SBR脱氮除磷最佳运行工况的探究

摘 要：为探究SBR工艺处理城市生活污水的最佳反应工况，采取“进水-好氧-缺氧-厌氧-好氧-沉淀-排水-闲置”的工艺流程，将脱氮除磷过程分离开来，对分段进水最佳流量比和各阶段最佳反应时间进行研究。结果表明：对于总磷和COD的去除，A进水模式（流量比为7∶3）去除率最高，分别为83.69%和91.64%；对于总氮和氨氮的去除，C进水模式（流量比为9∶1）的进水方式去除率最高，分别为83.40%和93.50%。同时，研究发现有效反应时间为12h时为脱氮除磷的最佳运行工况。

关 键 词：SBR；脱氮；除磷

中图分类号：X703 文献标志码： A 文章编号： 1004-0935（2024）09-1473-04

SBR是序批式活性污泥法的简称，由于其具有占地面积小、工艺简单、运行方式灵活、脱氮除磷效果好等优点，近年来成为研究热点^[1-3]。但在传统SBR工艺处理时，由于反硝化与聚磷菌释磷过程存在碳源竞争，脱氮除磷效果往往不佳，难以达到规定的排放准则，发现有机物、氮、磷的去除率只有85.2%、62.4%、65.7%^[4]。因此如何改进SBR工艺、如何有效解决碳源矛盾以提高氮、磷的去除效果已成为众多研究的重中之重。

目前出现了很多SBR的改良技术，常见的有CAST工艺、多段SBR工艺、间歇曝气SBR工艺、交替式SBR工艺等^[5-6]。陈强等^[7]用改良分段进水三级A²/O工艺处理低碳氮比污水获得较高的总氮、总磷去除效率；孙丽娜等^[8]将某污水处理厂SBR工艺改成分段式进水SBR工艺后，出水指标满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）中一级A标准；DAIGGER等^[9]改变进水段数和流量比使脱氮除磷效率提高了35％以上。

采用分段进水方法优化传统SBR工艺，相比于常规单点或单区进水工艺，分段进水技术增强脱氮效率是因为部分碳源直接进入到厌氧区^[10]，提高了厌氧释磷效率，避免了除磷过程活性污泥中携带的硝态氮对厌氧释磷菌产生不利影响，强化了微生物对原水碳源的有效利用。同时，测量各个阶段污水中相应指标的变化情况，通过分析不同时间的工艺流程中各个指标的变化情况选择出最优方案，从而达到最好的脱氮除磷效果^[11]。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置采用有机玻璃制成的长方体 SBR 反应器，长60cm，宽 40cm，高 40cm，总容积 96L，处理污水有效容积 72L。反应器外壁设有取水口（兼排水），底部设有排泥管，内部设有微孔曝气头和机械搅拌器以满足反应要求。实验装置图见图1。

1.2 活性污泥和实验水质

实验用水取自江苏省徐州市某小区的城市生活污水，具体水质指标如表1所示。

活性污泥取自中国矿业大学生活污水处理厂二沉池的脱水污泥，按 COD、N、P为100∶5∶1的质量比配制营养液，加大曝气量，连续曝气培养1个月后，大量原生动物钟虫、轮虫、累枝虫的出现，表明污泥驯化成功，开始进行实验。

1.3 检测方法

污水处理的各项监测项目和分析方法见表2。

2 结果与分析

2.1 工况设计

采取两段进水模式，第一段进水于初曝气前，第二次进水于厌氧阶段前。设置A、B、C、D 4种进水比例，比例分别为7∶3、8∶2、9∶1、10∶0。同时，平行设置3个SBR工况，①号工况为“进水（5 min）-曝气（2h）-搅拌（1h）-厌氧（1h）-曝气（2h）-沉淀（30min）-排水（15min）-闲置（15min）”，有效运行周期为6h；②号工况为“进水（5min）-曝气（2h）-搅拌（1.5h）-厌氧（1.5h）-曝气（4h）-沉淀（30min）-排水（15min）-闲置（15min）”，有效运行周期为9h；③工况为“进水（5min）-曝气（2h）-搅拌（2h）-厌氧（2h）-曝气（6h）-沉淀（30min）-排水（15min）-闲置（15min）”，有效运行周期为12h。

按以上条件进行12组正交实验，对各个阶段水质进行取样检测，并进行分析，得出最佳运行工况。

2.2 最佳进水流量比的探究

探索了进水流量比对TP、COD、TN、NH-N去除率的影响，结果如表3至表6所示。由表3至表6可知，当有效运行时间为12h时，A模式下总磷和COD的去除率最高，即当采用7∶3流量比进水时，总磷和COD的去除效果最好。磷的去除主要在厌氧和好氧阶段完成，厌氧阶段水中聚磷菌释磷，并消耗溶解性有机物（VFA），进而在后续曝气阶段过量吸磷，通过生物污泥的排放来实现磷的去除^[7]。当采用模式D（流量比为10∶0）的进水方式时由于厌氧段之前的缺少进水，前期反硝化过程又消耗了大量的溶解性有机物，聚磷菌厌氧释磷的活动受到抑制，导致磷的去除效果变差。

对于总氮和氨氮而言，当有效运行时间为12h时，采用C模式时，总氮和氨氮的去除率最高。全进水方式污染物负荷过高会导致微生物的生命活动受到抑制，氮的去除率不高。而采用分段进水时，聚磷菌会与反硝化菌争夺碳源，聚磷菌会优先利用污水中的碳源进行释磷，反硝化过程就会因为碳源不足受到抑制，故后进水比例过大也会抑制氮的去除，故当采用C模式进水时，总氮和氨氮的去除效果最好。

综上所述，下文对于总磷和COD去除的最佳运行时间探索，采用的是A模式进水条件，对于总氮和氨氮去除的最佳运行时间探索，采用的是C模式的进水条件。

2.3 最佳运行工况的探究

2.3.1 总氮去除效果分析

总氮去除效果对比图如图2所示。有效运行时间为12h时总氮去除效果最好，最终出水质量浓度小于15mg·L^-1，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）^[12]一级A排放标准。从各个阶段来看，进水后随着曝气的进行，总氮略微有所降低，主要原因是这个阶段发生硝化反应，水中的氨氮转化为硝态氮，故而该阶段不是总氮去除的主要阶段。随着搅拌的进行，反应环境由好氧逐渐变为缺氧，发生反硝化反应，总氮得到大幅度的去除。缺氧以后由于再次进水，导致水中的总氮有小范围的升高。但随着再次曝气的进行，水中剩余的硝态氮再次进行反硝化，得到一定程度的去除，故而在曝气结束后出现小范围的下降。总的来看，3个工况的总趋势是一致的，但缺氧阶段时间为2h时下降幅度最大，说明缺氧阶段的最佳有效运行时间为2h。

2.3.2氨氮去除效果分析

氨氮去除效果对比图如图3所示。由图3可以看出，运行时间为12h时氨氮去除效果最好。进水初期，在曝气的条件下，氨氮因微生物硝化作用转化为硝态氮，质量浓度大幅减小，主要原因是这个阶段发生硝化反应，水中的氨氮转化为硝态氮。但由于初次曝气时各工况反应时间均为2h，因而各工况去除率大致相同。后续搅拌进入缺氧厌氧阶段，氨氮质量浓度会有所下降。总的来说，3种工况对氨氮去除趋势相同，但由于运行时间为12h的工况对氨氮反应时间更长，在缺氧-厌氧-曝气阶段对氨氮去除率也更高。

2.3.3 总磷去除效果分析

污水中总磷的去除主要由聚磷菌在厌氧阶段消耗有机物获得能量并释放磷，在曝气阶段吸收污水中的磷，最后通过污泥排放实现的。总磷去除效果对比图如图4所示。

由图4可知，在第一次曝气后磷的质量浓度有所下降，当反应环境由好氧逐渐变为缺氧时，由于反硝化菌与聚磷菌竞争碳源，导致释磷量较少。厌氧阶段时，一方面二次进水增加碳源，另一方面硝态氮的去除避免对聚磷菌释磷产生不利影响，因而总磷的质量浓度陡增，达到峰值。随后好氧曝气缩短了除磷的进程，聚磷菌大量吸磷，污水中磷的质量浓度大幅降低。总的来看，3个工况的总趋势是一致的，但厌氧阶段时间为2h时释磷量最大，曝气时间为6h时吸磷量最大，去除效果最优，故缺氧阶段的最佳有效运行时间为2h，曝气时间为6h。

2.3.4 COD去除效果分析

COD的去除效果如图5所示。第一次曝气之后COD质量浓度快速下降，主要原因是污水中微生物的活性高，对COD的吸附、降解能力强。在缺氧阶段，尽管反硝化会消耗有机物，但是好氧菌活性降低，吸附的悬浮有机物会重新进入水中，导致水中COD质量浓度有所升高。厌氧阶段由于聚磷菌释磷消耗挥发性有机物（VFA），故质量浓度降低。第二次曝气后COD质量浓度大幅下降，但曝气时间为6h时处理效果最好，最终出水质量浓度远小于 50mg·L^-1，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A排放标准。总的来说，曝气时间为6h时COD去除效果最好。

3 结 论

1）分段进水会影响总氮、氨氮、总磷及COD的去除率。对于总磷和COD的去除，A进水模式去除率最高，分别为83.69%和91.64%。对于总氮和氨氮的去除，C模式的进水方式去除率最高，分别为83.40%和93.50%。

2）对于总氮和氨氮的去除，缺氧阶段最佳有效运行时间为2h；对于总磷的去除，厌氧阶段最佳有效运行时间为2h，好氧曝气最佳有效运行时间为

6h；对于COD的去除，曝气最佳有效运行时间为

6h。故有效反应时间为12h时为最佳运行工况。

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Research on Optimum Operating Condition of SBR

for Nitrogen and Phosphorus Removal

ZHANG Pan， FANG Li， ZHOU Jingyi， SHE Yi， ZHONG An， LI Xiaohong

（School of Environment Science and Spatial Informatics， China University of Mining and Technology，

Xuzhou Jiangsu 221000，China）

Abstract：In order to explore the optimal reaction conditions of SBR for treating urban domestic wastewater， the process flow of "raw water-aeration-anoxia-anaerobism-aeration-sedimentation-drainage-idleness" was used to separate the removal of nitrogen and phosphorus， and the optimal flow ratio of staged influent and the optimal reaction time of each stage were studied. The results showed that for the removal of total phosphorus and COD， the highest removal rates were 83.69% and 91.64% in influent A mode （flow ratio 7∶3）. For the removal of total nitrogen and ammonia nitrogen， the C influent mode （flow ratio 9∶1） had the highest removal rate with 83.40% and 93.50%， respectively. At the same time， it was found that the optimal operating condition for nitrogen and phosphorus removal was when the effective reaction time was 12 h.

Key words：SBR; Denitrification; Dephosphorization