正交实验法优化SBR处理老龄垃圾渗滤液脱氮条件

周 锐，黄家榜，桑建伟，杨宏星，朱守诚

（污水净化与生态修复材料安徽省重点实验室，合肥市东方美捷分子材料技术有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

垃圾渗滤液是垃圾填埋场中垃圾本身含有的水分、进入填埋场的雨雪水及其他水分经历垃圾层和覆土层而形成的一种高浓度的有机废水，其组分复杂、污染物浓度高、处理难度大[1]。垃圾渗滤液按形成的时间可分为初期、中期、老龄垃圾渗滤液，其中老龄垃圾渗滤液典型特征是碳氮比失衡、氨氮浓度高、可生化性较差[2]。

序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor activated sludge process，SBR）的特点是间歇流活性污泥工艺，运行灵活，可实现高效脱氮除碳[3]；具有占地面积小、基建费用相对较低、耐冲击负荷等优点[4]，被广泛应用于污水处理[5]。目前SBR工艺在渗滤液处理方面的研究已广泛开展[6-8]。本研究采用单因素考察和三因素三水平正交试验对SBR工艺中老龄垃圾渗滤液的脱氮条件进行优化，研究进水pH、进水C/N、曝气时间对SBR处理老龄垃圾渗滤液脱氮效果的影响，为老龄垃圾渗滤液的高效处理提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所接种的活性污泥为合肥某生活污水处理厂的活性污泥，将其接种驯化后，混合液悬浮固体浓度（Mixed Liquid Suspended Solids，MLSS）为3500～4000 mg/L。老龄垃圾渗滤液取自某垃圾填埋场中垃圾渗滤液原液，呈深褐色，其水质特性如下：pH值为7～8，COD浓度3200～3500 mg/L，NH3-N浓度为1100～1300 mg/L，TN浓度为1200～1400 mg/L，TP浓度为25～30 mg/L。

1.2 试验设备

试验所用SBR装置如图1所示，在SBR反应池中装有搅拌器、滗水器与曝气装置，反应器有效容积为50L。试验用水经水泵从上方进入SBR反应池，进水完成后SBR反应池底部曝气装置进行曝气供氧，曝气结束后进入缺氧搅拌阶段，最后静置沉淀由滗水器排水。整个反应装置中进水流量、曝气强度均由转子流量计监测，各个反应时序由控制器根据预先设定的时间切换。

图1 SBR试验装置示意图

1.3 试验方法与分析方法

试设计工艺流程为：进水-好氧-缺氧搅拌-静置-排水。将接种污泥倒入SBR反应器中后补充自来水和适量渗滤液废水至50L，SBR反应器缺氧/好氧（A/O）工段间隔运行各4h为一循环，好氧阶段曝气强度为0.5m3/h。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，直至渗滤液补充量为5L左右。反应器氨氮去除率稳定在80%以上，污泥浓度达到3500～4000 mg/L。经20d 的驯化后，系统处理效率基本稳定，污泥浓度达到预期值，反应器进入启动阶段。

单因素和正交试验采用间歇式进水、排水，单次进水量约为5L左右。试验起始时SBR池内氨氮浓度在110～130mg/L，COD浓度在320～350 mg/L，根据试验设计条件调节曝气时间、反应pH值，以及在SBR池内补充葡萄糖调整C/N比例。SBR反应好氧阶段曝气强度保持为0.5m3/h，缺氧段反应时间固定为4h，静置时间为1h，反应结束后取上清液进行检测。继续反应一段时间直至SBR反应器内残余氨氮在10mg/L以下，然后排出上清液，补充新的渗滤液，继续下一试验。正交试验根据单因素的试验结果，以氨氮去除率为指标，选取进水pH、进水C/N、曝气时间为影响因素，每个因素各选取三个水平，按照L9（34）正交表进行正交试验，优化试验条件。

水质COD、NH3-N、TN和TP采用《水和废水监测分析方法》[9]测定；pH值采用pHS-3Cb型pH计测定；MLSS值采用《CJ/T 211-2005城市污水处理厂污泥检验方法》测定。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 进水pH对氨氮去除率的影响

控制进水C/N=25，曝气时间为6h，调节进水pH在6.5～9.0内，考察进水pH对SBR工艺污水氨氮去除效果的影响，结果如图2所示。试验表明：氨氮去除率随着进水pH值升高变化的趋势是先上升后下降。当进水pH=8.0时，氨氮去除率达到最高（约89.50%），随着进水pH的进一步升高，氨氮去除率反而下降。推测原因是pH为8左右时，有利于亚硝化细菌的生长，氨氮能快速转化成亚硝态氮，过高和过低的pH会抑制亚硝化细菌的生长速率[10]，不利于氨氮的氧化，降低废水中的氨氮去除效率。因此，选择进水pH为7.5～8.5进行正交试验。

图2 进水pH值对氨氮去除率的影响

2.1.2 进水C/N对氨氮去除率的影响

图3为控制进水pH=8.0，曝气时间为6h，改变进水C/N比值，运行SBR装置一个周期考察C/N对污水氨氮的去除效果的影响趋势图。试验结果表明：随着进水C/N比值的升高氨氮去除率呈现出先上升后下降，进水C/N=25时氨氮去除率最高（约89.40%），在进水C/N比值高于25之后，氨氮去除率反而下降。推测原因可能是由于随着进水C/N比值的升高，碳源充足，微生物能够快速繁殖，亚硝化细菌得到快速增长，大幅提升对污水中氨氮的氧化作用，显著降低污水中的氨氮；而当进水C/N值过高，污水中碳源过多，导致污水中异养菌占优势，氨氮氧化的效率反而降低[11]。因此，选择C/N比值为20～30作为正交试验条件。

图3 进水C/N对氨氮去除效果的影响

2.1.3 曝气时间对氨氮去除率的影响

控制进水C/N=25， 进水pH=8.0，考察进水不同曝气时间对SBR工艺对污水氨氮去除效果的影响，结果如图4所示。试验表明：氨氮去除率随着曝气时间的延长，呈现出先不断上升后趋于稳定的趋势，在曝气前6h氨氮去除率增加幅度明显，当曝气时间＞6h，氨氮去除率几乎持平（约88.18%）。因此，选择曝气时间为6～10h作为正交试验条件。

图4 曝气时间对氨氮去除效果的影响

2.2 正交试验

依据单因素试验结果，以氨氮去除率为指标，选取进水pH值、进水C/N、曝气时间3个因素，按照L9（34）正交表设计正交试验，因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平表

从表2正交试验设计及结果表可知：各因素对氨氮去除率的影响大小的依次顺序为：A＞B＞C，即进水pH＞进水C/N＞曝气时间。根据每一因素试验结果的均值（K1、K2、K3）可以判断因素的最优水平。由表2可知A2B2C1为SBR处理垃圾渗滤液脱氮最佳试验条件，即进水pH为8.0，进水C/N为25，曝气时间为6h。

表2 正交试验设计及结果表

由表3正交试验方差分析结果发现：进水pH、进水C/N、曝气时间对试验结果的影响均有统计学差异（p＜0.05）。

表3 方差分析结果

2.3 验证试验

根据正交试验结果对A2B2C1（进水pH=8.0，进水C/N=25，曝气时间=6h）试验条件进行验证，重复试验3次，以验证结果的合理性与稳定性。三次试验氨氮去除率分别为89.32%、89.67%、89.43%，结果显示并无显著差异，因此该条件可以作为SBR处理老龄垃圾渗滤液的脱氮条件。

3 结论

本研究以老龄垃圾渗滤液为研究对象，采用单因素考察研究进水pH、进水C/N、曝气时间对老龄垃圾渗滤液中氨氮去除的影响，并通过正交试验对老龄垃圾渗滤液SBR脱氮条件进行优化。通过单因素试验确定参数合适范围作为正交试验的对象：进水pH=7.5、8.0、8.5；进水C/N=20、25、30；曝气时间=6h、8h、10h。正交试验结果表明对氨氮去除率的影响顺序为：进水pH＞进水C/N＞曝气时间。在0.5m3/h的曝气强度下SBR处理的最佳条件为进水pH为8.0，进水C/N为25，曝气时间为6 h。