两段SBR工艺脱氮规律实验研究

（中国环境管理干部学院，河北 秦皇岛066102）

1 研究背景

高浓度有机废水中氮主要以氨氮和有机氮形式存在。在生物处理过程中，大部分的非溶性有机氮转化成氨氮和其他无机氮，然后通过硝化反应将氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮转化为氮气从水中逸出，从而达到脱氮的目的。

常用的处理工艺有：A/O工艺、氧化沟工艺、桥本工艺、四段Bardenpho工艺以及SBR工艺。其中SBR工艺由于无需回流、操作简单、处理效率高而得到广泛推广[1]。

传统SBR工艺脱氮效率受负荷、曝气方式、DO、pH值等多种因素的影响。Miller等[2-5]的研究发现，在低负荷的SBR中硝化反应进行得很彻底，但反硝化却很难控制。

方士、李筱焕[6，7]采用两段SBR法处理高氨氮味精废水，整个生物处理过程可分为碳氧化阶段和三个亚硝化/反亚硝化阶段。pH值是影响脱氮的重要因素，pH值越高越有利于碳氧化阶段氨氮吹脱效果；亚硝化阶段亚硝化菌是由游离氨对硝酸细菌的抑制而形成的。亚硝化阶段I、II、III的最佳pH值分别为6.8，8.2，8.2，反亚硝化阶段I、II、III的最佳pH值分别为7.5，8.2，8.2。进水氨氮浓度1 400 mg/L时，出水在100 mg/L左右，取得了良好的处理效果，CODCr去除率可达94%～95%，氨氮的去除率达到80%～90%。

高景峰、曾薇、Wouters等[8-12]还对SBR在生物脱氮中的自动控制问题作了大量研究，发现活性污泥法中ORP、DO和pH值的变化规律与硝化、反硝化过程有良好的线性关系，对其进行简单的在线检测可以指示反应的进程，以它们作为控制参数是可行的。

2 实验部分

2.1 实验水质

本实验在中国环境管理干部学院实验中心进行。实验过程的污水来自于某集团的化工废水。废水中含有大量的油类、酚类、硫化物以及芳香烃类等难降解有机物，颜色呈暗绿色。实验用水取自二浮池出水，该废水水质特点是进水有机物浓度和氨氮浓度高，BOD5/CODCr小于0.3，可生化性较差。挥发酚、硫化物等对微生物有毒害作用的污染物质含量较高，属高浓度难降解工业废水。

表1 废水水质

2.2 实验装置

实验采用两个SBR反应器：SBR1和SBR2串联运行，SBR1反应器的出水为SBR2反应器的进水。SBR1主要去除大部分有机物，以好氧为主，SBR2以脱氮为主，先好氧硝化，然后缺氧搅拌，根据硝化结束时刻有机物浓度的大小决定是否通入原废水作为反硝化碳源。每个反应器白天一般运行2个周期，晚上一般为闲置状态。SBR1运行周期为5～7 h：其中进水0.5 h，曝气2～4 h，沉淀1 h，滗水1.5 h；SBR2运行周期为7～9 h：进水0.5 h，曝气3～6 h，缺氧搅拌1～2 h，沉淀1 h，滗水1.5 h。

图1 两段SBR工艺流程

两段SBR法的系统启动方式与其他工艺不同，首先应当进行污泥的适应性培养驯化，然后将污泥分别置于两个SBR反应器中组成两段SBR系统，分别培养。通过这两个阶段的培养驯化，SBR1和SBR2中分别培养出不同种类的微生物，SBR1以降解易降解的底物为主，SBR2以硝化脱氮为主，同时进行难降解底物的降解。系统运行取得了良好的效果，稳定运行期间，有机物的去除率为97%～98%，氨氮的平均总去除率为85%～95%，出水水质良好。并且两段SBR法对废水中的硫化物和挥发酚等有毒物质的去除效率也稳定在95%以上。

3 两段SBR工艺脱氮规律研究

3.1 SBR1脱氮规律研究

为了研究两段SBR系统中氨氮的变化规律，分别对SBR1和SBR2 反应器中氨氮、硝态氮和亚硝态氮的浓度变化进行了实验。实验中SBR1在（23±2）℃的条件下进行，保持污泥浓度8 000 mg/L，进水有机物浓度4 000 mg/L，污泥负荷1.0 kg COD/（kgMLSS·d），氨氮浓度100～200 mg/L，氨氮负荷0.025～0.050 kgNH4+-N/(kgMLSS·d)。每个周期运行180 min，连续运行7个周期，实验结果如图2所示。

图2 7个周期内SBR1氨氮变化规律

图3 SBR1一个周期内氨氮变化规律

由图2可见，在正常运行的7个周期中，SBR1对氨氮的去除能力有限，平均去除率在30%左右，出水中仍然有大量的氨氮存在。说明SBR1不能良好地去除氨氮。并且在实验中检测出硝酸氮和亚硝酸氮的浓度很低，说明SBR1反应器硝化菌生长缓慢，硝化反应速率不高。一般认为SBR1中氨氮主要是异氧菌反应过程中发生同化作用而去除的。从图3可以看出，有机物浓度为4 000 mg/L时，氨氮出水浓度为100 mg/L，去除率约为33%，当有机物浓度降低为2 000 mg/L时，氨氮出水浓度为109 mg/L，氨氮去除率为27%，当有机物浓度继续降低到1 000 mg/L时，氨氮出水浓度为114 mg/L，去除率为24%，说明随着进水有机物浓度的增加，同化作用越强烈，消耗的氨氮也越多。

3.2 SBR2硝化反硝化脱氮

在两段SBR系统中，SBR2反应器是脱氮的关键环节。由于SBR2反应器的进水有机物浓度远低于SBR1的进水，因此在SBR2反应器中降解有机物的异氧菌不具有明显的优势，从而为硝化细菌的生长提供了机会。同时由于降解的有机物大部分被转化成无机物，因而为自养型硝化细菌提供了足够的碳源，两者在反应器中存在着共生的关系。

实验首先对SBR2中三氮的转化进行了研究。SBR2进水来自SBR1出水，有机物浓度400 mg/L，氨氮浓度100 mg/L，原水pH值7.5～8.0。控制SBR2温度（25±2）℃，好氧阶段曝气量0.3 m3/h，污泥浓度3 000 mg/L，每个周期曝气120 min，厌氧搅拌60 min，定时取样检测三氮浓度，实验结果如图4所示。

图4 SBR2中三氮浓度随时间变化规律

另外，根据前文分析，SBR2反应器中，DO在有机物降解过程中也呈现一定的规律性，可以作为SBR2有机物降解的指示参数。因此能否将pH和DO作为硝化反硝化反应的指示参数，利用其进行自动控制，实现脱氮反应的自动控制就是接下来面临的问题。为了实现这一设想，分别对SBR2硝化反硝化阶段pH值和DO的变化规律进行了研究，结果如图5所示。

图5 SBR2中pH和DO的变化规律

由图可以看出，反应中pH值和DO呈现如下的变化规律：

（1）pH值的变化过程：在硝化反应初期阶段，pH值未出现理论预测的快速下降的趋势，因此在反硝化阶段，用pH值可以很好地指示反硝化过程的结束，防止搅拌时间过长，增加不必要的能耗。

（2）DO的变化过程：在反应初始阶段，通入空气使DO迅速上升，反应开始进行。当有机物降解进入更难降解阶段和氨氮硝化反应结束时，系统中耗氧因素消失，因此系统中的DO迅速升高，出现一次跃升（如图5E点）。在缺氧反硝化初期，DO很快降为0 mg/L，反硝化过程中无法检测，因此不能作为控制参数。

4 结论

（1）经过一段时间的正常运行，证明SBR1对氨氮的去除能力有限，平均去除率在30%左右，出水中仍然有大量的氨氮存在。并且在SBR1中硝酸氮和亚硝酸氮的浓度较低，说明SBR1发生硝化反应速度较慢。SBR1中的氨氮去除主要是异氧菌在消耗有机物的同时发生同化作用的结果，并且随着进水有机物浓度的增加，同化作用也越强烈，消耗的氨氮也越多。

（2）SBR2反应器中氨氮的浓度在初始阶段降低较快，随着反应的进行，氨氮的浓度逐渐降低，反应速率也逐渐下降。经过一段时间的反应以后，微生物对氨氮的降解速率趋于稳定，此时硝酸氮的浓度达到最高。进入缺氧反硝化阶段以后，硝酸氮的浓度迅速下降，直至降解完全，亚硝酸氮在反应初期和厌氧阶段有一个积累的最高值，然后又有所下降。在SBR2进行硝化反硝化脱氮的过程中，pH值和DO的变化呈现一定的规律性，在反应进行的过程中pH值和DO出现几个拐点指示反应的进程，因此在硝化反硝化脱氮反应中，pH值和DO与反应进行的程度有很好的对应关系，利用这两个参数作为系统自动控制的依据完全可行。

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