分段进水对SBR工艺脱氮除磷性能的研究

张盼 房丽 周敬一 佘一 钟安 李晓红

摘      要： 为解决传统SBR工艺处理城市污水时存在反硝化菌与聚磷菌竞争碳源、脱氮除磷效果不佳的问题，本通过“好氧-缺氧-厌氧-好氧”，将脱氮除磷过程分离开来，并对分段进水进行研究。结果表明：有效反应时间为12 h时效果最好，而分段进水流量比对COD的去除没有明显差异，流量比为   9∶1时总氮和氨氮的去除效率最高，可分别达到83.40%和93.50%，流量比为7∶3时总磷去除效率最高，可达到83.68%，大大提高了脱氮除磷效果。

关  键  词：SBR；脱氮；除磷；分段进水

中图分类号：X703       文献标识码： A       文章编号： 1004-0935（2024）05-0663-05

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]。但是传统SBR工艺在有机物、氮、磷共存的情况下，由于反硝化过程与聚磷菌释磷过程存在碳源的竞争，脱氮除磷效果往往不佳，难以达到规定的排放标准，李飞^[4]等发现有机物、氮、磷的去除率只有85.2%、62.4%、65.7%。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者的关注焦点。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^[5]等，在运行方式上分步进水工艺越来越受到人们的重视^[6-7]。黄庆^[8]等采取CAST工艺发现可以很好地进行城市污水的生物脱氮除磷处理。魏娜^[9]等采用多段式SBR工艺处理有机污染物，发现在15～30 ℃的温度范围内有较强的降解能力，污泥脱氮除磷性能良好。间歇曝气法采用“曝气-搅拌-曝气”的运行方式，曝气与搅拌为脱氮提供了较好的反应环境，搅拌与后置曝气为除磷提供了较好的厌氧释磷与好氧吸磷     环境^[10]。

本实验采用“好氧-缺氧-厌氧-好氧”的工艺流程，实现氮、磷的分开去除，“好氧-缺氧”主要为了脱氮，而“厌氧-好氧”则注重于除磷，同时完成COD的去除，一方面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；另一方面缩短了除磷的进程，使得磷的去除更加高效。另外，对分段进水进行研究，避免了反硝化菌与聚磷菌释磷对碳源的竞争，强化了微生物对原水碳源的有效利用，从而达到更好的脱氮除磷效果。

1  实验部分

1.1  实验装置

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

1.2  活性污泥和实验水质

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比例100∶5∶1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。水质指标如表1所示。

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  不同工况的选择

各处理工序中最关键参数为进水流量比、厌氧时间、好氧曝气时间和缺氧搅拌时间，本实验设计了A、B、C 3种实验方案，并且通过改变进水流量比来探究最佳运行工况，具体参数设定见表3。不同工况下的处理效果经过多次实验反复验证后将所得数据经过统计、整理后见表4。

2.2  不同工况下COD去除效果分析

图2为不同工况下COD去除率对比图。由图2可知，C方案COD的整体去除率最优，这得益于有效运行时间最长。在保持总进水量不变的条件下，有效运行时间越长，COD的去除率越高。这种现象主要与COD的去除方式有关。当有效运行时间增长，曝气时间增长，异养菌的好氧氧化活动增强时，COD的去除量随之也会增加。当有效运行时间相同时，不同进水方式对COD去除率的影响效果不大，但1号进水方式呈现出最优效果。

2.3  不同工况下TP去除效果分析

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^[11]。不同工况下TP去除效果对比结果如图3所示。

由图3可知，1号进水方式磷的去除率最高，而4号进水方式最低。当进水比为10∶0时，厌氧段之前没有进水，而溶解性有机物会被前面的反硝化过程去除，从而抑制聚磷菌厌氧释磷，进而导致磷的去除效果变差；当采取分段进水时，NO₃^-在缺氧阶段被消耗完，既能避免抑制产酸菌的厌氧发酵作用及挥发性脂肪酸（VFA）的产生，又能避免反硝化菌消耗掉易生物降解的有机基质，从而导致厌氧放磷受到抑制^[12]，即厌氧阶段中有相应的碳源供给，利于聚磷菌释磷，而1号进水方式碳源供给量最充足，总磷的去除率最高。同时，随着厌氧、好氧反应时间的增长，对总磷的去除效率有着明显的提高，即C方案的效果最佳。

2.4  不同工况下N去除效果分析

不同工况下氮的去除效率对比结果如图4所示。

（a）氨氮去除率

（b）总氮去除率

对比图4中两图可以看出，氨氮与总氮去除率的变化趋势大致相同，在保持总进水量不变的条件下，C方案氮的去除效率最高。出现这种现象的原因是，在进水方式相同的条件下，硝化反应时间相同，随着反硝化时间的延长，更多的硝酸盐被转变为氮气，氮的去除率增加。而在有效运行时间相同的前提下，3号进水方式效果最好。4号采用全进水的方式，会导致污染物负荷过高，微生物的活动受限，氮的去除率下降，分段进水会在一定程度上解决这个问题。但是值得注意的是，分段进水会导致聚磷菌与反硝化菌争夺碳源，而聚磷菌可优先利用污水中的碳源进行释磷，反硝化反应过程就有可能得不到充足的碳源，使到缺氧时的混合液不能完全反硝化，从而不能有效去除后进入污水中的氮，而且后加原水中的氨氮会在曝气过程中转化为硝态氮留在水体中，从而使得出水TN的浓度增大^[13]，故1号、2号的脱氮效果不及3号。

2.5  不同工况各污染物去除效果总分析

不同工况各污染物去除效果总对比图如图5所示。由图5可知，1号进水方式COD、总磷的平均去除效果最好，3号进水方式氨氮、总氮平均去除效率最佳。可以看出，氮、磷的去除仍存在一定的矛盾，但总体表现出很好的去除效果，当有效反应时间为12 h时，出水已经可以达到排放标准。故在实际运行过程中，要根据原水水质及所需去除效果合理调整进水比例以满足自身需求。

3  结 论

1）工艺采取“好氧-缺氧-厌氧-好氧”的工艺流程，实现氮、磷的分开去除，从而达到更好的脱氮除磷效果。

2）对于COD的去除，不同进水方式对COD的去除效果影响不大，而有效运行时间对COD的去除效果影响较大，C方案即有效运行时间为12 h时，COD的去除效果最好，可达85.27%～91.64%。

3）对于磷的去除，进水方式和有效运行时间对磷的去除都有影响。C方案中1号进水方式为磷去除的最优工况，去除率可达83.69%。

4）对于氮的去除，进水方式和有效运行时间都会影响氨氮的去除效果。C方案中3号进水方式为氮去除的最优工况，氨氮和总氮的去除率分别达到83.40%和93.50%。

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Study on Performance of Nitrogen and Phosphorus Removal

in SBR Process by Staged Influent

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 solve the problem that denitrifying bacteria compete with phosphorus accumulating bacteria for carbon source and the effect of nitrogen and phosphorus removal is poor when the traditional SBR process is used to treat urban sewage， the process of nitrogen and phosphorus removal was separated through "aerobic - anoxic - anaerobic - aerobic"， and the staged influent was studied. The results showed that the effect was best when the effective reaction time was 12 h， but there was no obvious difference in the removal of COD in the staged influent flow ratio. When the flow ratio was 9∶1， the removal efficiency of total nitrogen and ammonia nitrogen was the highest， which could reach 83.40% and 93.50%，respectively. When the flow ratio was 7∶3， the removal efficiency of total phosphorus was the highest， which could reach 83.68%， greatly improving the nitrogen and phosphorus removal effect.

Key words：  SBR; Denitrification; Dephosphorization; Staged water inflow

基金项目： 中国矿业大学实验室开发型项目（项目编号：2021SYF25）。

收稿日期： 2023-03-17

作者简介： 张盼（2003-），女，河南省南阳市人。

通信作者： 李晓红（1966-），女，高级实验师，研究方向：水污染控制工程。