生活污水SBR处理工艺运行条件优化实验研究
摘要：采用模型SBR反应器对生活污水SBR处理工艺的运行条件进行了实验研究。实验结果表明，SBR法对有机物有很好的去除效果，处理后出水COD达到国家一级排放标准，最佳工艺运行条件为曝气时间1.5 h，缺氧时间3 h，沉淀时间1 h，排水时间0.5 h，周期5 h；交替式曝气；pH为6.5~7.5。
关键词：生活污水 序批式活性污泥法 优化 工艺参数
随着我国城市化的不断发展，生活污水的排放量越来越大，与之相应,对城市污水处理设施的需求也越来越大，寻求高效、经济、稳定的生活污水处理设施已经成为水处理技术的发展热点[1]。序批式活性污泥反应器(Sequencing Batch Reactor, SBR) 由于工艺流程简单、处理效果稳定、占地面积小、节省费用、耐冲击负荷强以及能够脱氮除磷等优点，深受中小城市污水处理单位的欢迎[2~4]。但是，由于传统SBR工艺是分批地处理污水，处理水量受到限制，因此有必要对其工艺条件进行优化，合理缩短处理时间。本试验主要考察不同曝气工况与处理效果的关系，研究有机物的降解规律，寻求最短的处理时间，确定SBR运行的最佳方式。
1 试验装置与方法
1.1 试验装置
①反应器 ②搅拌机 ③出水阀 ④微孔曝气管 ⑤排泥阀
⑥潜水泵 ⑦进水阀 ⑧曝气阀 ⑨原水箱 ⑩鼓风机
模型反应器用有机玻璃制成，尺寸为：40 cm×40 cm×50 cm，总容积80 L，有效容积50 L，由鼓风机提供空气，两根微孔管曝气，空气转子流量计控制气流量；电机搅拌，电子调压器控制搅拌速度。
进水和出水人工控制，反应、沉淀和空置各周期时间人工控制。
1.2 试验菌种和污水水质
试验所用的活性污泥菌种取自广州猎德污水厂回流污泥，经过20 d驯化之后而得到试验用活性污泥。试验用污水成分水质见表1。
表1 人工配水成分水质表
| 成分 |
浓度(mg/L) |
水质指标 |
数值 |
|
淀粉 |
50 |
COD(mg/L) |
179~508 |
|
葡萄糖 |
100 |
pH |
6.5~7.5 |
|
磷酸二氢钾 |
6.58 |
温度(℃) |
19~25 |
|
氯化铵 |
28.66 |
|
|
1.3 试验方法
COD的测定采用快速催化氧化法。
试验采用经典SBR运行方式，即由进水、反应、沉淀、排水、闲置5个工序构成一个周期。试验分以下4个部分：（1）通过控制体系在不同的曝气工况下运行，监测有机物的降解效果，找出最佳曝气工况；（2）研究COD随时间的降解规律；（3）通过测定不同沉淀时间下的沉淀效果，确定最佳沉淀时间；（4）研究pH对反应的影响，确定体系运行的适宜pH范围。
2 结果与分析
2.1 曝气工况参数选择试验
表2 曝气因素试验
时间(h) 好氧 缺氧 总反应历时 沉淀历时 1 4 4 8 1 2 4 3 7 1 3 3 4 7 1 4 2.25 4.25 6.5 1 5 3 3 6 1 6 1.5 4.5 6 1 7 2 3 5 1 8 1.5 3 4.5 1 9 1.5 2.5 4 1 10 1 3 4 1 11 1 3 4 1
工况
试验目的是找出SBR工艺运行过程中影响COD去除率的主要因素及确定较理想的运行方式组合。在试验中，选取曝气时间、缺氧时间、总反应时间等影响处理效果的主要因素进行试验，各因素的取值见表2；以COD的去除率为考核指标，试验结果见表3。
表3 曝气因素试验结果
| 工 况 |
进水COD（mg/L） |
出水COD（mg/L） |
COD去除率(%) |
|
1 |
240.74 |
35.65 |
85.19 |
|
2 |
460.76 |
37.05 |
91.96 |
|
3 |
179.65 |
35.76 |
80.09 |
|
4 |
356.02 |
43.74 |
87.71 |
|
5 |
460.76 |
38.40 |
91.67 |
|
6 |
482.85 |
40.17 |
91.68 |
|
7 |
436.14 |
50.52 |
88.42 |
|
8 |
508.61 |
45.42 |
91.07 |
|
9 |
445.47 |
46.27 |
89.61 |
|
10 |
482.85 |
45.76 |
90.52 |
|
11 |
474.03 |
49.31 |
89.60 |
从试验结果得知，上述影响SBR工艺处理效果的因素从主到次依次为曝气时间、缺氧时间。曝气时间是影响处理效果最主要的因素。结果表明，曝气1 h，缺氧3 h，COD去除率即可高达90%以上，这说明在SBR工艺中，COD能在较短的曝气时间内去除;各工况的出水都在35~51 mg/L，均低于国家一级排放标准（城镇二级污水处理厂COD排放标准为60 mg/L,GB8978-1996）。曝气4 h COD去除率可高达91.96%，但太长的反应时间会影响处理量、且在节能降耗方面不可取，因而曝气时间不能太长。由试验得出的最佳曝气工况为曝气1.5 h，缺氧3 h，总反应时间4.5 h。
2.2 COD随时间的降解规律
试验中采用瞬间进水的方式，曝气与缺氧交替进行，曝气时间2 h，缺氧时间3 h，总反应时间5 h，在反应时间分别为0（进水），1、2、3、4、5 h取样100 mL，均沉淀1 h后再测定COD。共进行了二组试验，结果见表4和图2。
表4 COD降解过程试验结果 mg/L
| 反应时间(h) |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
组次1 |
440.00 |
161.50 |
108.17 |
64.37 |
54.25 |
50.52 |
|
组次2 |
508.61 |
162.33 |
88.48 |
50.33 |
45.42 |
47.58 |
由图2可见，在反应开始的1 h内，COD降低迅速，这是由于活性污泥的吸附作用和微生物经闲置期活性恢复到最大，产生较大的降解速率。1 h后由于底质浓度越来越小，反应速率越来越慢。到5 h时COD下降到50 mg/L以下，COD去除率达到88%以上。
为进一步确定最佳总反应时间，进行了对比试验，试验组次安排及试验结果见表5。
表5 总反应时间参数试验
| 好氧(h) |
缺氧(h) |
总反应时间(h) |
进水COD（mg/L） |
出水COD（mg/L） |
去除率 (%) |
|
4 |
4 |
8 |
240.74 |
35.65 |
85.19 |
|
4 |
3 |
7 |
460.76 |
37.05 |
91.96 |
|
2.25 |
4.25 |
6.5 |
356.02 |
43.74 |
87.71 |
|
1.5 |
4.5 |
6 |
482.85 |
40.17 |
91.68 |
|
2 |
3 |
5 |
436.14 |
50.52 |
88.42 |
|
1.5 |
3 |
4.5 |
508.61 |
45.42 |
91.07 |
|
1 |
3 |
4 |
482.85 |
45.76 |
90.52 |
从表5可见，4 h以上的处理时间得到的处理效果并无明显差别。为节约处理时间，增大系统的处理水量，应把总反应时间控制在5 h内。
综合以上两方面试验结果，把总反应时间确定为4~5 h，具体可根据进水浓度和出水要求进行选择。
2.3 最佳沉淀时间选择试验
分别在曝气3 h和4 h后，开始沉淀并计时，分别于15、25、40、55、65、80、100、120 min在反应器中取样，取样位置为水面以下3 cm。然后，测试上清液的COD浓度。
在运行过程中污水的pH基本保持在中性范围，同时存在一定的波动，这是由于反应器内好氧和缺氧交替出现，微生物降解有机物分别生成不同的产物，缺氧状态下微生物降解有机物不彻底，生成有机酸，使pH降低；曝气时有机酸降解完全，生成CO2逸出水面使pH有一定程度的恢复。
2.4 体系运行的适宜pH范围
为确定体系运行的适宜pH范围，进行一系列试验，瞬间进水，曝气时间1.5 h，缺氧时间2.5 h，总反应时间4 h，曝气分3个阶段，每个阶段30 min，沉淀时间1 h。控制pH为5、6、7、8、9，试验结果如表7所示。
表7 pH范围选择试验
| pH |
5.05 |
6.11 |
7.05 |
8.01 |
8.99 |
|
进水COD(mg/L) |
575.80 |
477.24 |
445.47 |
240.54 |
562.67 |
|
出水COD(mg/L) |
131.60 |
75.37 |
46.27 |
61.01 |
113.32 |
污水呈中性有利于微生物降解有机物，试验结果显示体系运行的适宜pH范围为6.5~7.5。
3 结 论
在本试验中，SBR的处理效果好，在最优工艺运行条件下，出水COD为45.42 mg/L,达到国家一级排放标准，COD的去除率高达91.07%。在曝气3 h的条件下，可得到COD为38.4 mg/L的良好出水水质。
本试验得到的COD降解规律为：在反应开始的1 h内，COD迅速降低，1 h后由于底物浓度越来越小，反应速率越来越小，到5 h降解反应基本结束。
本试验得到的SBR最优工艺运行条件为：曝气时间1.5 h，缺氧时间3 h，沉淀时间1 h，排水时间0.5 h，周期5 h；交替式曝气；pH为6.5~7.5。该工艺条件周期短，有利于处理更多的污水；同时采用交替式曝气，提高了空气利用率，曝气时间短，节约气量。
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