低溶解氧条件下分段进水对SBR工艺脱氮除磷效果的影响研究

王珍宝，施春红，黄晓龙，姜　凯

(1.北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083;2.北京科技大学工业典型污染物废物资源化处理北京市重点实验室，北京100083)

目前，城市生活污水多采用活性污泥法处理，但在运行过程中存在弊端：其一是剩余活性污泥处理问题，微生物进行新陈代谢，2/3的能量用于细胞合成，造成剩余污泥增值迅速，其处理费用占整个运行成本一半以上；其二是能耗问题，活性污泥工艺处理城市污水过程中电耗费用占常规运行成本的1/3以上。针对城市生活污水处理中产生活性污泥的问题，许多学者进行了研究，如闫骏等[1]研究表明，人为控制低碳氮比(C/N)，应用同步硝化反硝化原理[2]，限制微生物对碳源的需求，保持同等处理效果下，可降低污泥产率；陈丽丽[3]的研究表明，通过控制活性污泥系统处于低溶解氧(DO)状态，会产生微污泥膨胀，可使处理效果提高，同时降低了能耗；Meng等[4]研究表明，低DO状态下，活性污泥产率的下降可使活性污泥量也有所减少[4]；胡远志等[5]研究表明，选用SBR反应器，在低DO条件下，采用二段进水方式，可提高聚磷菌和反硝化细菌对进水中碳源的竞争力，避免了外加碳源，同时降低了运行成本。本文在上述研究的基础上，开展了低DO条件下分段进水SBR运行模式的试验研究，对比分析了4种低DO条件下传统SBR工艺与分段进水SBR运行模式的脱氮除磷效果，为分段进水处理城市生活污水提供理论依据和实践建议。

1　材料与方法

1. 1　试验装置与运行

试验装置见图1。该装置由有机玻璃制成，高400 mm，直径190 mm，有效容积为11.3 L；在SBR反应器壁上设有出水口(距离底部200 mm)，反应器底部设置排泥管；以微孔曝气盘进行曝气，采用鼓风曝气，以转子流量计(LZB-3WB，常用双环热工仪表有限公司)调节曝气量；通过加热器(300W，德国EHEIM GmbH&Co.Kc)控制水温，通过蠕动泵(BT300K，保定创锐泵业有限公司)控制出水。SBR反应器运行方式如下:2周期/d，一段采用进水—缺氧—好氧—沉淀—排水排泥；二段采用进水—缺氧—好氧—缺氧搅拌—进水—缺氧—好氧—沉淀—排水排泥，详见表1。

图1　试验装置图Fig.1　Experimental device diagram

1. 2　进水水质和接种污泥

SBR反应器的进水采用人工配水方式，取原水稀释再加NaCl、K2HPO4、邻苯二甲酸氢钾和葡萄糖等进行配水(原水取自城市生活区的化粪池污水)，试验期进水水质见表2。接种污泥取自某污水处理厂二沉池回流污泥，SBR反应器初始活性污泥浓度为2 000 mg/L。

表1　不同进水方式SBR反应器的运行时间安排Table 1　SBR reactor operation schedule for different influent modes

表2　SBR反应器试验期进水水质Table 2　Water quality of SBR reactor in the test period

1. 3　分析方法

2　结果与分析

2.1　不同低溶解氧条件下两种进水方式对有机物去除效果的影响

2.1.1对CODCr去除效果的影响

试验在厌氧/缺氧—好氧和厌氧/缺氧—好氧—缺氧—好氧条件下运行SBR反应器，通过控制气体转子流量计调节好氧段DO浓度，研究传统SBR工艺和分段进水SBR两种运行模式对CODCr的去除效果，其试验结果见图2。

(1) 一段进水方式，SBR反应器从启动期到稳定期，采用4种不同DO条件(DO浓度分别为1.0 mg/L、0.8 mg/L、0.5 mg/L和1.5 mg/L)，其运行结果[见图2(a)、(b)、(c)、(d)]显示，SBR反应器稳定出水中CODCr浓度分别为12.6 mg/L、10.0 mg/L、2.2 mg/L和9.6 mg/L，CODCr平均去除率分别为89%、92%、98%和92%。这是因为一段进水在C/N<5、碳源不足和低DO条件下，SBR反应器发生了活性污泥微膨胀[6]，污泥微膨胀主要是发生丝状菌膨胀[7]，在低DO浓度下，丝状菌比菌胶团细菌更容易获得DO使其生长繁殖，当DO浓度<1.5 mg/L时，随着DO浓度的降低，丝状菌数量增加，吸附和吸收的有机质增加，CODCr出水浓度降低，其去除率提高。

图2　不同溶解氧条件下两种进水方式的SBR反应器对CODCr的去除效果Fig.2　　　　Effect of SBR reactors of two water feeding patterns on CODCr removal under different dissolved oxygen conditions

(2) 二段进水方式，采用4种不同DO条件下，SBR反应器出水CODCr浓度相比一段进水分别上升到18.1 mg/L、19.2 mg/L、24 mg/L和22.8 mg/L，CODCr去除率分别减少了17%、18%、21%和22%。这是因为二段进水增加了有机物负荷梯度和DO浓度梯度，抑制了丝状菌的生长繁殖，相比一段进水降低了CODCr的去除率。该试验结果与巩有奎等[8]、赵娜[9]、刘山虎等[10]的研究结果有出入，当DO浓度为1.0 mg/L时，CODCr的去除效果削减得最少，异氧菌和丝状菌生长相比其他低DO条件下更好。

2.1.2对总氮(TN)去除效果的影响

试验采用4种不同低DO条件下，考察了一段和二段两种进水方式的SBR反应器对TN的去除效果，其试验结果见图3。

图3　不同溶解氧条件下两种进水方式的SBR反应器对TN的去除效果Fig.3　　　　Effect of SBR reactors of two water feeding patterns on TN removal under different dissolved oxygen conditions

由图3(a)可见，当DO浓度为1.0 mg/L时，经一段和二段进水处理稳定后，一段和二段出水中TN均值分别为17.4 mg/L、12.7 mg/L，TN去除率分别为45%、62%；当DO浓度为1.0 mg/L左右时，活性污泥发生微膨胀，为同步硝化反硝化(SND)提供了理想条件，部分氮通过SND[12-13]转化，降低了对碳源的需求量，从而提高了TN的去除率。

由图3(b)、(c)、(d)可见，当DO浓度分别为0.8 mg/L、0.5 mg/L和1.5 mg/L时，一段和二段出水中TN均值分别为19.5 mg/L、18.6 mg/L、21.6 mg/L和13.0 mg/L、14.4 mg/L、13.1 mg/L，TN去除率均值分别为38%、41%、31%和54%、50%、52%。从有利于TN去除效率的角度来看，一段进水条件下对DO浓度的排序为1.0 mg/L>0.5 mg/L>0.8 mg/L>1.5 mg/L，二段进水条件下对DO浓度的排序为1.0 mg/L>0.8 mg/L>1.5 mg/L>0.5 mg/L。由此可见，在低DO条件下处理低C/N生活污水，二段进水比一段进水对TN的去除效率更高，该研究结果与刘晨等[14]的研究结果基本相似。

2.1.3对总磷(TP)去除效果的影响

试验采用4种不同DO条件下，考察了一段和二段两种进水方式的SBR反应器对TP的去除效果，其试验结果见图4。

图4　不同溶解氧条件下两种进水方式的SBR对TP的去除效果Fig.4　　　　Effect of SBR reactors of two water feeding patterns on TP removal under different dissolved oxygen conditions

由图4可见，一段和二段稳定期出水中TP均值分别为3.3 mg/L、3.4 mg/L、3.5 mg/L、3.6 mg/L和2.6 mg/L、2.8 mg/L、2.9 mg/L、3.05 mg/L，TP去除率分别为25.5%、21.8%、21%、18.5%和44.7%、40%、37.7%、33.7%；二段进水方式比一段进水方式TP的去除效率更好，且在4种DO条件下，当DO浓度为1.0 mg/L时，TP去除率提高了20.2%；结合图4和图3进行分析，二段进水比一段稳定期出水TN浓度更低，这是因为硝态氮进行反硝化吸收的能源更低，从而提高了聚磷菌吸收VFA的比例。

2.2　不同低溶解氧条件下两种进水方式对活性污泥性能的影响

试验采用4种不同DO条件下，考察了一段和二段两种进水方式的SBR反应器对活性污泥SVI和MLSS的去除效果，其试验结果见图5。

在不外加碳源、进水C/N<4、有机负荷为0.1～0.2 kgCOD/(kgMLSS·d)时，SBR反应器中活性污泥处于微膨胀状态。根据鞠宇平等[15]、陈滢等[16]、侯兆超[17]的研究表明，在此负荷下，当DO浓度在0.3～0.7 mg/L之间时，SVI浓度可在150～200 mg/L内保持稳定。

由图5可见，在一段进水方式下，当DO浓度在0.5～1.0 mg/L之间时，SBR反应器中活性污泥的SVI浓度维持在140～250 mg/L以内，SVI浓度随DO浓度的升高而升高；SBR反应器的污泥龄SRT控制在45 d，MLSS浓度在800～1 500 mg/L以内表现稳定，表观上活性污泥产率降低，实现了污泥减量化，该研究结果与徐宇峰[18]的研究结果基本相似。在二段进水方式下，当DO浓度在0.5～1.0 mg/L之间时，SBR反应器中活性污泥的SVI浓度稳定在120～160 mg/L以内，相比一段进水SVI浓度有所降低，活性污泥沉降性能有所改善；当DO浓度为1.5 mg/L时，SBR反应器中活性污泥的SVI浓度稳定为100 mg/L；当DO浓度在0.5～1.0 mg/L之间时，SBR反应器运行稳定时，MLSS浓度在700～1 000 mg/L之间，相比一段进水MLSS浓度更低。

图5　　　　不同溶解氧条件下两种进水方式的SBR反应器对活性污泥SVI和MLSS的去除效果Fig.5　　　　Effect of SBR reactor of two water feeding patterns on the removal of SVI and MLSS of activated sludge under different dissolved oxygen conditions

3　结　论

针对传统生物法处理低C/N生活污水存在曝气量过量、有机碳源不足和脱碳效率低等问题，本文提出了新型SBR运行模式(低DO、分段进水SBR工艺)，该模式通过控制曝气量，实现了低DO，避免了DO过饱和，并优先利用原水中的可生物降解的CODCr而减少了外加碳源。

(1) 传统SBR工艺中，CODCr去除率达90%以上，与之相比二段进水方式下其去除率下降了20%。

(2) 采用4种不同DO(DO浓度分别为1.5 mg/L、1.0 mg/L、0.8 mg/L和0.5 mg/L)条件，在一段进水方式下，当DO浓度为1.0 mg/L时，SBR反应器对TN去除效率最佳，二段进水方式下其TN去除率为62%，比一段进水提高了17%。

(3) 采用4种不同DO条件，在二段进水方式下，当DO浓度为1.0 mg/L时，SBR反应器对TP的去除效果最佳，TP去除率达45%；SBR反应器中活性污泥MLSS浓度从2 000 mg/L衰减到1 000 mg/L，在表观上活性污泥的产率降低，实现了污泥减量化；当DO浓度在0.5～1.0 mg/L之间时，SBR反应器中活性污泥的SVI浓度稳定在100～150 mg/L以内，活性污泥发生了微膨胀。

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