SBR 工藝是近年來應(yīng)用較為廣泛的污水處理工藝，與傳統(tǒng)脫氮工藝相比處理流程簡單，節(jié)省基建投資和能耗，具有較高的自控水平，同時具有同步硝化反硝化能力，因此倍受高氨氮廢水處理行業(yè)的青睞。目前，同步硝化反硝化（SND）理論有兩種解釋〔1〕，微環(huán)境理論和微生物學(xué)理論。

基于微環(huán)境理論，本實驗通過向傳統(tǒng)SBR 反應(yīng)器中投加一定比例的填料，使其作為微生物的凝聚核心，生成寬厚的生物膜，擴大SND 所需的微環(huán)境，延長硝化菌的停留時間。通過考察DO、碳氮比、設(shè)置厭氧段、pH 等因素，分析SBBR 脫氮機理。

1 實驗部分
 
1.1 水質(zhì)特征
 
味精的生產(chǎn)工藝流程為制淀粉、制糖、發(fā)酵、提取和精制。在味精生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的主要污染源是味精發(fā)酵廢液，其大多都具有COD 高、BOD 高、菌體含量高、硫酸根含量高、氨氮含量高及pH （l.5～ 3.2）低“五高一低”的特點，一般可生化性較好。

1.2 實驗裝置
 
實驗裝置如圖 1 所示。反應(yīng)器由有機玻璃制成，長、寬、高分別為0.6、0.5、0.6 m，有效水深0.5 m，總?cè)莘e180 L，有效容積150 L。反應(yīng)器壁垂直方向不同高度設(shè)置排水口，用于取樣和排水；在距離排水口 1/5 處設(shè)置隔離網(wǎng)，防止懸浮填料及截留的污泥在排水時隨水流出；底部設(shè)置排泥管，用于排泥及放空；通過氣泵及曝氣砂頭進行曝氣，轉(zhuǎn)子流量計控制曝氣量。

圖 1 SBBR 反應(yīng)器裝置   

1.3 分析方法
 
DO、pH 的測定分別采用YSI550A 便攜式DO 儀和pHS-2C 測定儀。COD、SV30、NH4+-N、NO2--N、 NO3--N 、TN、MLSS 等的分析方法均參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》〔2〕。

2 結(jié)果與分析
 
高氨氮廢水處理過程中，氮素的轉(zhuǎn)化有同化、氨化、硝化、反硝化4 種方式。其中，只有同化、反硝化可以將氮素從廢水 中去除，氨化、硝化只是改變了氮素的存在形式，但硝化的程度決定了反硝化的進行。

2.1 SND 過程的實現(xiàn)與穩(wěn)定
 
實驗前50 個周期（瞬時進水，曝氣8 h，沉淀1 h，排水0.5 h，閑置2.5 h）為掛膜階段，期間進水COD 為959 ~1 390 mg/L，出水平均COD 255.49 mg/L；進水氨氮為104 ~199 mg/L，出水平均氨氮20.21 mg/L。由于進水氨氮波動較大，接種污泥沒有成膜，抗沖擊能力較差，導(dǎo)致出水氨氮較高且不穩(wěn)定。出水亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮均較高，但隨著反應(yīng)的進行亞硝態(tài)氮逐漸下降，硝態(tài)氮逐漸升高，這說明硝化細菌活性得到不斷提高，好氧硝化過程進一步得到完善加強。TN 去除率較低，均值為62.88%，說明反硝化程度較低，原因有兩方面：（1）反硝化細菌活性較低。（2）生物膜尚在形成過程中，缺乏反硝化所需的厭氧環(huán)境。

經(jīng)過50 個周期的掛膜，填料表面固著一層生物膜，增加了反應(yīng)器內(nèi)的生物量，更重要的是在SBBR 反應(yīng)器中創(chuàng)造了好氧/厭氧環(huán)境，使SND 的實現(xiàn)成為可能。好氧階段TN 去除情況如圖 2 所示。

由圖 2 可見，在好氧階段TN 出現(xiàn)明顯下降，從而證實SND 的存在，穩(wěn)定運行50 個周期后TN 去除率可維持在70.00%以上。運行后期COD、氨氮去除率分別穩(wěn)定在90.49%和94.36%以上，達到良好的處理效果。

圖 2 好氧階段TN 去除情況  

2.2 DO 與SND 的影響關(guān)系
 
首先，DO 應(yīng)滿足COD 和氨氮的降解需要；其次，DO 過大將影響微環(huán)境的氧擴散，且DO 與曝氣量呈正相關(guān)，高DO 需大曝氣量，導(dǎo)致能耗增加，同時氣泡剪切力過大不利于生物膜的固著。文獻〔3〕報道，低DO 是實現(xiàn)SND 的重要條件。生物膜表面主要為活性較高的好氧微生物，生物膜會增加DO 向內(nèi)部擴散的阻力而形成厭氧區(qū)〔4〕。味精廢水COD 處于1 000~1 200 mg/L，氨氮處于120~180 mg/L。降解 COD 的菌群以好氧異養(yǎng)菌為主。硝化過程菌群以亞硝酸菌（AOB）和硝酸菌（NOB）為主。文獻〔5〕報道， AOB 的氧飽和常數(shù)為0.25~0.50 mg/L，NOB 的氧飽和常數(shù)為0.72~1.84 mg/L，且AOB 比NOB 對氧更有親和性，保證充足的DO 才可使硝化過程進行徹底。不同DO 下COD、氨氮、TN 的去除率如表 1 所示。

表 1 不同DO 下COD、氨氮、TN 的去除率

由表 1 可見，DO 變化對COD 的去除影響較小，隨著DO 的增加COD 去除率升高，當(dāng)DO＞4.0 mg/L 后，去除率呈平緩趨勢。DO 的變化對氮素的轉(zhuǎn)化影響較大。當(dāng)DO＜2.0 mg/L 時，在低DO 工況下異養(yǎng)菌最大限度的利用溶解氧氧化有機物，導(dǎo)致液相中的 DO 處于很低水平，只能滿足極少部分亞硝酸菌和硝酸菌的需求，故亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮很低，導(dǎo)致反硝化過程所需的電子受體（NO2-、NO3-）嚴(yán)重不足，即使反應(yīng)器中存在缺氧及厭氧環(huán)境，出水TN 也很高。隨著DO 的升高，氨氮的去除率有明顯的升高。當(dāng)DO＞ 3.0 mg/L 時，出水氨氮均低于10 mg/L,去除率維持在 95%以上，原因是液相中有足夠的DO 滿足亞硝酸菌和硝酸菌需求，同時生物膜為反硝化提供了厭氧微環(huán)境，故使出水TN 出現(xiàn)明顯下降。但DO＞4.0 mg/L 時生物膜內(nèi)部DO 升高，破壞了厭氧微環(huán)境，故出水TN 反而回升。所以對于DO 的控制以滿足好氧菌需求又不破壞生物膜厭氧微環(huán)境為宜。

2.3 碳氮比對脫氮的影響
 
不同濃度碳氮比情況下COD、氨氮、TN 的去除率如表 2 所示。

表 2 不同碳氮比下COD、氨氮、TN 的去除率

由表 2 可見，碳氮比對COD 的降解影響較小，均維持在89%以上。氨氮的去除隨著碳氮比的增加并沒有出現(xiàn)上升，說明掛摸良好的SBBR 反應(yīng)器對高氨氮有較高的抗沖擊能力。TN 去除率隨著碳氮比的增加出現(xiàn)明顯的升高。

當(dāng)碳氮比從3 提高到7，TN 去除率從64.90% 提高到70.30%，當(dāng)碳氮比繼續(xù)提高到10，TN 去除率只提高了0.2%，此時出水的亞硝態(tài)氮成倍增加。原因是碳氮比影響了微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的利用模式和反硝化的程度。廢水中的硝化菌群大多為兼性化能異養(yǎng)型，在適合的DO 條件下，當(dāng)碳氮比較低時，廢水中有機營養(yǎng)物有限，硝化細菌以化能自養(yǎng)型生存，完成硝化過程，為反硝化提供了電子受體；但此時廢水中可作為電子供體的有機物含量已很低，故 TN 去除率不高。隨著碳氮比的增加，既可以保證硝化細菌的化能自養(yǎng)型又可以提供電子供體，使TN 去除率提高到70.30%。若繼續(xù)提高碳氮比，將導(dǎo)致廢水中有機營養(yǎng)相對富余，部分硝化細菌為獲得較多的能量而采取化能異養(yǎng)型，阻礙了硝化過程的進行，進而對反硝化產(chǎn)生抑制作用。

2.4 厭氧階段對脫氮的影響
 
本實驗階段為進水后先厭氧靜置90 min，然后進行曝氣。20 個周期的對比脫氮效果如圖 3 所示。由圖 3 可見，增加了厭氧階段后，對COD、氨氮的去除效果影響不大。TN 平均去除率從68.13%提高到75.82%。這是因為：（1）厭氧段的設(shè)置導(dǎo)致了反硝化碳源種類和數(shù)量的變化。無厭氧段的SND 反硝化過程的碳源主要為好氧初期吸附的有機質(zhì)，為外碳源；而增加厭氧段，某些兼性細菌可以將廢水中的易降解有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)貯藏物（如PHB）儲存起來，作為SND 過程反硝化的內(nèi)碳源。（2）為前一周期由于碳源不足而未完成反硝化的剩余NO2-、NO3-提供外碳源，是對前一周期SND 過程的有益補充。

圖 3 設(shè)置厭氧段對COD、氨氮、TN 去除效果的影響  

2.5 典型周期內(nèi)各污染物去除情況
 
SBBR 內(nèi)COD、各氮素變化情況如圖 4 所示。

圖 4 SBBR 內(nèi)COD、各氮素濃度變化情況  

由圖 4 可見，COD、氨氮、TN 具有一致的下降趨勢，反映出COD 降解與SND 過程有著緊密的聯(lián)系。 COD 的去除有兩個途徑：（1）作為營養(yǎng)物質(zhì)參與好氧異養(yǎng)菌的新陳代謝。（2）作為SND 反硝化過程的碳源。反應(yīng)開始的1 h 內(nèi)COD、氨氮、TN 的大幅去除主要歸功于生物膜的吸附截留作用〔6〕。 圖 4 中，亞硝態(tài)氮始終在很低水平，反映出本實驗主要為全程SND 過程，非亞硝酸型SND 過程。在 4、5 h 處，亞硝態(tài)氮少量積累，達到6.5 mg/L，之后又大幅減少。原因是AOB 的氧飽和常數(shù)較NOB 更低，更易利用DO，隨著DO 的增加，NOB 活性得到增強，故會出現(xiàn)亞硝態(tài)氮的暫時富集現(xiàn)象。 SBBR 內(nèi)DO、pH 變化情況如圖 5 所示。

圖 5 SBBR 內(nèi)DO、pH 變化情況  

由圖 5 可見，前3 h 內(nèi)DO 主要被好氧異養(yǎng)菌用于COD 的降解，之后DO 主要用于硝化過程。由于AOB 和NOB 的氧飽和常數(shù)較低，氧氣消耗量小于供給量，所以從4 h 開始DO 成上升趨勢，直到硝化過程結(jié)束，DO 最后達到3.30 mg/L。

前3 h 硝態(tài)氮濃度幾乎為零，TN 去除率僅為 35.80%，說明反硝化程度低，原因是硝化過程受阻，反硝化的電子受體NO3-嚴(yán)重匱乏，反映出在SND 過程的前期，硝化程度是反硝化的控制因素；7 h 后TN 曲線趨于平緩，原因是反硝化的碳源不足，雖然此時 COD 在100 mg/L 左右，但大多是難降解的有機質(zhì)，此時碳源成為SND 末期的制約因素。

系統(tǒng)COD 降解過程中，好氧菌的好氧呼吸氧化磷酸化過程不斷吸收H+〔7〕，呼吸作用產(chǎn)生的CO2 被曝氣作用不斷吹脫，使pH 上升；隨著反應(yīng)的進行 SND 過程的出現(xiàn)使系統(tǒng)產(chǎn)酸。硝化反應(yīng)：

反硝化反應(yīng)：

本實驗為全程SND 過程，以式（1）、（2）、（4）為主，COD 降解過程與SND 過程綜合作用使pH 在動態(tài)中和變化中趨于堿性。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3 結(jié)論
 
（1）在傳統(tǒng)SBR 反應(yīng)器中投加填料，在其表面形成生物膜以使世代時間較長的硝酸菌得以固著繁殖，提高系統(tǒng)的生物量。

（2）成功掛摸后會實現(xiàn)全程SND 過程，較傳統(tǒng) SBR 工藝增強了反硝化作用，獲得較高的生物脫氮效果，穩(wěn)定運行后TN 去除率70.0%左右，最高可達 75.82%。

（3）DO 是實現(xiàn)SND 的關(guān)鍵因素，對于DO 的控制以滿足好氧菌（好氧異養(yǎng)菌和硝化菌）需求又不破壞生物膜厭氧微環(huán)境為宜，本實驗取3.3 mg/L。（4）SND 的反硝化過程是脫氮的關(guān)鍵，其制約因素有3 個：厭氧環(huán)境，由具有一定厚度的生物膜提供；電子受體NO3-，由硝化過程提供；碳源，由反應(yīng)初期的有機質(zhì)提供。

（5）設(shè)置了前置厭氧段，豐富了反硝化碳源的種類和數(shù)量，有助于提高系統(tǒng)的生物脫氮效果。