序批式活性污泥法处理城市污水试验研究.docx

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序批式活性污泥法处理城市污水试验研究

　　　在城市污水处理中，由于地理环境和气候因素的影响，广州城市污水水质有明显区别于北方城市污水水质的特点，一般北方地区城市污水BOD5在100～200mg/L之间，NH3-N在20～30mg/L之间,TP在2～7mg/L之间，而广州地区城市污水BOD5在40～80mg/L之间，NH3-N在20～30mg/L之间,TP在1～7mg/L之间，即有机物浓度低，碳、氮、磷比例不合理。

所以开发研究适合广州地区城市污水特点的简单、高效的污水处理工艺流程，是当务之急。

　　本实验研究采用SBR艺，处理广州地区的城市污水，达到了在一个反应装置内既去除有机物又能脱氮除磷，而且磷的出水指标达到了0.1～0.45mg/L，这样的结果目前国内外还未见类似的报道。

1实验装置与方法

1.1实验装置及水质

　　SBR反应器由有机玻璃制成。

总容积47.4L，有效容积42.8L。

采用空压机曝气，穿孔管布气。

其流程见图1。

　　试验所用的污水前期是在实验室配水，后期则取自广州市某河涌城市污水。

反应器中污泥是从广州市大坦沙污水厂所取，然后进行培养驯化。

试验污水水质见表1，试验运行方式见表2。

表1 试验污水水质　　mg.L-1

序号

项目

配制污水

城市污水

COD

89.8-250.0

86-166.7

BOD5

46.8-127.6

44.7-85.0

19.7-26.1

19.8-26.5

1.9-7.02

1.6-7.1

NH3--N

15.0-22.0

17.8-25.0

NO3--N

0.20-1.65

0.06

NO2--N

未检出

38.5-126.0

表2 试验运行方式

顺序

反应过程

停留时间/h

进水（厌氧）

反硝化、释放磷

1.0

曝气（好氧）

降解有机物、硝化、吸收磷

2.0-3.0

沉淀

悬浮物及污泥沉淀

1.0

排水

排除处理后的污水

0.5

1.2试验运行工况及运行参数

　　本试验共进行了5种工况的运行试验，试验运行参数见表3。

表3 运行工况和运行参数

工况

周期/h

厌氧/h

曝气/h

沉淀/h

排水/h

MLSS/（g.L-1）

沉降比/%

充水比

XVI

1.5

2.0

0.5

3.0

29.5

0.7

5.5

1.5

0.5

2.5

21.0

0.7

4.1

0.8

0.5

1.8

21.3

0.6

118

4.0

1.0

1.5

1.0

0.5

1.7

20.5

0.6

113

4.-4.5

1.0

0.5-1.0

0.5

2.0

20.0

0.7

100

2实验结果及分析

　　各种工况下的处理效果见表4。

表4 各种工况下的处理效果　 mg.L-1

测试项目

工况1

工况2

工况3

工况4

工况5

CODCr原水

189.2

135.8

93.5

76.9

125.6

出水

26.3

22.4

16.3

17.3

18.5

去除率/%

BOD5原水

93.4

62.8

53.2

41.6

66.3

出水

9.46

5.2

6.53

7.56

7.10

去除率/%

TN原水

22.3

22.8

20.4

19.8

21.2

出水

13.5

15.1

14.6

15.15

15.2

去除率/%

NH4+-N原水

19.37

20.2

18.65

17.65

18.24

出水

4.35

6.48

7.65

11.96

8.53

去除率/%

TP原水

3.86

5.22

3.76

2.95

3.35

出水

0.31

0.40

0.29

0.31

0.24

去除率/%

91.9

92.3

92.2

89.4

92.8

　　SBR工艺对于广州地区城市污水的处理效果和可行性是本次试验的重点，不同工况条件下的试验结果见表4。

由表4可知，在试验运行的5种工况中，除工况4以外，CODCr的去除率都在83％以上。

BOD5去除率都在88％～92％之间。

氨氮的去除率一般在53％～76％之间，总氮的去除效率一般在27％～39％之问。

总磷的去除率都在91％以上。

工况4CODCr、BOD5去除效率低，是因为进水有机物浓度低，氨氮、总氮的去除效率低，主要原因是曝气时间短，硝化过程完成得不好。

（工况4如能保持较高的溶解氧浓度，磷的处理效果仍然很好）。

3最优工况的确定

　　确定SBR艺处理城市污水的最佳工艺参数是本课题研究的主要内容，其最基本的原则是在满足出水水质CODCr60mg/L、BOD520mg/L、NH+4～N10mg/L、TP0.5mg/L、SS20mg/L的情况下，尽量缩短水力停留时间（包括厌氧反应时间、曝气时间与沉淀时间）及确定最优曝气量，以达到降低处理系统的基建费用、运行费用的目的。

3.1最优曝气时间及曝气量的确定

　　从5种工况的实验结果看CODCr在曝气30min即可以达到排放标准。

在曝气60min后，CODCr的降解幅度已很小，曲线趋于平稳。

NH4－N的降解不同于有机物，氨氮需要在曝气120min以后出水才能达到10mg/L以下。

　　TP的出水要达到0.5mg/L以下，90min的曝气时间基本就可以了（但要保持适宜的DO浓度）。

　　从以上三方面考虑，为使硝化反应进行得更彻底，以NH3-N出水指标低于10mg几为基准，最优曝气时间不低于120min。

　　最优曝气量的确定要根据去除有机物、氨氮、磷三个指标来控制。

曝气量的控制是以DO浓度来体现的。

去除有机物的DO浓度，在2h曝气时间里，DO浓度达到并保持在1mg/L左右，有机物去除就可以达到要求。

去除氨氮的DO浓度，曝气30min时达到1.0mg/L以上，60min时达到2.0mg/L左右，并一直保持到曝气结束，氨氮的去除效果较好，出水浓度低于9.0mg/L。

　　除磷的DO浓度，在曝气60min时，DO浓度在1mg/L左右，60min后保持DO浓度在1.5－2.0mg/L之间，即可以保证磷的出水指标低于0.5mg/L。

　　为了保证氨氮的去除效果，反应装置中DO浓度应在曝气60min时达到2mg/L左右，并一直保持到曝气结束。

3.2厌氧反应时间的确定

　　厌氧反应时间的确定是以脱氮和磷的释放作为确定原则。

硝酸盐经过50min的厌氧后，基本被还原成N2从水中逸出。

磷的厌氧释放在40min左右，即可以达到释放的最高浓度。

所以，厌氧的反应时间定为60min（实验结果见图2）。

3.3最优沉淀时间的确定

　　对于SBR处理系统，由于反应是在一个装置中进行，沉淀时间的确定显得更为重要。

沉淀时间过短，水中悬浮物过高，影响出水水质；若沉淀时间过长，则会发生反硝化，有时还会发生污泥上浮现象。

图3表示在停止曝气后，反应器中污泥成层沉淀的泥水界面高度和上清液（取样在反应器有效高度的1/2处）中悬浮固体（SS）浓度随沉淀时间的变化规律。

从图3中可见，经过20min的沉淀，就基本完成了沉淀过程；沉淀30min后，水中的SS浓度基本不再进一步降低了，泥水界面变化也很小。

在不同的工况运行时，即使曝气时间不一样，重复上述试验，都得到了基本相同的结果。

为了运行可靠，最优沉淀时间定为40min。

在处理城市污水的实际工程中，由于需要一定的排水时间，在从水面0.5m处开始排水的过程中，如果泥水界面并没有沉降到接近极限高度还可以继续沉淀，而不影响出水水质，因此，SBR法处理城市污水的沉淀时间定为40min，完全可以满足要求。

　　实验认为将沉淀时间缩短到40min具有重要的意义和使用价值，这样能充分发挥SBR法静止沉淀效率高的优点，提高其处理能力，又能有效地防止污泥膨胀的发生。

本试验研究表明，沉淀和闲置时间过长是引起污泥膨胀的重要原因。

4结论

　　采用SBR法处理广州市城市污水，进水，CODCr浓度为86.0～166.7mg/L，BOD5浓度为44.7～85.3mg/L，NH3～N浓度为17.8～25.0mg/L，TP浓度为1.6～7.1mg/L，SS浓度为25～237mg/L，出水CODCr为10.7～32.2mg/L，BOD5为5.12～13.6mg/L，NH3－N为2.83～9.23mg/L，TP为0.1～0.45mg/L，SS为6～10mg/L。

序批式生物膜法的脱氮特性及机理研究

　　生物膜法具有单位体积生物量大、抗冲击能力强、污泥易于沉淀、运行管理方便以及省能的优点。

同时微生物呈固着态，有利于将微生物保持在反应器内和优势菌属的培养。

在研究序批式生物膜法工艺时，笔者发现该工艺具有很好的同步脱氮作用[1]。

因此有必要就序批式生物膜法工艺中所表现出来的脱氮特性和机理做进一步的探讨。

1试验方法

1.1试验装置

　　试验装置如图1所示。

试验所用反应器用有机玻璃制成，内径15cm，反应器内有效容积18L，其中沉淀池2L。

试验进水的TP平均为10.0mg/L、TN平均为37.7mg/L、COD为370.0mg/L，温度为25℃，好氧状态的DO平均为5.5mg/L。

装填密度应是纤维载体上生物膜成熟后，膜与载体所占容积与整个反应器容积之比。

本实验分别做了最大装填密度37.5％、实用装填密度30％以及较低装填密度22.5％的对比实验后，确定较适宜的装填密度为30％。

此时，反应器中的纤维载体的比表面积为2.66m2/L。

生物膜培养采用A/O交替运行方式历时3个月，菌种取自一般活性污泥工艺。

试验稳态运行工况为淹没序批式生物膜法工艺的运行工况[1]，即每一SBR周期为9h，其中厌氧段3h、好氧段6h。

1.2原生污水和主要分析方法

　　原生污水用自来水加蛋白胨配制，配制时还投加少量氯化铵、硫酸镁、磷酸二氢钾、氯化钙、氯化钠等，配制后水质如表1所示。

COD，重铬酸钾法；TN，过硫酸钾-紫外分光光度法；NH4+-N，纳氏试剂光度法；NO3--N、NO2--N，离子色谱法；TP，过硫酸钾氯化亚锡还原光度法。

表1原生污水水质表

水质指标

COD

NH4+-N

NO3--N

NO2--N

碱度

BOD5

浓度，mg/L

250-400

30-60

10-20

0.2

0.1

8-10

7-9

7.3

380-440

180-300

2试验研究

2.1厌、好氧时段内各形态氮浓度的变化

　　为考察厌、好氧时段内各形态氮浓度的变化，笔者测定了进水后厌氧3h、再好氧17h的各形态氮浓度的变化曲线，见图2。

试验中，以试验条件改变后运行2周后的水样为试样，各浓度值为连续2周试验数据的平均值。

由图2可见，在厌氧段TN下降、NH4+-N上升，TN去除率为34.3%；NH4+-N在好氧开始后6小时内已低于1mg/L，硝化基本完成,同时也可看到此时好氧时段内脱氮率为进水TN的22.3%,总脱氮率达56.6%。

过长的好氧时间只是把余下的氮转化为NO3--N，而总脱氮率几乎没有提高。

2.2进水ＣＯＤ负荷的影响

　　试验中，采用4种COD进水负荷考察COD和各形态氮的变化规律，见图3至图7。

　　由图3可知，软性填料序批式生物膜可承受较高的COD负荷的增长，且在厌氧段有较高的COD吸收速率，COD负荷越高，其COD吸收速率也就越高。

厌氧段COD吸收值在进水负荷1.32kgCOD/（m3.d）（相应进水COD浓度为496.8mg/L）时为212.5mg/L，而在进水负荷1.00kgCOD/（m3.d）（相应进水COD浓度为375.0mg/L）时为203.1mg/L，这说明在进水负荷为1.00kgCOD/（m3.d）时，厌氧段COD吸收值已趋于极大值，对COD吸收达到极大值表明不是所有的有机物都可以做为细胞中的合成物质和储藏物质。

所以笔者确定该工艺适宜进水COD负荷为0.27－1.32kgCOD/（m3.d）。

　　图4为4种COD进水负荷时NO3--N变化曲线，随着COD进水负荷的提高，发生硝化的时间往后推移。

图5为4种COD进水负荷时NO2--N变化曲线，NO2--N产生后要达到一个峰值，随着COD进水负荷的提高，产生峰值的时刻后移。

在COD进水负荷1.00kgCOD/（m3.d）时，出水NH4+-N为0.40mg/L，在COD进水负荷增加到1.32kgCOD/（m3.d）时，出水NH4+-N达1.47mg/L。

图7、为4种COD进水负荷时TN去除率。

可见，进水COD负荷为0.27－1.32kgCOD/（m3.d）时都有较好的硝化、脱氮效果。

3厌氧段过量储存脱氮机理探讨

3.1生物膜的吸附作用

　　生物膜的表面是高度活性的、具有巨大的截留和吸附能力,可吸附混合液中的颗粒、胶体物质和溶解性物质，因而生物膜中除异氧菌、自养硝化菌和原生动物外还有使细胞得以凝聚在一起的胞外多聚糖类物质，附着在生物膜絮体表面的溶解态、悬浮态、胶体态的有机物，微生物的代谢残留物及进水中不可降解的组份等。

许多低分子溶解性有机物可被微生物细胞通过主动运输、辅助运输、单纯扩散机制直接吸收，溶解性大分子有机物、悬浮物和胶体物质虽然难以直接穿过细胞壁进入细胞内，但可以吸附在细胞表面然后经胞外酶的水解作用转化为可传递到胞内的溶解性有机物，因而生物膜的吸附作用对有机物的去除是非常重要的。

3.2储存代谢机理

　　由上可见并非所有被吸附到生物膜上的有机物都可转化为细胞的原生质，而其中的一部分是以“储存物质”的形式存在。

储存物质就是储存于生物膜中的溶解或非溶解性有机物并可经生物代谢作用成为微生物生长所利用的物质。

　　含碳有机物可作为糖原[2]、PHB[1]或其他储存化合物储存于细胞内部，作为细胞生长的碳源和能源，这些易降解的胞内储存物对于本研究是尤为重要的，因为在缺氧条件下它们将被首先用于反硝化；而更多的有机物则存在于细胞外即生物膜中，在胞外反应足够慢的情况下，只有在胞内储存的易降解有机物消耗到一定程度后胞外有机物才成为反硝化的碳源。

3.3过量储存脱氮机理

　　淹没式SBR生物膜在厌氧段可较好地吸附进水中的高浓度有机物，见图3。

在该阶段微生物细胞具有很好的储存诱导作用，细胞内可积累含碳氮有机物，这些碳氮已超出了细胞生长的需要。

JamesE.Aueman[2]的实验中发现在SBR好氧段，在外界有机物已耗尽的情况下，仍有胞内糖原的增长，从而证明了胞内储存有机物为糖原前体，因而更加强了这一观点。

　　综上，淹没式SBR生物膜反应器在厌氧段具有约34％的脱氮功能，这是由于微生物细胞具有很好的吸付和储存含碳氮有机物的功能，这些碳氮已超出生长需要；更多的储存物质存在于细胞外即生物膜中，并通过微生物代谢作用为细胞所利用。

4好氧段SND脱氮机理探讨

　　根据传统生物脱氮理论，硝化与反硝化反应不能同时发生，硝化反应在好氧条件下进行，反硝化反应在厌氧条件下进行。

然而，近几年有不少试验[3]证明存在同步硝化与反硝化现象（SimultaneousNitrificationandDenitrification,简称SND），尤其是有氧条件下的反硝化现象存在于各种不同的生物处理系统,如生物转盘[4]、SBR[5]、CAST[6]工艺等。

　　如前所述，SBR生物膜反应器的厌氧段，含碳氮有机物被过量储存。

图8为COD进水负荷1.00kgCOD/（m3.d）时进入好氧段后的TN、COD变化曲线。

由图8可见，在外界有机物已近耗尽的情况下仍有持续的脱氮作用（SND反应），则证明生物膜中的储存物质成了反硝化的有机碳源。

因而，笔者认为，生物膜中存在好氧生物膜层与兼性生物膜层。

在深层的兼性生物膜中存在反硝化细菌，这些反硝化细菌利用生物膜中储存有机物作为有机碳源，将好氧生物膜层中产生的硝态氮转化为氮气。

本试验中好氧段的脱氮作用主要是由于生物膜的SND脱氮作用。

由图7可知，在进水COD负荷从0.27kgCOD/（m3.d）上升到0.73kgCOD/（m3.d）时，总氮去除率从48.3％上升到56.6％，说明由SND产生的脱氮率随着生物膜内储存物的增加而增加；当进水COD负荷从0.73kgCOD/（m3.d）上升到1.32kgCOD/（m3.d）时，总氮去除率从56.6％下降到48.7％，是由于过高的COD负荷使生物膜变厚，影响了硝化和反硝化，从而使总脱氮率下降。

图2则说明了生物膜中储存有机碳随好氧时间延长而下降，所以脱氮率也逐步下降，在好氧6小时后生物膜中储存有机物已耗尽，所以过长的好氧时间并不能提高脱氮率。

　　因此笔者认为，生物膜内存在SND反应。

SND反应主要发生在好氧生物膜层和兼性生物膜层分界区内，反硝化的有机碳源主要为在厌氧段过量储存的有机碳源。

由SND产生的脱氮率随碳/氮比的增加而增加，而过高的进水COD负荷将使生物膜变厚，从而影响SND的效果。

一个SBR运行周期好氧末端生物膜中储存物质的耗尽为下一周期厌氧开始进行的过量储存做好了准备。

5结论

（1）序批式生物膜法工艺具有较好的同步脱氮作用。

在水力停留时间为9h（其中厌氧3h、好氧6h）的工艺参数下，进水COD负荷从0.27kgCOD/（m3.d）到1.32kgCOD/（m3.d）均可使脱氮率达48.3%以上。

（2）厌氧段脱氮机理为过量储存脱氮机理。

微生物细胞具有很好的吸付和储存含碳氮有机物的功能，这些碳氮已超出生长需要；更多的储存物质存在于细胞外即生物膜中，并通过生物代谢作用为细胞所利用。

（3）好氧段脱氮机理为生物膜的SND机理。

SND反应主要发生在好氧生物膜层和兼性生物膜层分界区内，反硝化的有机碳源主要为在厌氧段过量储存的有机碳源。

由SND产生的脱氮率随碳/氮比的增加而增加，而过高的负荷将使生物膜变厚，从而影响SND的效果。

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