SBR中运用不同操作步骤去除生物营养

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简介： 研究了实验室水平下的SBR反应器中模拟废水中营养物质的去除。采用了三种不同操作步骤并对其结果进行比较。这三种操作为：三步操作厌氧（An）/间氧（Ax）/好氧（Ox）；四部操作An/Ox/Ax/Ox及五步操作An/Ax/Ox/Ax/Ox。研究了不同操作步骤对模拟废水中COD、N (NH4-N,NO3-N) 和P (PO4-P)去除效果的影响。实验所采用的污泥泥龄为10天。试验结果表明五步处理效果最好，COD，NH4-N，NO3-N 和PO4-P的去处率分别为94%，90%，64%和57%。散步和四部操作中COD和NH4-N的去处效果比五步操作好但是NO3-N 和PO4-P的去处效果五步操作明显好于其他操作。因此，循环时间为10.5h的五步操作确定为去处营养物质最好的操作。
关键字：SBR 不同操作步骤 去除生物营养

前言：

SBR很早就用于去除废水中的COD和P（Baozhen等1998； Belia 和Smith 1997； Carucci 等1997； Colunga 和 Martinez 1996； Danesh 和 Oleskiewicz 1997； Ramirez和 Martinez 2000； Tasli 等1997。）营养废水中最近运用改进后SBR讲解营养物质，在硝化和反硝化的同时去处COD和P。SBR处理过程间歇式操作步骤包括：添加、反应、沉淀、沘水和闲置(Metcalf 和 Eddy 1991)。可以通过调厌氧、间氧和好氧整操作步骤来适应水质变化。

以前已有文献对操作次数进行了研究（Andreottola 等1997；Chang 和Hao 1996； Demoulin 等 1997；Keller 等1997；Pastorelli等1999； Sang-Ill等1997； Umble 和 Ketchum1997；Zuniga 和Martinez 1996）。关于出水最小浓度，Andreottola等(1997)已经出循环长度的最佳计算方法。出水N、NO₂-N和NH₄-N的浓度为2.9 mg l^-1, 0.04 mg l^-1 和0.06 mg l^-1，其中间氧操作时间为3.3h厌氧操作4.2h。

Chang和Hao (1996) 发表了很重要影响SBR操作的参数，可以监测和在线控制操作。一般而言，当污泥停留时间为10天，总的循环时间为6h时，系统中COD、总N和P的去除率为91, 98 和 98%

Colunga and Martinez (1996)研究了在生物膜SBR中厌氧/好氧操作对出水的影响。总的循环时间为8和12小时，其中厌氧和好氧比值不同。当循环时间为12小时，厌氧和好氧比为37/63%时COD和P的去除率最高。

Sang-Ill等人 (1997)用发酵酒的废水代替醋酸盐作为碳源来提高扩大SBR中营养物质降解效率。两者之间没有什么大的区别，总Ｎ和Ｐ的去除率都可以达到90% 和89%。

Umble 和Ketchum (1997)利用SBR处理城市废水。总的操作时间为１２ｈ，BOD₅, TSS, 和NH₃-N去除率为 98%, 90%和89%。

Zuniga 和Martinez (1996)研究了生物膜SBR中通过四种处理放式：an/ax/ao/ax同时去处Ｐ和Ｎ。操作成功的去除了COD，P和N去除率分别为89±1%，75±15%，和87±10%。

以上都没有研究过在SBR中不同操作步骤数量的作用。因此，本文的研究主要目的就是对SBR中不同操作步骤数的去除效果进行比较。操作中包括不同数量的厌氧(An), 间氧 (Ax) 和好氧(Ox)操作和不同的操作方式。

材料与方法：

试验装置：

图１为试验装置简图。５Ｌ的发酵罐(Bioflo IIC, New　Brunswick)作为SBR反应器。发酵罐通过微电脑控制通气、pH和溶氧(DO)。通过带有曝气透的空气泵进行曝气。搅拌速率在25 和300 rpm (rev min^－1)。营养液中的pH 和 DO浓度通过相应的电极来连续监测。

废水成分：

用于试验的模拟废水含有：葡萄糖、醋酸钠、NH₄Cl，KH₂PO₄，MgSO₄·7H₂O，NaHCO₃微量元素溶液，其中含有NaCl (100 mgL^－1), KCl (20 mgL),CaCl₂·2H₂O (50 mg L^－1), FeCl₃·6H₂O (50 mg L^－1)。模拟废水组成见表１。模拟废水主要成分为CODo=1000 mg L^－1，NT=50 mg L^－1 和PT=15 mg L^－1，COD/N/P=100/5/1.5。MgSO₄和NaHCO₃在添加时浓度为0.1 g L^－1和0.59 g L^－1，最初的pH值调到7.0。

微生物：

混合微生物包括：能够氧化碳的异养微生物，反硝化菌，自养硝化菌，厌氧菌（产酸），吸收过量Ｐ的微生物(Acinetobacter sp)。消化菌(Nitrosomonas　和 Nitrobacter)是从美国Clemson大学得到。异样菌来自C¸ igli城市污水处理厂。接种Izmir水处理厂中去除Ｃ和Ｎ的微生物。用于吸收多于Ｐ的Acinetobacter calcoaceticus (NRRL-552)菌来自美国USDA，国家研究实验室。真个微生物菌群在实验室中用合适的生长培养基培养，接种与混合微生物环境。

试验操作：

在开始间歇式操作之前，反应器加入含有混合微生物的模拟废水，经过几天的间歇通风，达到试验开始所需微生物浓度。微生物沉淀后，去除４Ｌ上清液后加入总体积５Ｌ的培养液。然后，开始间歇的厌氧、间氧和好氧操作。仅在厌氧阶段穿过培养基通入氮气。在厌氧和好氧阶段搅拌速率分别为25 和 50 rpm。在好氧操作中培养基进行充分的通气和搅拌(300 rpm)。在每个操作开始和结束时取样并进行分析。每次SBR结束后，微生物经过３０分钟的沉淀后，排出上清液。沉淀的微生物用于下一次操作。为了维持１０天的污泥泥龄，1/10的沉淀微生物排出。温度和pH维持在T=25 ℃和pH=7–7.5。在好氧阶段DO浓度保持在2 mg L^－1，厌氧和间氧操作时维持在０。

三步操作为an (1 h),ax (1.5 h), ox (4 h)及0.5 h的闲置时间，总的操作时间为7 h。四步操作为an (1 .5h) ，ox (4 h)，ax (1.5 h)，ox (2 h)及0.5 h的闲置时间，总的操作时间为10.5h。五步操作为An/Ax/Ox/An/Ox其水利停留时间分别为为1/1.5/4/1.5/2 h 及0.5 h的闲置时间，总的操作时间为9 h。污泥停留时间保持在10天。每个实验条件运行两次。运行第一次为了适应环境，第二次为了得到实验数据。

分析方法：

在每个处理阶段（好氧、厌氧、好氧）的开始和结束时取样，样品在6000 rpm下离心30min，从而去除液体培养基中的微生物。上清液用于分析COD，NH₄/NO₃ N。N和P用标准方法（Merck-Spectroquant）和光谱测定。COD，，TS和TSS用标准方法(APHA 1998)。DO 和pH通过微电脑控制发酵罐（New　Brunswick, Bioflo IIC）用微量电极一起测定。样品经0.45μm微空过滤膜过滤后在105℃下称重来测定生物量浓度(MLSS)。

结果与讨论：

营养的去除效果

图２总结了在每个SBR循环结束COD的去除效果。在不同的操作步骤下，COD的去除率在94% 和96%之间。在三步、四步和五步操作情况下COD的去除不同差别很小。三步操作在较短的操作时间７h下有利于COD的去除。

培养基中是含有NH₄－N作为氮源。但是在好氧阶段NH₄－N的硝化作用产生了NO₃-N。因此，在最后的出水中，NH₄-N和NO₃-N非常重要。图２说明了在同的循环过程中三步、四步和五步操作中的去除效果。NH₄-N去除率在90% 和92%之间。其中三步操作去除率接近92%，表明NH₄-N的去除是最好的，因为7h的较低操作时间。

NO₃-N的去除效果根据不同的操作时间和操作步骤而变化。这种变化在图２中可以看出。五步操作的NO₃-N去除效率接近于64%大于四步(56%)和三步(50%) 操作。这是因为NO₃-N在第二个间氧操作中的反硝化作用。三步和四步操作只含有一个间氧的反硝化步骤，所以五步操作更利于NO₃-N的去除。

图２中表述了PO₄-P去除率的变化情况。结果表明在操作结束后，五步操作对去除率最高(57%)，原因是过多的Ｐ在第二个好氧操作阶段被降解。PO₄-P的去除率在三步和四步操作中接近于50%。结果表明，五步操作更有利于PO₄-P的去除。

COD 和NH₄-N的去除率在不同的操作中基本相同。但是，在五步操作过程中NO₃-N 和 PO₄-P明显高于其他操作。虽然五步操作时间相对于其他操作较长，但是更有利，因为出水水质较低。

出水营养浓度：

为了达到满意的出水标准，最后操作的营养浓度标准及合适的操作更为重要。图３表明不同出水中的营养浓度。

表２中描述了各操作进水和出水中营养浓度和去除率。三步、四步和五步操作中出水COD浓度为28 mg L^-1。明显的，四步操作的COD的去除率最低。三步和五步操作同样受到出水标准的限制。出水三步操作NH₄-N的去除率最低(3.2 mg L^-1)。但是，出水五步操作NH₄-N的去除率最高(5.6 mg L^-1)。最后NH₄-N(0.9 mg L^-1)和PO₄-P的浓度(3.2 mg L^-1)明显低于其他操作。因此，运用五步操作明显优于其它操作。

五步操作中的营养浓度数据：

五步操作在10.5-h中的营养浓度COD, NH₄-N，NO₃-N和PO₄-P的数据见图４。COD浓度随着时间从632 mg L^-1最后降到37 mg L^-1。大多数COD是在最初的六小时期间降解的。最后两个操作过程中相对于COD，主要去除N和P。

NH₄-N在最初的2.5 h (an和ax阶段)保持不变，在第一个好氧阶段由于同化和硝化作用而明显下降。NH₄-N浓度在后两个过程中基本不变，操作在最后浓度为5.6 mg L^-1。

COD, NH₄-N，NO₃-N不同变化，说明了不同操作中的变化趋势。NO₃-N的降低是因为前两个阶段NO₃-N的反硝化作用，但是在第一好氧阶段由于NH₄-N的硝化作用而升高。在第二个间氧阶段，NO₃-N的反硝化使得NO₃-N浓度降到操作最后水平0.9 mg L^-1。

P的去除主要在厌氧和间氧阶段去除，因此PO₄-P在前两个操作阶段明显降低。但是在第一个和第二个好氧阶段有所上升。最后，PO₄-P浓度接近于3.2 mg L^-１低于比以前报道的7.4 mg L^-１。

结论：

在运用不同SBR操作步骤来实现从模拟废水中去除营养。三步－(An/Ax/Ox)、四步- (An/Ox/

Ax/Ox) 五步 (An/Ax/Ox/Ax/Ox)操作在不同的操作时间下，并对其去除结果进行测定和比较。对COD和 NH₄-N在不同的操作过程中进行比较，三步操作明显最好。这是因为大部分COD和 NH₄-N在最初的三个步骤中去除的。但是，PO₄-P和NO₃-N的去除效果，五步操作高于其他操作。反硝化作用发生在第二个间氧阶段，多余的P是在第二个好氧阶段吸收，NO₃-N和PO₄-P在五步操作中明显高。最后，五步操作包括An/Ax/Ox/Ax/Ox阶段，操作时间分别为1/1.5/4/1.5/2 h，COD，NH₄-N，NO₃-N和PO₄-P浓度降到37 mg L^-1，5.6 mg L^-1，0.9 mg L^-1 和 3.2 mg L^-1，去除了94%的COD、90%的NH₄-N、64%NO₃-N和PO₄-P57%。

参考文献：

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