解氧含量偏低，使活性污泥沉积在反应器底部形成缺氧区或者厌氧区，使污泥活性受到抑制，并影响好养微生物的新陈代谢，导致污染物的去除效率降低；曝气强度过大会使污泥易于老化、结构松散，发生污泥膨胀，并且增加能耗。因此，曝气强度必须进行适当控制[13-15]。如图3所示，曝气强度小于9 L·min-1时，污染物去除率随着曝气量的增大而提高；当曝气强度超过9 L·min-1时，污染物去除率略有降低。从污染物去除效果及运行成本考虑，选取曝气强度（L·min-1）为8、9、10三个水平作为正交试验研究对象。

2.3 填充率对污染物去除效率的影响

适当增加悬浮填料的填充率可以提高反应器内的微生物总量，从而改善废水处理效果；当填充率过大时，会影响填料在水体中的流化程度，降低氧的传递和利用，影响出水水质。因此，应综合经济及技术等因素来确定最佳填充率[16-18]。由图4可知，填充率小于30%时，废水中污染物的去除率随填充率的增加而提高，当填充率达到30%以后，污染物的去除效率增加不明显。因此，选取填充率为25%，30%，35%为正交试验研究对象。

2.4 污染物去除率正交试验结果分析

将不同工况下反应器运行7 d后COD、NH3-N和SS的平均去除率作为正交试验分析指标，采用极差法对各指标试验结果进行分析。kjm是指第j列因素m水平对应的污染物去除率的平均值，再根据kjm大小确定第j列因素最优水平组合。Rj表示第j列因素的极差，即第j列因素水平改变时，污染物平均去除率的波动大小

图3 曝气量对污染物去除效率的影响

图4 填充率对污染物去除效率的影响

Rj值越大，表示此因素对污染物去除效率的影响越大，即该因素越重要。由Rj值确定因素影响程度的主次顺序。正交试验极差法分析的一般步骤为：（1）绘制正交试验表；（2）确定因素的主次顺序；（3）确定各因素的最优水平及其组合。本文正交试验所选因素及水平范围见表1，正交试验结果分析见表2。

由表2和3可知，三个因素中，对COD去除率影响程度由大到小依次为曝气量＞填充率＞HRT；对NH3-N及SS去除率影响程度由大到小依次为填充率＞曝气量＞HRT，其中HRT对污染物去除效果的影响最小。由正交试验结果得出的最优水平为A3B2C3，由于A2和A3工况下，各污染物去除率区别不大，并且HRT对各污染物去除率影响程度最小，从经济和操作角度可考虑选A2B2C3作为最优水平组合，即HRT为8 h、曝气量为 9L·min-1、填充率为35%，在该工况下，COD、NH3-N和SS的平均去除率分别为92.62%、88.26%、88.42%。

表1 三因素三水平正交试验表

表2 污染物去除率正交试验结果

表3 正交试验极差分析结果

3 小结

通过单因素试验，确定合适的参数范围作为正交试验的对象，即HRT为6 h、8 h、10 h；曝气量为 8 L·min-1、9 L ·min-1、10 L·min-1；填充率为25%、30%、35%。采用极差法对正交试验结果进行分析，对COD去除率影响程度由大到小依次为曝气量＞填充率＞HRT，对NH3-N及SS去除率影响程度由大到小依次为填充率＞曝气量＞HRT，其中HRT对污染物去除效果的影响最小。从经济性和高效性两方面考虑可选HRT为8 h、曝气量为9 L·min-1、填充率为35%组合作为最优水平。在最优工况下，COD、NH3-N和SS去除率可达92.62%、88.26%、88.42%。