低水温SBR工艺基质去除规律研究

福建省环境保护设计院 冯昭华



低水温SBR工艺基质去除规律研究

福建省环境保护设计院 冯昭华

该文全面探究了低水温SBR工艺基质去除规律。研究发现，在SBR进水阶段，由于吸附和稀释作用，基质浓度下降迅速（COD、氨氮和总磷的降幅分别为50%、60%～70%和70%～80%），而后的曝气充氧初期，由于空气微泡的冲散作用，出现些许浓度反弹。

低水温 SBR工艺 基质 去除

1 前言

目前，国内外城市污水的处理绝大多数是采用以活性污泥法为主的生物处理工艺[1-2]。作为传统活性污泥法的发展，SBR工艺现已被普遍用于城市污水处理中，特别是对于中、小型规模的污水处理。

SBR（Sequencing Batch Reactor）工艺[3]，亦称为序批式活性污泥法，是一种利用微生物在同一反应器内按照规定的时间顺序依次完成进水、曝气反应、沉淀、滗水和闲置五道工序的污水处理技术，其流态上属完全混合型，而在有机物降解方面却属于时间上的推流。

温度作为影响微生物正常生理活动的重要因素之一，能影响生物酶促反应、微生物细胞的增殖和内源代谢过程、氧在水中总转移系数和饱和溶解氧浓度、污泥膨胀和水的粘滞性。通常，活性污泥微生物的最适生长温度范围为15～30℃，当污水水温低于10℃时，即可对活性污泥的生长发育和功能产生不利影响，从而直接影响出水水质。因此，从污泥微生物的活性大小来考虑，可将低于15℃的水称为低温水。

在秋、冬季节，我国大部分城市均处于低温环境，而城市污水处理厂规模通常较大，且均是建在室外。作为处理核心的微生物受季节温度变化的影响很大，这给污水处理带来了很大的困难，尤其在寒冷地区的冬季。所以，秋、冬季低温污水是城市污水处理中的难点[4-5]，本研究就低水温SBR工艺基质去除规律作些有益的实验研究和探讨。

2 实验系统和方法

本文研究对象主要是城市生活污水。为了使实验更切合城市污水实际，将整套实验装置设置在某城市污水治理厂进行实地实验。实验系统具体可见图1示意。

图1 低水温SBR工艺实验系统示意图

设计SBR生化反应池总容积为9m3（L×W×H＝1.5m×1.5m×4.1m），有效容积约8.55m3，周期处理水量约3.3m3。池底匀布着德国REHAU公司生产的规格500mm的RAUBIOXON曝气管，采用虹吸管式滗水器实现出水外排。通过PLC自控系统，实现SBR整个周期（进水、曝气、沉淀、滗水和闲置5道工序）的自动运转。

本实验研究中，进水为污水处理厂初沉池的出水，生物接种、培养源自曝气池内的活性污泥，需分析测试的水质指标和方法主要为COD（库仑法，GB/T11914-1989）、氨氮（纳氏试剂分光光度法，GB/T7479-1987）、总磷（钼锑抗分光光度法，GB/T7479-1987）和pH值（玻璃电极法）。

考虑到城市污水浓度偏低（进水COD为90～220mg/L），为了全面考察SBR工艺在低水温状态下的基质去除规律，本研究同时还通过补充蔗糖、尿素和KH2PO4等人为地提高进水浓度，以探究高浓度条件下该工艺的基质去除规律。

3 分析与讨论

3.1 COD 去除规律

由于城市污水中含有大量可溶性有机物质和胶体，所以COD生物降解过程自污水进入SBR反应池后就马上开始。此时，活性污泥经闲置期后变得“饥饿”，一旦污水进入反应池，活性污泥絮粒因具有强大的吸附力，可将可溶性、呈胶体状的有机物吸附在絮粒周围，直至吸附达到饱和状态。另一方面，通过生物酶的作用，被吸附的有机物进行溶解，吸纳进入细胞，供自身生命活动的需要。此外，由于SBR每次滗水量仅为有效池容的30％～40％，池内始终保持着60％～70％污泥混合液，所以进水初期污水可得到一定程度的稀释。如图2、图3 所示，进水阶段COD下降得都较快，进水完毕时其值通常可降至原水COD值的50％左右。

图2 低水温SBR工艺高浓度COD降解曲线

（MLSS=1.36g/L，水温15℃，进水1hr，SBR周期14hr）

图3 低水温SBR工艺低浓度COD降解曲线

（MLSS=2.0g/L，水温12℃，进水1hr，SBR周期8hr）

进水完毕后，反应进入短暂的厌氧期，此时DO浓度可降到0.2mg/L以下，COD降解变得缓慢，其值变化不大。

本研究特别发现的是，反应进入随后的曝气阶段，该阶段初期COD有时还存在小幅的上升反弹。这是因为在进水期和厌氧期，活性污泥絮粒的周围被有机物包围，基本上均已达到饱和状态，反应一旦进入曝气阶段，由于曝气的原因，污泥絮体周围被吸附的松散有机物被空气微泡冲散，导致反应混合液的COD出现反弹现象（见图2、图3所示）。

随着SBR池内DO浓度的逐渐提高，反应进入了快速好氧降解COD状态。但到了曝气后期，降解曲线渐趋平缓，此时出水BOD／COD多在0.10左右，表明可生物降解的有机基质已消耗殆尽，进一步降解的空间十分有限。

最后进入沉淀、滗水阶段，池内多处于缺氧环境，但残存的DO仍可维持有机物的降解需要，只是经过前面几个阶段的反应，COD的降解已基本达到出水要求。但是，此时由于反硝化过程需消耗一定量的碳源，所以COD仍能维持缓慢的降解，直至最终出水外排。

3.2 氨氮去除规律

城市污水中含有一定量的氨氮，其在SBR工艺中的去除规律可见图4、图5所示。

图4 低水温SBR工艺高浓度氨氮降解曲线

（MLSS=1.36g/L，水温15℃，进水1hr，SBR周期14hr）

图5 低水温SBR工艺低浓度氨氮降解曲线

（MLSS=2.0g/L, 水温12℃, 进水1hr, SBR周期8hr）

在进水期，同样由于稀释和活性污泥絮粒的吸附作用，氨氮浓度大幅下降，降幅可达60％～70％左右的水平，经短暂的厌氧期后，氨氮浓度也基本保持不变。但是，一旦进入曝气期，随着池内DO浓度的不断升高，氨氮在好氧硝化菌作用下发生硝化反应，浓度不断下降并转化成硝态氮。然后，在缺氧阶段通过反硝化过程最终使得氮元素以氮气形式从反应池中被释放出来，从而完成除氮的目的。

3.3 总磷去除规律

由于城市污水中TP含量较低（该厂污水的总磷含量仅为0.2mg/L）。通常，在生物处理中需要维持C：N：P≈100：5：1左右的营养供应，微生物才能进行正常的新陈代谢活动。本实验研究是为了全面探究SBR工艺中总磷的去除规律，故通过人工投加KH2PO4的方式，使污水中的TP含量提高到1.88mg/L左右。

图6 低水温SBR工艺总磷降解曲线

（MLSS=1.36g/L，水温15℃，进水1hr，SBR周期14hr）

由图6所示，进水期内反应池内的TP含量迅速下降，降幅可达70％～80％左右，原因同前，此时处于低能量的饥饿状态的污泥絮粒相互凝聚成“团块”，迅速吸附溶解性的TP，并开始进行细胞能量物质ATP的制造。在厌氧阶段，聚磷菌将污水中易分解的有机物摄入体内贮存起来，作为好氧吸磷的能源储备，同时将体内的聚磷酸水解，变成正磷酸释放到体外，使得污水中的 TP迅速提高，本实验中甚至反弹达到1.26 mg/L。随后由于因细菌体内能量消耗而需吸取释放到污水中的磷作为合成能量的贮备物，故TP值有些缓慢下降。进入曝气阶段后，聚磷菌的过量吸磷使得水中TP较快速下降，但到了曝气后期TP含量下降速度有所放缓。特别是，到了缺氧段，由于系统内存在的大量硝态氮抑制了聚磷菌在低浓度DO条件下的放磷行为，使得最终出水总磷仅为0.122mg/L的低含量。

3.4 系统内pH值变化规律

城市污水成分复杂，通常呈现出不同的酸碱性。该污水厂的污水pH值呈弱碱性，而且夜间pH值大于白天，但总体而言均小于8.0。本实验探究了SBR系统中pH在整个反应过程中的变化规律，可见图7、图8所示。

在SBR系统中，进行的是厌氧—好氧—缺氧的反应过程，在污水进入系统后，系统内的聚磷菌进行厌氧条件下的放磷，产生出H3PO4，使得系统内pH值略有降低。当聚磷菌的放磷达到最大值后，因维持自身能量的要求，需进行磷的吸取以合成能量贮备物，其进行的反应将OH－释放到系统中，从而使pH值又有回升。在好氧阶段，由于好氧代谢产生的CO2被吹脱，pH值继续上升，但由于聚磷菌吸磷释放的OH－有部分被硝化反应产生的H+而被抵消，所以系统pH值上升幅度不大。进入缺氧期，反硝化过程产生的少量H+使系统的pH值略有下降，直至最终出水外排。

图7 低水温SBR工艺高浓度系统内pH变化曲线

（MLSS=1.36g/L,水温15℃,进水1hr,SBR周期14hr）

图8 低水温SBR工艺低浓度系统内pH变化曲线

（MLSS=2.0g/L, 水温12℃, 进水1hr, SBR周期8hr）

4 结论

4.1 对于高、低浓度的城市污水，低水温SBR工艺对基质（COD、氨氮和总磷）的去除规律大致相同。

4.2 随着SBR周期反应进程，污水中基质浓度的变化总体规律为：先迅速下降后缓升，然后较快速下降再趋缓，直至出水外排。

4.3 本研究中特别发现，在SBR进水阶段，由于吸附和稀释作用，基质浓度下降迅速（COD、氨氮和总磷的降幅分别为50％、60％～70％和70％～80％），而后的曝气充氧初期，由于空气微泡的冲散作用导致出现些许浓度反弹。

4.4 SBR系统pH值，随着反应的进程表现为先降后升、再趋平缓，总体上能保持pH在7.0附近。

[1] 周群英,等.环境工程微生物学[M].北京:高等教育出版社, 2000.

[2] C.P.Leslie Grady, G. T. Daigger, Henry C.L.张锡辉等,译.废水生物处理:改编和扩充[M].北京:化学工业出版社, 2002.

[3] 方先金. SBR工艺特性及降解过程的研究[J]. 给水排水,2000,26(7)：18-21.

[4] 白晓慧,王宝贞.寒冷地区城市污水处理厂改进工艺的运行效能[J]. 中国环境科学,2001,21(1):70-73.

[5] 崔洪升等.寒冷地区城市污水处理厂污泥膨胀及其控制方法[J].哈尔滨建筑大学学报, 2001,34(2):79-82.