基于响应面法优化SBBR处理城市污水中氨氮的研究

摘 要：采用序批式生物膜反应器（SBBR）对城市模拟污水进行处理。用接种法对SBBR反应器进行挂膜启动。主要研究了曝气时间、C/N、填料投加量对SBBR反应器去除氨氮的效果。采用响应面法对稳定运行的SBBR反应器中的曝气时间、C/N、填料投加量进行了优化，同时构建回归模型，并进行方差分析。结果表明：挂膜成熟时，SBBR系统出水COD和氨氮去除率分别稳定在88.1%和85.2%以上。单因素实验分析结果表明：曝气时间、C/N、填料投加量对SBBR反应器脱氮效果影响显著，其最优值为6h、10、30%。经过响应面优化后反应器的最佳工况点为：填料投加量为20.2%、C/N为10.5、曝气时间为6.4h。模型预测COD的去除率为95%、氨氮的去除率为94.14%。模型验证实测结果为COD去除率为92.72%、氨氮去除率为91.53%，与预测值相差小于3%。因此，该模型能较为真实地反映各因素对模拟城市污水中COD去除率和氨氮去除率的影响。响应面法可以优化SBBR反应器处理模拟城市污水。

关 键 词：污水处理；SBBR；微生物系统构建；响应曲面优化法；模型验证

中图分类号：X703文献标志码： A 文章编号： 1004-0935（2024）09-1364-06

中国城市水污染的持续时间很久^[1]。城市水污染的源头主要有工业污水及生活污水，如果没有经过专业技术处理就进行排放，会严重污染水体环境，对城市周围及河流流经的地方造成不良影响^[2]，影响中国可持续发展战略的推进。

SBBR是目前国内外正在研究、应用的一种污水生物处理工艺^[3-4]。相对于SBR反应器而言，生物填料加入SBBR反应器。填料的添加，给微生物生长提供更为优越的生存环境^[5]。其具备活性污泥法、生物膜法各自的优势，污水处理效果良好。SBBR工艺的研究和应用最早集中在工业废水处理，但是随着对它的研究技术不断深入与发展，它的用途还延伸至生活污水、难降解有机废水等的治理^[6]。

影响SBBR处理效率的因素主要有：温度、曝气时间、DO的质量浓度、进水C/N、填料用量等^[7]。通过单因素分析来对影响因素进行优化分析，确定最佳条件。

响应面优化方法，又称响应面法（RSM），是由数学与统计学结合，通过对多因素或非线性函数建立一个数学模型来研究其最优解的方法。它可用于受多种变量影响的响应值的建模与分析，最终的目的是对所选影响响应值的条件进行优化^[8-9]。

基于单因素实验得到的主要影响因素为变量，以COD、氨氮去除率为响应值，对主要影响因素进行复合实验，运用Design-Expert11软件对多变量效应响应值进行了建模与分析，得出SBBR反应器去除氨氮的最佳工况点。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置为自制，所用SBBR反应器由有机玻璃制成，内径10cm，高100cm，容积为5L。在反应器外侧设有多个取样口（兼有排水作用），反应器底部设有放空管、进水管并装有微孔曝气器，采用鼓风曝气方式，压缩空气由空气泵提供，采用转子流量计调节曝气量。SBBR反应器的进水、曝气、沉降、出水装置之间通过乳胶管连接。采用自控系统控制装置整体。

1.2 接种污泥及进水水质

SBBR反应器挂膜接种污泥取自S市某污水处理厂中运行情况良好的曝气生物滤池，该接种污泥活性较高，沉降性能良好，呈深褐色，絮状。该污泥MLSS为3 972 mg·L^-1，MLVSS为2 300 mg·L^-1，MLVSS/MLSS为0.748，SV为50。

根据东北某大型污水处理厂进水水质^[10]，配制人工模拟的城市污水，由葡萄糖、氨氮、NaHCO、KHPO等配制而成，进水COD、氨氮质量浓度为200～600 mg·L^-1、30～70 mg·L^-1、pH为6.5～8.5。

1.3 实验仪器

磁力搅拌器，Wiggens，WH220-HT；电子分析天平，FA2004；离心机，TDL-5-A；消解仪，Hach，DR200；pH测定仪，Sartorius PB.10；紫外分光光度计，765S。

1.4填料选择

选用Ф38的多面空心小球作为挂膜载体。比表面积为151，孔隙率为89。填料采用悬挂法，在顶部、底部利用铁丝进行固定。

1.5实验方法

单因素分析实验：分别改变曝气时间、C/N、填料投加量固定其余因素，探究各因素对SBBR反应器脱氮除碳效果的影响。基于单因素实验的结果，以曝气时间、C/N、填料投加量为自变量，COD去除率和氨氮去除率为响应值，进行3因素3水平的响应面优化实验，构建模型及进行方差分析，得到最佳工况点，最后进行模型验证。

2 结果与讨论

2.1 SBBR脱氮影响因素研究

2.1.1 曝气时间的影响

在控制填料投加量为30%、C/N为10时，对曝气时间进行优化，结果如图1所示。

由图1可知，随着曝气时间的增加，COD以及氨氮的去除率呈上升趋势，但是7 h后期，去除率明显降低。这是由于曝气时间的延长，反应器内的有机物也会随之消耗，需要的营养物质还不足以使微生物下一步生长，所以在综合考虑其他因素对COD去除率影响的同时，曝气时间定在6 h。

2.1.2 C/N的影响

在控制填料投加量为30%、曝气时间为6h时，对C/N进行优化，结果如图2所示。由图2可知，随着C/N的增加，COD以及氨氮的去除率不断增大，最后趋于平缓。分析表明：当COD负荷较大时，硝化反应较少，被去除的物质多为微生物自身细胞合成所用。当C/N增加时，反应器内营养物质充足，提高了处理效率，但考虑到实际成本，所以在综合考虑其他因素对于COD去除率影响的情况下，将C/N设为10。

2.1.3 填料投加量的影响

在控制曝气时间为6h、C/N为10时，对填料投加量进行优化，结果如图3所示。由图3可知，随着填料投加量的增加，COD以及氨氮的去除率呈上升趋势，3个条件下去除率的去除大致相同，当填料投加量选取30%时，去除率有所降低。这说明了分散相颗粒直径大小和数量与污染物去除之间存在一定关系。过量的悬浮填料在曝气作用下，进行运动所形成的剪切力使得活性污泥出现分散和细化的现象，絮体比以前变小，不能形成普通的絮状结构，最终导致反应器去除率有所降低。因此，综合考虑，选择填料投加量为30%，使其达到最优处理水平。

2.2 响应曲面优化分析

2.2.1 分析因素的选取及方案确定

根据单因素实验分析确定影响因子水平，以曝气时间、C/N、填料投加量为自变量，以COD去除率和氨氮去除率为响应值，进行3因素3水平响应面实验。影响因子水平及编码如表1所示。

通过Box-Behnken中心组合实验进行17组实验，实验方案及结果如表2所示。

针对上述3种条件作用下的氨氮去除率和COD去除率，运用Design-Expert11软件进行多元回归拟合，得到氨氮去除率、COD去除率与填料投加量、C/N 和曝气时间之间的二次多项回归模型和因素之间的交互作用以及等高线图和响应面图。

2.2.2曝气时间、C/N、填料投加量对COD去除率的影响

填料投加量、C/N 和曝气时间作为自变量，COD去除率作为响应值（），可得到方程（式1）。

=93.5+1.97×+3.45×+2.74×+1.41×AB+

1.01×-1.82×-2.93ײ-4.16ײ-3.2ײ（1）

多因素交互对COD去除率影响的响应面图如图4所示，COD去除率连续变量方差模型的分析见表3。由表3可知，此模型的=34.74，<0.0001，说明该模型显著性非常好。模型失拟度为0.5654，失拟度为0.6663，且失拟度不显著，表明该模型构建较为合理且达到预期效果，拟合度较好，可以用来预测和分析对COD的去除效果。变异系数C.V.=1.24%＜10%，说明该模型具有较高的可信度与精确度。实验的信噪比为18.1467＞4，视为合理，说明该模型可以较好地用于预测^[11]。对3种因素之间的交互作用进行分析，可知其由大到小的排序为：C/N和曝气时间、填料投加量和曝气时间、C/N和曝气时间。

2.2.3曝气时间、C/N、填料投加量对氨氮去除率的影响

填料投加量、C/N 和曝气时间作为自变量，氨氮去除率作为响应值（），可得到方程（式2）。

=90.89+4.07×+2.2×+3.82×-2.2×-0.315 2

×+2.52×-1.46ײ-6.69ײ-2.9²（2）

多因素交互对氨氮去除率影响的响应面图如图5所示，氨氮去除率连续变量方差模型的分析如表4所示。

由表4可知，此模型的=95.56，<0.0001，说明该模型非常显著。该模式下失拟度为2.92，失拟度=0.1638，且失拟度不显著，表明该模型构建较为合理且达到预期效果，拟合度较好，可以用来预测和分析对氨氮的去除效果。变异系数C.V.=0.9919%<10%，验证了模型的可信度和精研度。实验的信噪比=31. 2116>4，能够视为合理，验证了模型能很好地进行预测。对3种因素之间的交互作用进行分析，可知其由大到小的排序为：C/N和曝气时间、填料投加量和C/N、填料投加量和曝气时间。

在实验条件下，Box-Behnken模型所得到的优化SBBR反应器运行参数的方案为：填料投加量为26.8%、C/N为10.5、曝气时间为6.5 h。预测COD的去除率为95%、氨氮的去除率为94.14%。

2.2.4模型验证

对上述模型进行验证，取上述最优条件：填料投加量为26.8%、C/N为10.5、曝气时间为6.5 h，进行为期28 d的模型验证实验，与预测值进行对比。在最优条件下，COD的实际去除率为92.72%，氨氮的实际去除率为91.53%，与预测值相差均小于3%。这说明该模型能较为真实地反映各因素对模拟城市污水中COD去除率和氨氮去除率的影响，证明应用响应面法优化城市污水是可行的。

3结 论

1）SBBR处理城市污水的单因素最佳实验结果为：曝气时间、C/N、填料投加量的相应最优值分别是6h、10、30%。

2）基于单因素实验获得的最优值，利用响应面优化法以COD去除率为响应值时，各个影响因子作用效果显著性为：C/N>曝气时间>填料投加量。而以氨氮去除率为响应值时，各个影响因子作用效果显著性为：曝气时间> C/N >填料投加量。影响因子之间存在着交互作用，其中C/N和曝气时间的交互作用最为显著。

3）基于Box-Behnken响应曲面法建立的经验模型回归性较好，可用于SBBR反应器处理模拟城市污水的反应条件优化。最佳条件组合为：填料投加量为26.8%、C/N为10.5、曝气时间为6.5 h。预测COD的去除率为95%、氨氮的去除率为94.14%。最后，进行模型验证，取最优条件进行实际处理污水，最终实际COD去除率为92.72%，实际氨氮去除率为91.53%，与预测值均小于3%。因此，该模型能较为真实地反映各因素对模拟城市污水中COD去除率和氨氮去除率的影响。响应面法可以优化SBBR反应器处理模拟城市污水。

参考文献：

[1] 李平，吴刚. 城市水污染现状及其治理对策研究[J]. 环境与发展， 2020，32（10）： 57-58.

[2] 周游. 城市化过程中小城镇的水污染控制与治理研究[J]. 中国资源综合利用， 2019， 37（10）： 37-39.

[3] 潘超. SBR-超滤联用技术处理含盐生活污水及其微生物群落分析[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2019.

[4] FOGLIA A， AKYOL Ç， FRISON N， et al. Long-term operation of a pilot-scale anaerobic membrane bioreactor （AnMBR） treating high salinity low loaded municipal wastewater in real environment[J]. ，2020，236：116279.

［[5］]吴涵，陈滢，刘敏，等.SBBR反应器中耐冷微生物的驯化与识别[J].化工学报，2020，71（2）：766-776.

[6] 蔡方瑞. 序批式生物膜反应器（SBBR）应用于废水中难降解有机物的去除与脱氮的研究[D]. 广州：华南理工大学，2020.

[7] 马文静. SBBR工艺及影响因素探讨[J]. 科技情报开发与经济， 2010， 20（10）：148-150.

［[8］]何雯茵，郭诺玮，童屿，等.响应面法优化污水处理厂化学强化除磷工艺[J].给水排水，2019，55（S1）：190-193.

[9] 肖飞， 董文明， 王维红. 基于响应面法优化污水厂脱氮工艺研究[J]. 广西师范大学学报（自然科学版），2021，39（5）：210-221.

[10] 苏云菲，王劼. 北方大型污水处理厂进水水量水质特征分析[J]. 资源节约与环保，2020（7）：36-37.

[11] 陈于梁，成先雄，连军锋，等. 基于响应面法的电芬顿降解活性黑5性能研究[J]. 应用化工，2020，49（11）：2756-2758.

Optimization of SBBR Treatment of Ammonia Nitrogen in Municipal Wastewater Based on Response Surface Method

HUANG Yuqi， KANG Han， GAO Yihan

（School of Municipal and Environmental Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang Liaoning 110168，China）

Abstract：Sequencing batch biofilm reactor （SBBR）was used to treat urban simulated wastewater. The SBBR reactor was started by inoculation method. The effects of aeration time，C/N and filler dosage on the removal of ammonia nitrogen in SBBR reactor were studied. The response surface method was used to optimize the aeration time，C/N and filler dosage in the stable SBBR reactor，and the regression model was constructed and analyzed by variance. The results showed that when the biofilm was mature，the removal rates of COD and ammonia nitrogen in the effluent of SBBR system were stable at 88.1% and 85.2%，respectively. The single factor experimental analysis showed that the aeration time，C/Nand filler dosage had a significant effect on the denitrification of the SBBR reactor，and the optimal values were 6 h，10 and 30%. After response surface optimization，the optimal operating point of the reactor was determined as follows： the filler dosage was 20.2%，&nbsp;the C/N was 10.5，and the aeration time was 6.4 h. The model predicted that the removal rate of COD was 95% and the removal rate of ammonia nitrogen was 94.14%. The model validation results showed that the COD removal rate was 92.72% and the ammonia nitrogen removal rate was 91.53%，which was less than 3% of the predicted value. Therefore，the model can truly reflect the influence of various factors on the removal rate of COD and ammonia nitrogen in simulated urban sewage. The response surface method can optimize the SBBR reactor to treat simulated urban sewage.

Key words：Sewage treatment; SBBR; Construction of microbial system;Response surface optimization method;Model verification