刘婷婷，李 燕，曹巍巍，张雁秋，刘建业
（中国矿业大学环测学院，江苏 徐州 221008）
摘要：为了提高低碳源污水脱氮除磷的效率，在总结间歇式活性污泥法（SBR）工艺特性和运行控制的基础上，对现有低碳源污水的处理方式进行了改进，提出了高污泥负荷下的新型SBR厌氧、好氧、缺氧反硝化除磷系统。通过对人工配水处理的试验，得到了在低碳源下系统的最佳运行工况。在最佳工况下，化学需氧量（COD）、总磷、氨氮的去除率高达80％以上，出水达到了国家污水综合排放一级标准。同时，在最佳工况下，对微生物内源呼吸氧化自身碳源提供能量进行的反硝化脱氮和反硝化除磷进行了详细的解释，同时根据氧化还原电位（ORP）和溶解氧含量（DO）的值进行了缺氧、厌氧和好氧段的分界。为了进一步说明系统对低碳源污水的脱氮除磷影响，对不同C/N值的污水在最佳工况下进行了试验。结果表明，C/N值为3．4左右时系统的脱氮除磷效果最好。
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关键词 ：SBR工艺；C/N值；脱氮；除磷
中图分类号：X505 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2015）06－1350-07
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.018
Removing Nitrogen and Phosphorus with New Operation Mode of SBR
LIU Ting－ting， LI Yan， CAO Wei－wei， ZHANG Yan－qiu， LIU Jian－ye
（School of Environment Science and Spatial Informatice， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221008， Jiangsu， China）
Abstract： To increase the removal efficiency of nitrogen and phosphorus， different patterns of operating and controlling in the normal SBR were studied． High sludge load and new operation SBR treatment for denitrification and dephosphatation species was introduced based on the operation of low－carbon source of the sewage． The best operational pattern was found through the experimental results of synthetic wastewater． The high quality of effluent was obtained by the best operational pattern， with the removal efficiency of COD、TP、TN more than 80％． The treated wastewater met the first grade standard． The influences of the microbial endogenous respiration on denitrification nitrogen and the denitrification dephosphatation were investigated． Based on ORP and DO under the best operational pattern， anoxic and anaerobic R aerobic was distinguished and the changes of the ORP and DO were explained in detail． In order to further explain the influences of the low－carbon source of sewage on the operational pattern， the sewage with different C/N values under the best operational pattern was tested. The results showed that the best effeciency of removing nitrogen and phosphorus species was obtained when C/N was about 3．4．
Key words：sequencing batch reactor process；C/N value；denitrifying phosphorus removal；removal of nitrogen and phosphorus
收稿日期：2014－11－20
作者简介：刘婷婷（1988－），女，安徽省淮北市人，在读硕士研究生，研究方向为环境工程，（电话）18761422364（电子信箱）971970305@qq．com；
通信作者，李 燕（1969－），女，江苏省徐州市人，博士，副教授，主要从事环境工程的研究，（电话）13952198646（电子信箱）
1321620305@qq．com。
间歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor，简称SBR）又称序批式活性污泥法，是一种不同于传统活性污泥法的废水处理工艺，它具有流程简单、运行方式灵活、费用低、效果好、耐冲击负荷强等特点，该工艺脱氮除磷效果尤为显著［1］。新型SBR反应器相比传统的SBR反应器具有明显的优势，曝气阶段只发生在反应器上部，只对一半的反应液曝气，降低了曝气强度，减少了能源消耗，节约了成本；曝气的同时反应器的下部处于厌氧状态，为缺氧状态的形成提供了条件，缩短了好氧反应液中氧气对缺氧状态形成的影响时间，加速了反硝化除磷反应的进行，进一步缩短了缺氧时间和整个运行周期的时间；总磷能在好氧吸磷和缺氧段的反硝化除磷共同作用下很好地去除；高浓度的污泥负荷提供了大量的微生物，在小水量高污泥负荷的条件下可以缩短整个运行周期的时间，节省了运行时间，相当于提高了水的处理量。同时，由于缺氧、厌氧和好氧的时间变化，缩短了好氧时间，减少了曝气量，减少了能源消耗，进一步节省了成本。
本试验在总结SBR工艺特性和运行控制的基础上，对现有低碳源污水的处理方式进行了改进，提出了在高污泥负荷下的新型SBR厌氧、好氧、缺氧反硝化除磷系统，运行参数为：厌氧（进出水）30 min→上部好氧90 min（下部厌氧90 min）→缺氧50 min→沉淀10 min。试验装置有效容积12 L，其中6 L的活性污泥，每次进4 L水，每次进水历时20 min，内循环搅拌10 min。本研究在最佳运行工况下，分析碳源在反硝化除磷中的作用。碳源在反硝化除磷工艺中有重要作用，碳源的浓度可以影响反硝化除磷菌最大放磷量和最大放磷时间［2］，揭示反硝化除磷的规律，以期为SBR新型运行方式在污水处理领域的应用提供理论依据。
1 试验材料和方法
1．1 试验装置
本试验装置主要包括进水池、蠕动泵、主反应器、曝气器、DO在线测定仪、ORP在线测定仪。试验的装置及流程图如图1和图2所示。该试验采用SBR反应器作为主反应器，分为上下两个反应区，用均匀布满直径为10 mm的穿水孔的隔板隔开，曝气头放在隔板上。反应器的材料是有机玻璃，内径10 cm，圆柱高2 m，底部为椎体型，有效容积为12 L。在反应器的侧壁设2个取样口，便于试验时取样。
1．2 污泥的培养驯化
1．2．1 污泥的培养 本试验所需污泥取自中国矿业大学污水处理厂填料曝气池，污泥呈黑色，镜检发现菌胶团松散，游离细菌比较多，原生动物少。取污泥反复淘洗，除去漂浮物和沉积物，然后用筛除去细小的沙子。把筛滤后的污泥移入SBR反应器，加入适量的清水，连续曝气24 h后，静置沉淀2 h，排出上清液，加入合成污水营养液，接着曝气，如此反复进行。3 d后可以看出污泥颜色变黄，但污泥沉降性能不佳，上清液浑浊，镜检发现污泥结构仍然松散，原生动物不多。运行至7 d，沉降性能转好，上清液浊度降低，镜检发现菌胶团略有增大，变密实，游离细菌减少，出现变形虫，但仍旧不出现原生动物。改变运行模式，缩短曝气时间，1 d运行2个周期，12 h一周期，进水1 h，曝气10 h，沉淀0．5 h，出水0．5 h，进水量为6 L，连续运行1周，污泥颜色为棕褐色，上清液清澈，污泥沉降性能很好，污泥浓度为6 000～8 000 mg/L，镜检发现菌胶团变大变密，微生物种类增多，出现钟虫、累枝虫等原生动物，表明污泥转变为好氧状态。为了加快污泥的驯化，向反应器内加入实验室培养成功的反硝化聚磷污泥和硝化污泥。
1．2．2 污泥的驯化 将培养好的污泥进行驯化，用培养液作为营养物质，主要改变系统的运行时间，将驯化阶段分为2个阶段。第一阶段是厌氧好氧阶段，主要培养聚磷菌和硝化细菌，采用6 h为一周期，进出水30 min，厌氧2 h，好氧3 h，沉淀30 min。每周期进水6 L，溶解氧在2～3 mg/L，污泥浓度保持在6 000～8 000 mg/L，根据每天的污泥浓度适量排泥。进水水质的化学需氧量（COD）在190～210 mg/L，总氮（TN）在40～50 mg/L，铵态氮（NH4＋－N）在30～40 mg/L，总磷（TP）在4．5～5.0 mg/L，pH保持6～8。接种约15 d，出水TP保持在1 mg/L之下，去除率大于90％。厌氧释磷量从开始的8．36 mg/L增长到26．79 mg/L。NH4＋－N的去除率达95％以上，出水中其浓度小于2 mg/L，同时好氧之后硝态氮（NO3-N）的积累量达到23．79 mg/L，亚硝态氮（NO2-N）的积累量很少，低于5 mg/L。
第二阶段是厌氧－好氧－缺氧阶段，培养反硝化聚磷菌，8 h为一周期，进出水30 min，厌氧2 h，好氧3 h，缺氧2 h，沉淀30 min。每周期进水6 L，溶解氧在2～3 mg/L，污泥浓度保持在6 000～8 000 mg/L，根据每天的污泥浓度适量排泥。好氧阶段采用鼓风曝气，在反应器的上部曝气，属于好氧状态，下部不曝气，属于厌氧或缺氧状态。好氧结束后将反应器上下部的溶液进行混合，进入缺氧状态，培养反硝化聚磷菌。接种到25 d，出水TP和TN的浓度分别为3．37mg/L和20．18 mg/L，去除率为33％和60％。再经过15 d的驯化，TP和TN的去除率稳定在90％和73％以上，浓度在0．5 mg/L和13．5 mg/L左右。由于曝气阶段只有1/2的溶液处于好氧进行硝化反应，所以TN的去除率有所降低。此时可以认为反硝化除磷污泥驯化完成，可以进行试验。驯化过程中各指标的变化如图3、图4、图5所示。
1．3 试验运行
试验运行的过程是进水（出水）—厌氧—曝气（好氧）—缺氧，试验配置的污水从装置底部的进水口进入装置，同时上部经过处理的清水利用水流的承托作用从出水口溢出，实现同步进水和溢流排水过程，省去了沉淀出水的程序，缩短了反应的时间。接着反应器进入到厌氧阶段，伴随着内回流，使泥水充分混合。反应器的曝气只在上部进行，在上部曝气时，下部属于厌氧状态。曝气结束后通过回流泵把上方硝化液循环至下方使上下两部分充分混合，进入缺氧状态。
1．3．1 试验水质 本试验处理的水样是人工合成污水，模拟的低碳氮比的城市污水，由自来水、葡萄糖、淀粉、NH4Cl、KH2PO4合成，用NaHCO3调节pH在6～8。水质的组成成分为：20 mg/L的淀粉，160 mg/L的葡萄糖，120 mg/L的NH4Cl，50 mg/L的NaHCO3， 20 mg/L的KH2PO3；污水的水质特征为：COD为190～210 mg/L，生物需氧量（BOD5）为100～150 mg/L，TN为40～50 mg/L，NH4＋－N为30～40 mg/L，TP为4．5～5 mg/L，pH为6～8。
1．3．2 试验运行 由前期试验得最优参数，选择最佳工况的参数进行试验，其运行参数为：厌氧（进出水）30 min→上部好氧90 min（下部厌氧90 min）→缺氧50 min→沉淀10 min。试验装置有效容积12 L，6 L的活性污泥，每次进4 L水，每次进水历时20 min，内循环搅拌10 min。测定最佳工况下的不同C/N值对系统的影响。
试验进水分6种情况，如表1所示。
2 结果与分析
2．1 最佳工况的运行结果
对最佳工况进行4 d共32个周期的运行，得到运行结果如下。
2．1．1 有机物的去除 如图6所示，进水COD浓度保持在200 mg/L左右，经过32个周期的试验，出水COD浓度很稳定，达到30 mg/L以下，达到了国家《污水综合排放标准》（GB8978－88）一级标准，甚至符合《生活杂用水水质标准》（CJ25．1－89）。
2．1．2 氨氮的去除 氨氮进水浓度平均值保持在35 mg/L左右，经过反应，出水浓度在9 mg/L以下，去除率达到81％以上，所以本系统对氨氮的去除效果比较理想，如图7所示。
2．1．3 总磷的去除效果 总磷的进水浓度在4．9～5．0 mg/L左右，应该说波动不大，而出水总磷浓度基本在1 mg/L以下，平均出水浓度在0．5 mg/L以下，去除率达到88．80％，说明本系统对总磷的去除有很好的效果，达到了国家《污水综合排放标准》（GB8978－88）一级标准，如图8所示。
2．1．4 总氮的去除效果 进水总氮非常不稳定，浓度在40～50 mg/L之间，平均浓度在45 mg/L左右，经过新型SBR的运行，出水总氮浓度在16 mg/L以下，平均值在13 mg/L左右，去除率达到70％左右，如图9所示。
2．2 最佳工况下ORP和DO的变化
ORP是指氧化还原对（Redox Couple）的氧化还原电位E值，是氧化态和还原态物质交换1/F当量的电子时，所对应的自由焓变化值。理论上的氧化还原电位通常定义为标准氢电极电位［3］：
式中，Red为还原态物质，Ox为氧化态物质，e为电子。
平衡电极电位E值与该体系中的溶液组分性质和浓度的热力学关系式，可以用能特斯方程表示：
式中，E为氧化还原对的平衡电极电位（mV），E0为氧化还原对的标准电极电位（mV），对应于［Ox］＝［Red］＝［H+］＝1 mol/L，亦即pH为0时溶液的氧化还原电位而言；n为电子转移数；R为摩尔气体常数（8．314 5 J/mol·K）；T为热力学温度（K）；F为法拉第常数（96 485 C/mol）；［Ox］为氧化态物质活度；［Red］为还原态活度。
在298 K下，（RT/F）ln(10)=2.3RT/F=0.059 16 V。
由于电极电位受溶液中离子强度、配位效应和酸效应等因素的影响，因此，使用标准电极电位E0是有其局限性的。在实际工作中，常采用条件电极电位E0′来代替标准电极电位E0，在氧化还原对的每一组分的氧化还原状态保持不变的前提下的任何pH范围内，能斯特公式通常可写成：
E0′是在任意pH下表现的标准氧化还原电位，它是对应于给定pH下，［Ox］＝［Red］＝1 mol/L的溶液的氧化还原电位，其表现电极电位校正了离子强度、水解效应、配位效应以及pH值等因素的影响。
而从生态学角度来分析，ORP则是生物代谢的一个重要限制因子，ORP的变化可以导致顶级群落和某些代谢类型的改变。ORP对生物代谢类型的影响是其对顶级群落细菌的影响而产生的间接性结果，这就可以从ORP决定微生物的适应性以及微生物反馈调节ORP的变化性这两个方面来说明［4］。一方面，由于微生物体内酶系的特定要求，不同的代谢类型的微生物需要不同程度的ORP，所以当ORP改变时，如在同一pH条件下提高ORP，则顶级群落中的优势菌群的酶活性将受其影响从而降低，而一些菌群由于可在较高的ORP条件下生长代谢，从而逐渐替代原有的优势菌群，所以经过这种对ORP的适应性的种群竞争，则最终又形成了新的顶级群落，这个过程是一个随ORP制约的生态演替过程；另一方面，微生物对ORP也具有反作用，可以通过诱导合成的作用而产生新酶系，调整代谢的方式和产物用以改善环境中ORP，使之适应自身的生长及代谢的要求。ORP的变化性则反应了微生物对生态系统的反馈调节，使在一定的ORP条件下，微生物形成与环境相适应的新的顶级群落［5］。
试验中ORP和DO的变化如图10所示。图11为图10A处的放大图。
对图10和图11的变化过程及其原因进行分析。1）厌氧进水后，图10上标示出了进水点的位置。进水之后提供了碳源，使剩余的硝态氮进行了反硝化，ORP值迅速下降（先经过了A点，即进入厌氧段没有立即下降，而是经过了4～5 min的滞后期，如图11所示，表明进水开始并不是所谓的厌氧开始，而是经过了一小段时间的缺氧段，然后才进入真正的厌氧段，不过我们一般定义进水即厌氧开始）。在反硝化过程中，因为DO的迅速耗尽，ORP不断下降，这是因为氧化态的硝态氮被还原成氮气，整个反应器的氧化还原电位不断下降；此外，由于无氧呼吸（即反硝化的进行），硝态氮浓度不断减少，整个反应器中氧化还原态的变化，不如反硝化初期的变化幅度大，所以脱氮导致的ORP的变化越来越小；进水的同一时间，由于厌氧释磷，致使聚磷菌储存PHB（聚－β－羟基丁酸）储能，导致ORP值迅速降低，这是由于有机磷被水解为可溶性磷酸盐，从而使得氧化还原电位变低。所以，经过30 min的厌氧，ORP的值降低到－186 mV左右，而DO浓度降至0．15 mg/L左右，厌氧结束进入90 min的好氧时间。
2）进入好氧时间，DO在好氧开始后缓慢上升，而ORP则急剧上升。而DO上升结束时，由于曝气量是恒定的数值，故DO出现平台1．5 mg/L。而当有机质降解到难降解部分时，DO又开始上升，同时ORP也迅速上升。此后，自养菌开始进行硝化反应，在硝化反应过程中，ORP和DO均不断缓慢上升至硝化结束。在硝化反应快要结束时，DO出现再一次突升过程，直到接近某一较高值后基本不变。DO出现再一次突升的原因是自养菌降解氨氮的过程已经结束，不再需要耗氧，而自养菌和异养菌内源呼吸耗氧又远小于供氧，所以就出现溶解氧的再一次突升现象。在硝化过程中DO、ORP没有出现平台而是不断缓慢上升的，原因则是硝化菌进行硝化反应的速率随着氨氮的降解不断减小，所以耗氧速率小于供氧速率，从而出现了DO、ORP都不断上升的现象。ORP在硝化反应的后期上升缓慢，并不象DO出现突升，有三个原因。第一，DO的微小变化并不会引起ORP有大的变化；第二，硝化反应的不断进行使氨氮不断被氧化，由ORP的定义式可知，还原态物质的不断减少，相应产生的氧化态物质也不断减少；第三，由于硝化反应的进行，产生了大量的硝态氮，这对生物化学反应起到了限制作用，因此，硝化后期的反应速率小于反应初期速率［6］。好氧吸磷使得ORP很快升高，这是由于溶解磷又被聚磷菌吸收变成有机磷使得系统氧化性物质增加所致，而因为好氧段使得硝化细菌将氨氮氧化成硝态氮和亚硝态氮，所以ORP值也大幅度的上升，达到103 mV左右。
3）DO突然下降的原因是进入缺氧段后，曝气停止，微生物利用氧气的呼吸速率要比利用硝态氮作为氧介质呼吸速率要快很多（从图10中DO降低的斜率可以得出），直到氧气浓度降低到一定值，差不多在0．5 mg/L时，DO趋于平稳，也就是说微生物不再以氧气作为呼吸介质，主要进入到内源呼吸阶段。
2．3 不同C/N值的影响
试验结果见图12和图13。
从图12和图13可以看出，各工况的COD去除率都很高，均超过了90％；而氨氮的去除率随着C/N值的增高而增高，达到了87．4％；总氮的去除率和氨氮的变化趋势相同，随着C/N值的增高，最高为79．73％；对于总磷的去除率工况Ⅰ到工况Ⅳ都超过了95％。由图比较可知，工况Ⅱ下的COD、TP、氨氮和总磷的去除率都优于其他工况达到了最佳状态。也就是C/N值为3．4（根据水质中C元素的的质量与N元素质量之比得到的）时脱氮除磷效果最优。
工况Ⅱ的运行条件是最佳条件，有机物的利用率达到最大，COD、氨氮、总氮、总磷的去除率都是最高的，原因应该是在碳源的问题上，因为系统的特殊性，导致微生物的多样性，聚磷菌利用碳源释磷，反硝化聚磷菌在利用能量进行脱氮时也进行了磷的吸附，所以总磷的去除率很高［7］，而由于进水是慢慢的进水，持续时间在20 min，所以在高负荷污泥浓度下，进水量很小，好氧菌利用低氧可以将氨氮很好地氧化成硝态氮从而进行后续反硝化，所以进水中的氨氮在经过氧化阶段后去除率高达95％以上。虽然碳源不足难以完全将氧化氨氮得到的硝态氮和亚硝态氮进行反硝化，但是由于微生物的适应性，使得在这种特殊系统的驯化下，培养出了反硝化聚磷菌和厌氧氨氧化菌等菌种，这些菌种很少利用碳源进行反硝化，可以协助氮素的去除，而且因为有机物的持续降低，在缺氧段没有外加碳源的条件下，污泥中的微生物被迫进行内源呼吸，这时微生物将氧化自身碳源，利用氧化自身碳源得到的能量进行反硝化，这种内源呼吸造成的脱氮对总氮的去除率有辅助作用。随着有机物浓度的降低，工况Ⅲ到工况Ⅳ，虽然氨氮和COD的去除率依然很高，但是总氮和总磷的去除率受到了影响，到C/N在2．5时，即工况Ⅵ，总氮和总磷去除率都最低，可见碳源不足时，氮、磷去除效率显著下降。
从图14中可以看出C/N值从3．6降至3．0时TP的去除率逐渐降低，但变化很小，直到C/N值为2．8时TP的去除率有了较明显的变化，可见C/N值对TP的去除有一定的影响，当C/N值降低时TP的去除率也随之降低，但去除效果依旧能在93％以上；TN的去除率在C/N值降低的过程中变化明显，C/N值从3．6降至2．5时，TN的去除率不断降低，降至2．5时TN的去除率只能达到73．19％。可见，C/N值对SBR新型运行方式下脱氮效果的影响较大。
2．4 葡萄糖对生物除磷机理的探讨
由表1中前4个工况可以看出，这4个工况只有COD浓度的不同，其他指标则相当，所以可以比较出不同COD浓度对生物除磷的影响。同时，由表1也可以看出，随着COD浓度的降低，生物除磷的效率也降低了，因为影响COD浓度的主要是葡萄糖，所以这里可以看出葡萄糖对生物处理的影响。
聚磷菌在生物除磷系统中，主要是通过其在厌氧的条件下特殊新陈代谢活动，优先于非聚磷菌进行吸收有机基质并且快速同化和贮存这些有机物为自身体内的胞内碳能存贮物。在厌氧条件下，聚磷菌对葡萄糖的吸收还是其主要的新陈代谢活动，可以通过一系列的生物化学模式来进行描述，并且假设在厌氧条件下，所有被利用的外碳源有机物质都被合成为微生物胞内碳能存贮物，而且没有发生微生物的增殖［8］。
3 结论
1）在最佳工况下，COD、氨氮、总氮和总磷的去除率分别是94.00％、82．08％、76．78％和95．47％，出水基本达标。
2）新型SBR反应器的曝气阶段只发生在反应器上部，也就是只对一半的反应液曝气，降低了曝气强度，减少了能源消耗，节约了成本。曝气的同时反应器的下部处于厌氧状态，为缺氧状态的形成提供了条件，缩短了好氧反应液中氧气对缺氧状态形成的影响时间，加速了反硝化除磷反应的进行，进一步缩短缺氧时间和整个运行周期的时间。而总磷在好氧吸磷和缺氧段的反硝化除磷共同作用下都有很好的去除。
3）高浓度的污泥负荷提供了大量的微生物，这样在小水量高污泥负荷的条件下，则可以缩短整个运行周期的时间，节省了运行时间，相当于提高水的处理量，并且由于缺氧、厌氧和好氧的时间变化，则缩短了好氧时间，曝气量也减少了，所以减少了能源消耗，节省了成本。
4）在处理低碳源污水中，C/N值的不同对新型SBR中的最佳工况下反硝化除磷的效率有影响，虽然影响不是很明显，但是还是可以看出随着C/N值的降低总氮和总磷的去除率有降低的趋势。
5）C/N＝3．4时通过反硝化除磷对总氮总磷的去除率相较于其他C/N值好，即低碳源污水中C/N＝3．4系统的脱氮除磷效果最好，当C/N值低于3时，系统中总氮和总磷的去除率明显下降。
6）不同的C/N值时SBR新型的运行方式均能显示出稳定的COD去除效果，C/N值对SBR新型运行方式下脱氮效果的影响较大。
7）葡萄糖作为主要碳源除磷时会减少磷的厌氧释放量，从而降低除磷效果，减少污泥中的聚磷菌含量。通过提高COD的浓度则能较好地实现生物除磷。
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