SBR中運用不同操作步驟去除生物營養(yǎng)

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

簡介： 研究了實驗室水平下的SBR反應(yīng)器中模擬廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的去除。采用了三種不同操作步驟并對其結(jié)果進行比較。這三種操作為：三步操作厭氧（An）/間氧（Ax）/好氧（Ox）；四部操作An/Ox/Ax/Ox及五步操作An/Ax/Ox/Ax/Ox。研究了不同操作步驟對模擬廢水中COD、N (NH4-N,NO3-N) 和P (PO4-P)去除效果的影響。實驗所采用的污泥泥齡為10天。試驗結(jié)果表明五步處理效果最好，COD，NH4-N，NO3-N 和PO4-P的去處率分別為94%，90%，64%和57%。散步和四部操作中COD和NH4-N的去處效果比五步操作好但是NO3-N 和PO4-P的去處效果五步操作明顯好于其他操作。因此，循環(huán)時間為10.5h的五步操作確定為去處營養(yǎng)物質(zhì)最好的操作。
關(guān)鍵字：SBR 不同操作步驟 去除生物營養(yǎng)

前言：

SBR很早就用于去除廢水中的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。）營養(yǎng)廢水中最近運用改進后SBR講解營養(yǎng)物質(zhì)，在硝化和反硝化的同時去處COD和P。SBR處理過程間歇式操作步驟包括：添加、反應(yīng)、沉淀、沘水和閑置(Metcalf 和 Eddy 1991)?？梢酝ㄟ^調(diào)厭氧、間氧和好氧整操作步驟來適應(yīng)水質(zhì)變化。

以前已有文獻對操作次數(shù)進行了研究（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）。關(guān)于出水最小濃度，Andreottola等(1997)已經(jīng)出循環(huán)長度的最佳計算方法。出水N、NO₂-N和NH₄-N的濃度為2.9 mg l^-1, 0.04 mg l^-1 和0.06 mg l^-1，其中間氧操作時間為3.3h厭氧操作4.2h。

Chang和Hao (1996) 發(fā)表了很重要影響SBR操作的參數(shù)，可以監(jiān)測和在線控制操作。一般而言，當(dāng)污泥停留時間為10天，總的循環(huán)時間為6h時，系統(tǒng)中COD、總N和P的去除率為91, 98 和 98%

Colunga and Martinez (1996)研究了在生物膜SBR中厭氧/好氧操作對出水的影響?？偟难h(huán)時間為8和12小時，其中厭氧和好氧比值不同。當(dāng)循環(huán)時間為12小時，厭氧和好氧比為37/63%時COD和P的去除率最高。

Sang-Ill等人 (1997)用發(fā)酵酒的廢水代替醋酸鹽作為碳源來提高擴大SBR中營養(yǎng)物質(zhì)降解效率。兩者之間沒有什么大的區(qū)別，總Ｎ和Ｐ的去除率都可以達到90% 和89%。

Umble 和Ketchum (1997)利用SBR處理城市廢水?？偟牟僮鲿r間為１２ｈ，BOD₅, TSS, 和NH₃-N去除率為 98%, 90%和89%。

Zuniga 和Martinez (1996)研究了生物膜SBR中通過四種處理放式：an/ax/ao/ax同時去處Ｐ和Ｎ。操作成功的去除了COD，P和N去除率分別為89±1%，75±15%，和87±10%。

以上都沒有研究過在SBR中不同操作步驟數(shù)量的作用。因此，本文的研究主要目的就是對SBR中不同操作步驟數(shù)的去除效果進行比較。操作中包括不同數(shù)量的厭氧(An), 間氧 (Ax) 和好氧(Ox)操作和不同的操作方式。

材料與方法：

試驗裝置：

圖１為試驗裝置簡圖。５Ｌ的發(fā)酵罐(Bioflo IIC, New　Brunswick)作為SBR反應(yīng)器。發(fā)酵罐通過微電腦控制通氣、pH和溶氧(DO)。通過帶有曝氣透的空氣泵進行曝氣。攪拌速率在25 和300 rpm (rev min^－1)。營養(yǎng)液中的pH 和 DO濃度通過相應(yīng)的電極來連續(xù)監(jiān)測。

廢水成分：

用于試驗的模擬廢水含有：葡萄糖、醋酸鈉、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)。模擬廢水組成見表１。模擬廢水主要成分為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在添加時濃度為0.1 g L^－1和0.59 g L^－1，最初的pH值調(diào)到7.0。

微生物：

混合微生物包括：能夠氧化碳的異養(yǎng)微生物，反硝化菌，自養(yǎng)硝化菌，厭氧菌（產(chǎn)酸），吸收過量Ｐ的微生物(Acinetobacter sp)。消化菌(Nitrosomonas　和 Nitrobacter)是從美國Clemson大學(xué)得到。異樣菌來自C¸ igli城市污水處理廠。接種Izmir水處理廠中去除Ｃ和Ｎ的微生物。用于吸收多于Ｐ的Acinetobacter calcoaceticus (NRRL-552)菌來自美國USDA，國家研究實驗室。真?zhèn)€微生物菌群在實驗室中用合適的生長培養(yǎng)基培養(yǎng)，接種與混合微生物環(huán)境。

試驗操作：

在開始間歇式操作之前，反應(yīng)器加入含有混合微生物的模擬廢水，經(jīng)過幾天的間歇通風(fēng)，達到試驗開始所需微生物濃度。微生物沉淀后，去除４Ｌ上清液后加入總體積５Ｌ的培養(yǎng)液。然后，開始間歇的厭氧、間氧和好氧操作。僅在厭氧階段穿過培養(yǎng)基通入氮氣。在厭氧和好氧階段攪拌速率分別為25 和 50 rpm。在好氧操作中培養(yǎng)基進行充分的通氣和攪拌(300 rpm)。在每個操作開始和結(jié)束時取樣并進行分析。每次SBR結(jié)束后，微生物經(jīng)過３０分鐘的沉淀后，排出上清液。沉淀的微生物用于下一次操作。為了維持１０天的污泥泥齡，1/10的沉淀微生物排出。溫度和pH維持在T=25 ℃和pH=7–7.5。在好氧階段DO濃度保持在2 mg L^－1，厭氧和間氧操作時維持在０。

三步操作為an (1 h),ax (1.5 h), ox (4 h)及0.5 h的閑置時間，總的操作時間為7 h。四步操作為an (1 .5h) ，ox (4 h)，ax (1.5 h)，ox (2 h)及0.5 h的閑置時間，總的操作時間為10.5h。五步操作為An/Ax/Ox/An/Ox其水利停留時間分別為為1/1.5/4/1.5/2 h 及0.5 h的閑置時間，總的操作時間為9 h。污泥停留時間保持在10天。每個實驗條件運行兩次。運行第一次為了適應(yīng)環(huán)境，第二次為了得到實驗數(shù)據(jù)。

分析方法：

在每個處理階段（好氧、厭氧、好氧）的開始和結(jié)束時取樣，樣品在6000 rpm下離心30min，從而去除液體培養(yǎng)基中的微生物。上清液用于分析COD，NH₄/NO₃ N。N和P用標準方法（Merck-Spectroquant）和光譜測定。COD，，TS和TSS用標準方法(APHA 1998)。DO 和pH通過微電腦控制發(fā)酵罐（New　Brunswick, Bioflo IIC）用微量電極一起測定。樣品經(jīng)0.45μm微空過濾膜過濾后在105℃下稱重來測定生物量濃度(MLSS)。

結(jié)果與討論：

營養(yǎng)的去除效果

圖２總結(jié)了在每個SBR循環(huán)結(jié)束COD的去除效果。在不同的操作步驟下，COD的去除率在94% 和96%之間。在三步、四步和五步操作情況下COD的去除不同差別很小。三步操作在較短的操作時間７h下有利于COD的去除。

培養(yǎng)基中是含有NH₄－N作為氮源。但是在好氧階段NH₄－N的硝化作用產(chǎn)生了NO₃-N。因此，在最后的出水中，NH₄-N和NO₃-N非常重要。圖２說明了在同的循環(huán)過程中三步、四步和五步操作中的去除效果。NH₄-N去除率在90% 和92%之間。其中三步操作去除率接近92%，表明NH₄-N的去除是最好的，因為7h的較低操作時間。

NO₃-N的去除效果根據(jù)不同的操作時間和操作步驟而變化。這種變化在圖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。這是因為NO₃-N在第二個間氧操作中的反硝化作用。三步和四步操作只含有一個間氧的反硝化步驟，所以五步操作更利于NO₃-N的去除。

圖２中表述了PO₄-P去除率的變化情況。結(jié)果表明在操作結(jié)束后，五步操作對去除率最高(57%)，原因是過多的Ｐ在第二個好氧操作階段被降解。PO₄-P的去除率在三步和四步操作中接近于50%。結(jié)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，在五步操作過程中NO₃-N 和 PO₄-P明顯高于其他操作。雖然五步操作時間相對于其他操作較長，但是更有利，因為出水水質(zhì)較低。

出水營養(yǎng)濃度：

為了達到滿意的出水標準，最后操作的營養(yǎng)濃度標準及合適的操作更為重要。圖３表明不同出水中的營養(yǎng)濃度。

表２中描述了各操作進水和出水中營養(yǎng)濃度和去除率。三步、四步和五步操作中出水COD濃度為28 mg L^-1。明顯的，四步操作的COD的去除率最低。三步和五步操作同樣受到出水標準的限制。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的濃度(3.2 mg L^-1)明顯低于其他操作。因此，運用五步操作明顯優(yōu)于其它操作。

五步操作中的營養(yǎng)濃度數(shù)據(jù)：

五步操作在10.5-h中的營養(yǎng)濃度COD, NH₄-N，NO₃-N和PO₄-P的數(shù)據(jù)見圖４。COD濃度隨著時間從632 mg L^-1最后降到37 mg L^-1。大多數(shù)COD是在最初的六小時期間降解的。最后兩個操作過程中相對于COD，主要去除N和P。

NH₄-N在最初的2.5 h (an和ax階段)保持不變，在第一個好氧階段由于同化和硝化作用而明顯下降。NH₄-N濃度在后兩個過程中基本不變，操作在最后濃度為5.6 mg L^-1。

COD, NH₄-N，NO₃-N不同變化，說明了不同操作中的變化趨勢。NO₃-N的降低是因為前兩個階段NO₃-N的反硝化作用，但是在第一好氧階段由于NH₄-N的硝化作用而升高。在第二個間氧階段，NO₃-N的反硝化使得NO₃-N濃度降到操作最后水平0.9 mg L^-1。

P的去除主要在厭氧和間氧階段去除，因此PO₄-P在前兩個操作階段明顯降低。但是在第一個和第二個好氧階段有所上升。最后，PO₄-P濃度接近于3.2 mg L^-１低于比以前報道的7.4 mg L^-１。

結(jié)論：

在運用不同SBR操作步驟來實現(xiàn)從模擬廢水中去除營養(yǎng)。三步－(An/Ax/Ox)、四步- (An/Ox/

Ax/Ox) 五步 (An/Ax/Ox/Ax/Ox)操作在不同的操作時間下，并對其去除結(jié)果進行測定和比較。對COD和 NH₄-N在不同的操作過程中進行比較，三步操作明顯最好。這是因為大部分COD和 NH₄-N在最初的三個步驟中去除的。但是，PO₄-P和NO₃-N的去除效果，五步操作高于其他操作。反硝化作用發(fā)生在第二個間氧階段，多余的P是在第二個好氧階段吸收，NO₃-N和PO₄-P在五步操作中明顯高。最后，五步操作包括An/Ax/Ox/Ax/Ox階段，操作時間分別為1/1.5/4/1.5/2 h，COD，NH₄-N，NO₃-N和PO₄-P濃度降到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%。

參考文獻：

American Public Health Association (APHA, 1998) Standard methods for the examination of water and wastewater, 17th edn. APHA, Washington, D.C.

Andreottola G, Bortone G, Tilche A (1997) Experimental validation of a simulation and design model for nitrogen removal in sequencing batch reactors. Water Sci Technol 35:113–120

Baozhen W, Jun L, Lin W, Meisheng N, Ji L (1998) Mechanism of phosphorus removal by SBR submerged biofilm system. Water Res 32:2633–2638

Belia E, Smith PG (1997) The bioaugmentation of sequencing batch reactor sludges for biological phosphorus removal. Water Sci Technol 35:19–26

Carucci A, Majone M, Ramadori R, Rosetti S (1997). Biological phosphorus removal with different organic substrates in an anaerobic/ aerobic sequencing batch reactor Water Sci Technol 35:161–187

Chang CH, Hao OJ (1996) Sequencing batch reactor system for nutrient removal: ORP and pH profiles. J Chem Technol Biotechnol 67:27–38

Colunga AM, Martinez SG (1996) Effects of population displacements on biological phosphorus removal in a biofilm SBR. Water Sci Technol 34:303–313

Danesh S, Oleszkiewicz JA (1997) Use of a new anaerobic–aerobic sequencing batch reactor system to enhance biological phosphorus removal. Water Sci Technol 35:137–144

Demoulin G, Goronszy IC, Wutscher K, Forsthuber E (1997) Cocurrent nitrification/denitrification and biological P-removal in cyclic activated sludge plants by redox controlled cycle operation. Water Sci Technol 35:215–224

Keller J, Subramaniam K, Go¨sswein J, Greenfield PF (1997) Nutrient removal from industrial wastewater using single tank sequencing batch reactors. Water Sci Technol 35:137–144

Metcalf, Eddy (1991) Wastewater engineering:treatment, disposal, reuse, 3rd edn. McGraw Hill, New York Pastorelli G, Canziani R, Pedrazzi L, Rozzi A (1999) Phosphorus and nitrogen removal in moving-bed sequencing batch biofilm reactor.

Water Sci Technol 40:169–176

Ramirez CN, Martinez SG (2000) Phosphorus uptake kinetics in a biofilm sequencing batch reactor. Bioprocess Eng 23:143–147

Sang-Ill L, Jong-Ho P, Kwang-Baik K, Ben K (1997) Effect of fermented swine wastes on biological nutrient removal in sequencing batch reactors. Water Res 31:1807–1812

Tasli R, Artan N, Orhon D (1997) The influence of different substrates on enhanced biological phosphorus removal in a sequencing batch reactor. Water Sci Technol 35:75–80

Umble AK, Ketchum AL (1997) A strategy for coupling municipal wastewater treatment using the sequencing batch reactor with effluent nutrient recovery through aquaculture. Water Sci Technol 35:177–184

Zuniga MAG, Martinez SG (1996) Biological phosphate and nitrogen removal in a biofilm sequencing batch reactor. Water Sci Technol 34:293–301

F. Kargi, A. Uygur: Biological nutrient removal in sequencing batch reactor with different number of steps 65