水力停留时间对SBR 工艺处理低磷污水的影响

时间：2024-07-28

傅金祥，陈正洋，罗迪，张延平，袁雅姝，于鹏飞

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，沈阳 110168）

活性污泥法具有适应性强、耐冲击负荷以及系统本身能够抑制活性污泥膨胀的特点；磷作为营养源，不同生命体对污水中磷的摄取量不相同，一般理论认为，生物法处理污水过程中，活性污泥内微生物正常生化所需营养物质的比例应满足碳氮磷之比为100 ∶5 ∶1，诸如屠宰厂废水、造纸厂废水、啤酒厂废水等特种工业废水氮磷含量不能满足生物处理的需求，处理难度较大［1］。进水底物中缺少氮、磷将会引起丝状菌污泥膨胀，同时通常伴随着底物去除率下降［2-4］。进水中只缺乏一种营养物而另一种营养物充足的条件下，发生由高含水率粘性菌胶团引起的非丝状菌污泥膨胀。在多数情况下因营养物质缺乏引起的污泥膨胀可通过添加足够营养物质来控制［5］。单独氮限制时污泥膨胀能够完全恢复，而单独磷限制时污泥膨胀恢复效果不如单独氮限制［6］。在恒定的碳氮比条件下，水中磷浓度的降低对氨氮和TN 的去除效率有着明显的负面影响［7］。本课题组的前期研究表明［1，8］，磷营养源缺乏对A／O 工艺的COD 去除效果影响较小，对氨氮去除效果影响较大。为完善低磷试验课题的成果，探究SBR 工艺在磷浓度极低的条件下是否具有良好的耐冲击负荷能力，本研究采用SBR 反应器，在BOD5与磷的质量比为3 200 ∶1 的条件下，通过改变HRT 的大小，考察SBR 反应器对COD、氨氮、磷去除效果的影响。

1 材料与方法

1.1 试验装置

SBR 试验装置如图1 所示。

图1 SBR 试验装置Fig. 1 SBR experimental setup

SBR 反应器材质为有机玻璃，高1 m，内径0.14 m，试验柱有效容积为0.013 8 m3，侧壁垂直方向每隔0.1 m 设定排水口。装置底部为圆弧形并装有阀门，便于定期排泥。装置底部装有微孔曝气盘，采用空气泵对系统进行曝气，空气管路上设有流量计以调节曝气量的大小；装置内部设有搅拌器，机械搅拌速率为60 r／min 以保证缺氧阶段活性污泥能够混合均匀。 SBR 反应器使用时控开关自动控制完成进水、搅拌、曝气、沉淀、排水过程，实现反应器自动运行。反应器每天运行3 个周期。每周期运行8 h，包括2 h 缺氧搅拌， 4 h 好氧曝气， 1 h沉淀， 1 h 闲置，以及瞬时进水和排水6 个阶段。

1.2 进水水质

试验用水为模拟污水，其主要水质指标： pH值为7.2 ～8.0， COD 的质量浓度为285 ～330 mg／L，氨氮的质量浓度为18.1 ～24.5 mg／L， TP 的质量浓度为0.045 ～0.067 mg／L。

每升水添加1 mL 微量元素液Ⅰ和Ⅱ，微量元素Ⅰ由5 g／L EDTA， 5 g／L FeSO4组成；微量元素Ⅱ由15 g／L EDTA， 0.99 g／L MnCl2·4H2O， 0.43 g／L ZnSO4·7H2O， 0.014 g／L H3BO4， 0.22 g／L NaMoO4·2H2O， 0.25 g／L CuSO4·5H2O， 0.19 g／L NiCl2·6H2O，0.21 g／L NaSeO4·10H2O， 0.24 g／L CoCl5·6H2O。每次配水40 L，每天配1 次水。用葡萄糖提供碳源，NH4Cl 提供氮源， KH2PO4提供磷源， MgSO4和CaCl2提供钙、镁离子， NaHCO3提供碱度。

1.3 试验方法

进水BOD5与磷的质量比设定为3 200 ∶1，探究低磷条件下SBR 活性污泥工艺的抗冲击能力。SBR 反应器内部污泥浓度在3 900 ～4 200 mg／L 之间。温度为15 ～20 ℃，溶解氧质量浓度为5 mg／L。通过改变进水量为0.009、 0.012、 0.015、 0.018 m3／d来改变HRT 的值分别为32、 24、 19、 16 h，探究HRT 对COD、氨氮、磷去除效果的影响。 HRT、容积负荷随进水量变化情况如表1 所示。

表1 HRT、容积负荷随进水量的变化Tab. 1 Changes of HRT and volume load with influent flow

1.4 分析方法

水质分析方法参照《水和废水检测分析方法》（第4 版）。 BOD5采用五日培养法， COD 采用快速密闭消解法（光度法），氨氮采用纳氏试剂分光光度法， TP 采用过硫酸钾氧化-锑抗分光光度法，亚硝态氮采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法，硝态氮采用紫外分光光度法， pH 值采用玻璃电极法， SVI 采用标准重量法。

2 结果与讨论

2.1 对COD 的去除效果

在不同HRT 条件下COD 的浓度变化情况如图2 所示。 SBR 反应器进水COD 质量浓度为285 ～330 mg／L。随着HRT 由32 h 降低至16 h，出水COD 质量浓度逐渐升高，由14 ～18 mg／L 升高至42 ～51 mg／L，影响不显著，仍满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准，表明此条件下SBR 反应器对COD 具有较强的抗冲击负荷能力。

图2 不同HRT 下COD 的去除效果Fig. 2 Effect of HRT on COD removal

随着进水有机物总量的增加，生化反应后剩下的难降解的有机物量也逐渐增加［9］，进水磷平均质量浓度为0.056 mg／L，进水磷的缺乏影响了自养和混养反硝化能力［10］，阻碍了SBR 反应器对COD 的去除。田淑媛等［11］研究发现PHB 的合成与COD的快速降解呈正比关系。反应器的进水中磷浓度极低，限制了PHB 的合成，同时也会在一定程度上阻碍碳源的消耗。 Guven 等［12］研究发现随着HRT的降低，更多的COD 被转移到污泥中通过厌氧污泥消化。本试验反应器缺氧段时长2 h，好氧段时长4 h，每个周期内污水实际在SBR 反应器中的反应时间为7 h。在有限的厌氧时间里，进入SBR 反应器中的COD 并不能完全去除［13］，这也可能是造成COD 去除率降低的原因之一。

2.2 对氮的去除效果

在不同HRT 条件下氨氮的浓度变化情况如图3 所示。 SBR 反应器进水氨氮质量浓度为18.1 ～24.5 mg／L。随着HRT 由32 h 降低到16 h，出水氨氮质量浓度由0.03 ～0.19 mg／L 增加到6.7 mg／L 以上，表明在极低的磷浓度下，减小HRT 对氨氮的去除效果有很大的影响。

延长HRT，硝化反应进行得越彻底，氨氮去除率越高［14］。李红岩等［15］认为HRT 小于20 h 时，污泥随水流失，缩短HRT 会导致系统氨氧化细菌大量流失，但没有对硝酸细菌产生重要影响，导致反应体系的硝化性能恶化。当SBR 反应器HRT 降低到16 h 时，出水氨氮质量浓度最低为6.7 mg／L，且随着反应周期数的增加，出水氨氮浓度越来越高，最终氨氮去除率降到51%，说明活性污泥已处于崩溃的状态。氨氮去除效果逐渐恶化的原因可能是亚硝化细菌随污泥量的降低而相应减少［16］。同时低磷浓度限制了微生物的生长繁殖，通常情况下，低磷浓度对氨氮的去除效率有明显的负面影响，甚至导致污泥膨胀［7］。本反应器在运行前期并未出现污泥膨胀现象，当HRT 降低到16 h 时，发生了污泥膨胀。试验结果也说明在磷浓度特别低的条件下， SBR 反应器HRT 在24 h 时最适宜。

图3 不同HRT 下氨氮的去除效果Fig. 3 Effect of HRT on ammonia nitrogen removal

在试验期间对硝态氮、亚硝态氮浓度进行检测，结果如图4 所示。随着HRT 的减小，出水硝态氮浓度逐渐减小，出水亚硝态氮浓度变化不大。对于活性污泥法，溶解氧质量浓度稍高（2.0 ～2.5 mg／L）就会破坏亚硝态氮积累［17］。本试验溶解氧质量浓度为5 mg／L，亚硝态氮出水质量浓度小于均0.08 mg／L，亚硝态氮几乎被完全转化。由此可见，减小HRT 对硝化作用影响比较大。 Wang 等［18］研究发现随着HRT 从17 h 减少到9 h，在污水中未发现明显的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮积累，这与本试验结果有相似之处。

图4 不同HRT 下硝态氮、亚硝态氮积累量Fig. 4 Accumulation of NO3+-N and NO2+-N under different HRT conditions

2.3 磷的消耗

反应器进水磷质量浓度为0.056 mg／L，在磷浓度极低的条件下，反应器出水磷质量浓度小于0.01 mg／L，检测不到磷的存在，可认为出水磷浓度为零。活性污泥微生物需要的磷来源于2 个方面：一方面是反应器进水中携带的外源磷；另一方面是微生物死亡后细胞溶解释放出的磷，以及在缺氧条件下部分细菌将菌体内的ATP 水解，释放出H3PO4和能量形成二磷酸腺普（ADP），提供微生物生长代谢的内源磷［11］， 2 种磷的输入使SBR 反应器中的磷含量达到一个稳定的水平。在HRT 比较高的时候，SBR 反应器中的磷含量足以维持微生物正常的生命活性。随着HRT 的降低，进水带入反应器的总磷含量增加，但此刻SBR 反应器中的磷含量远远少于维持微生物正常生命活性所需要的磷含量［19］，从而导致此时出水水质不合格。

2.4 污泥性状

试验期间SBR 反应器内污泥浓度一直保持在3 900 ～4 200 mg／L 之间，不同HRT 下SV 和SVI值如图5 所示。由图5 可以看出，当HRT 为32 ～19 h 时， SV 保持在10%～20% 之间， SVI 值保持在20 ～40 mL／g 之间，其值与一般城市污水的活性污泥系统的SV 和SVI 控制值相比较低［8，20］。当HRT 降低到16 h 时， SVI 值增加到101 mL／g， SV值突然增大，达到了40%，污泥的沉降性能变差。

图5 不同HRT 下SV 和SVI 值Fig. 5 SV and SVI values under different HRT conditions

在本试验中，当HRT 大于19 h 时， SVI 值在20 ～40 mL／g 之间。理论上，活性污泥SVI 值介于50 ～100 mL／g 之间为宜［8］，此时活性污泥中微生物絮体较少，但活性污泥中驯化出的优势菌种能够很好地去除水中污染物。 SVI 值低可能是因为活性污泥内微生物群体处在内源代谢期。

有研究表明，较高的曝气强度并不会影响SBR反应器内污泥的沉降性［21］。 SBR 反应器中溶解氧的质量浓度为5 mg／L，经过长时间的驯化，活性污泥内存在钟虫、轮虫等以及甲壳类的小动物，说明活性污泥对污水的处理效果良好。当减小HRT 时，SVI 值逐渐增加，该结论与Guven 等［12］试验结果相似。 Wang 等［18］研究发现随着HRT 的减小，微生物群落多样性指数逐渐降低，试验出水各项指标的变化规律与此结论表现一致。