SBR在難降解有機(jī)物處理中的研究與應(yīng)用

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簡(jiǎn)介： 在分析SBR工藝一般特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了SBR工藝處理難降 解有機(jī)物、造紙印染等工業(yè)廢水的應(yīng)用現(xiàn)狀和SBR工藝在數(shù)學(xué)模型、污泥膨脹機(jī)理及微生物 特征等基礎(chǔ)性研究方面的進(jìn)展，并討論了在線控制、過(guò)程設(shè)計(jì)及啟動(dòng)策略等的工藝過(guò)程及控制研究。
關(guān)鍵字：SBR 難降解有機(jī)物 研究與應(yīng)用

1 概況

　　目前SBR處理難降解有機(jī)物的對(duì)象幾乎涵蓋了其他生物法所處理的對(duì)象(見(jiàn)表1 ) 。Thomas F.Hess^［1］等人用SBR處理含2，4—二硝基苯酚(DNP)廢水，研究了外加 不同 濃度葡萄糖以提高對(duì)DNP的處理效果。外加碳源能延長(zhǎng)生物世代時(shí)間，增加污泥中DNP降解菌 濃度，進(jìn)一步提高對(duì)DNP的降解效果。Basu S K^［2］等用SBR處理含30 mg/L a — 氯酚(2—CP)的自配廢水時(shí)，研究葡萄糖、酚等外加補(bǔ)充底物對(duì)處理效果的影響，對(duì)比了以葡萄糖、酚為溶解性有機(jī)碳及無(wú)外加補(bǔ)充底物等三種條件下的處理效果。2—CP的比降解速率可由無(wú)外加底物時(shí)的3.96 mg2—CP/(gVSS·h)增加到有20 g/L葡萄糖、酚的5.15、8.19 mg 2—CP/(gVSS·h),當(dāng)葡萄糖、酚的濃度增加到40 mg/L時(shí)，2—CP的比降解速率分別增加到7.9 4、11. 54 mg2—CP/(gVSS·h)，外加酚比葡萄糖對(duì)2—CP降解有更好的促進(jìn)作用，表明所加外源 底物的種類(lèi)、性質(zhì)和濃度是影響2—CP生物降解速率的重要因素。

表1 SBR處理難降解有機(jī)物的運(yùn)行模式處理對(duì)象運(yùn)行模式處理結(jié)果含二硝基苯酚廢水48h=0.8h+44.8h+1.8h+0.6h+0苯胺類(lèi)有機(jī)廢水24h=1h+5h+1h+1h+16h進(jìn)水COD150～500mg/L,苯胺800～1800mg/L。去除率分別99%、90%，COD負(fù)荷2.7kg/(m3.d）含酚、o—甲酚廢水24h=5h+15g+3g+1g+0酚負(fù)荷：100～800g/(m3.d)，o—甲酚負(fù)荷100～600g/(m3.d)，去除率均＞99.5%造紙廢水8h=1h+6h+0.5h+0.5h+0焦化廢水24h+4h+12h+3～5h+2h+3～6hNH3-N、COD的去除率分別為82.5%、65.2%印染廢水8h=3h+3h+1h+1h+0進(jìn)水COD600～1000mg/L、BOD5130～300mg/L，色度400～2000時(shí)去除率分別80%—90%、85%、90%皮革廢水21h=3h+4h+2h+2h+10h四環(huán)素生產(chǎn)廢水12h=0.5h+8h+1h+0.5h+2hCOD、四環(huán)素去除率分別為75%～80%、40%土霉素生產(chǎn)廢水12h=2h+7h+1h+1h+1h進(jìn)水COD1600～12000mg/L，去除率達(dá)80%以上中藥材生產(chǎn)廢水24h=0.5h+11.5h+0.5h+0.5h+11hCOD、NH3-N去除率分別為88%、62%樂(lè)果廢水12h=1h+7h+2h+1h+1h注 48h=8h+44.8h+1.8h+0.6h+0表示運(yùn)行周期為48h，進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、潷水、閑置時(shí)間分別為：0.8h、44.8h、1.8h、0.6h、0.

　　SelvaratnamS^［3］等人在SBR系統(tǒng)中用生物強(qiáng)化技術(shù)提高處理效率，將傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)和分子技術(shù)結(jié)合，研究了酚的生物降解和催化dmpN基因的存在和表達(dá)。加入酚降解高效菌ATCC 11172后，通過(guò)好氧亞斷裂途徑將多環(huán)酚轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚，使酚去除率高達(dá)95%～100% 。
　　J. Franta^［4～6］等人從出水中有機(jī)物組成角度出發(fā)探索SBR的最佳工藝，研究了用SBR處理造紙廢水出水中剩余有機(jī)物的組成、濃度及其影響因素。COD∶N∶P＝250∶7∶1，控制SRT分別為10、20、30 d。最高COD去除率和最佳污泥沉降性能在SRT為20 d和反應(yīng)時(shí)間為22h時(shí)得到。SRT增加能提高出水水質(zhì)，使出水中重要污染物鹵代烴濃度明顯降低，但COD變化不大。每周期中貧營(yíng)養(yǎng)的持續(xù)時(shí)間對(duì)出水中剩余有機(jī)物的組成影響很大，高溫GC/MS分析表明出水中剩余有機(jī)物主要為難降解的木質(zhì)素等物質(zhì)，約有10%的剩余有機(jī)物經(jīng)生物作用有了改變，其余大多數(shù)為起初進(jìn)水中就有的。為保持高的基質(zhì)去除率，有必要延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間使酶的活性降到本底值，因即使呼吸速率達(dá)到內(nèi)源代謝水平，酶活性仍很高。TardifO^［7］研究了SBR、超濾(UF)、SBR+UF、膜反應(yīng)器(MBR)等四種方法處理生產(chǎn)回收新聞紙的造紙廠白水，在20～40 ℃條件下，SBR處理的樹(shù)脂及脂肪酸去除率幾乎為100%，溶解性COD為76%，總?cè)芙庑灶w粒物為34%，但溫度超過(guò)45 ℃后去除效果變差。與SBR相比，SBR+UF明顯提高了目標(biāo)污染物的去除率。

2 基礎(chǔ)研究

　　由于SBR為高度非穩(wěn)態(tài)的處理過(guò)程，反應(yīng)器中基質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物、溶解氧等濃度變化幅度大，與濃度恒定的連續(xù)過(guò)程相比，其機(jī)理更加復(fù)雜，負(fù)荷和反應(yīng)速度變化更大，生物相更多，污泥齡更加不等，因此研究更為復(fù)雜，也為SBR工藝的研究提供了廣闊的領(lǐng)域。
2.1 數(shù)學(xué)模型
　　G.F.Nakhla^［8］等研究了包括進(jìn)水及反應(yīng)段的SBR數(shù)學(xué)模型，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)加 以驗(yàn)證。微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)用Monod方程描述，進(jìn)水速率為模型的主要運(yùn)行參數(shù)，運(yùn)用數(shù)值法對(duì)非線性非穩(wěn)態(tài)一級(jí)微分方程進(jìn)行模型求解。研究表明，SBR處理廢水時(shí)間取決于微生物 細(xì) 胞和基質(zhì)濃度，對(duì)易降解低抑制性的污染物，快速進(jìn)水效果好，而對(duì)難降解有機(jī)物則需長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)水。A.Brenner^［9］等人認(rèn)為由于SBR為單池非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，存在著更大的基質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物濃度梯度，傳統(tǒng)的活性污泥法的計(jì)算機(jī)控制和模擬需要修正。同時(shí)各種過(guò)程、負(fù)荷條 件及運(yùn)行策略的數(shù)學(xué)模型化有利于加深對(duì)運(yùn)行過(guò)程的理解并能促進(jìn)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的科學(xué)化。
2.2 污泥膨脹機(jī)理
　　 污泥膨脹是連續(xù)法運(yùn)行中普遍存在的問(wèn)題，而SBR能成功防止污泥膨脹，為此許多學(xué)者 試圖 通過(guò)SBR對(duì)絲狀菌抑制機(jī)理的研究來(lái)闡明污泥膨脹機(jī)理及其控制方法。Steven C.Chiesa等人 研究證實(shí)，微生物處于富營(yíng)養(yǎng)和貧營(yíng)養(yǎng)交替變化的環(huán)境下，即在起始基質(zhì)濃度的顯著增加、高生長(zhǎng)速率(高基質(zhì)濃度)及長(zhǎng)貧營(yíng)養(yǎng)時(shí)間的條件下，均能有效抑制絲狀菌的生長(zhǎng)。貧營(yíng)養(yǎng)的 幅度和時(shí)間對(duì)絮狀污泥的相對(duì)量以及微生物合成維持絮狀污泥完整性的胞外酶的能力有重要影響。為此，通過(guò)對(duì)比連續(xù)式和間歇式運(yùn)行、反應(yīng)池中絲狀菌的生長(zhǎng)條件和控制方法，Chie sa發(fā)現(xiàn)SBR中的特殊生態(tài)環(huán)境使其具備一定的生物選擇能力，該能力能從底物中吸收有機(jī)物 質(zhì)并使在延時(shí)的內(nèi)源代謝階段維持較高活性的非絲狀微生物成為優(yōu)勢(shì)微生物。SBR對(duì)生物的 選 擇能力由進(jìn)料方式、DO、有機(jī)負(fù)荷率、最大生長(zhǎng)速率的幅度及其維持的時(shí)間、貧營(yíng)養(yǎng)的幅度 和范圍、貧富營(yíng)養(yǎng)交替的頻率等眾多因素決定。被選擇生物的最大生長(zhǎng)速率取決于基質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)性質(zhì)，不同的基質(zhì)生物選擇所需濃度不同?；谏鲜鼋Y(jié)論，Chiesa認(rèn)為連續(xù)法運(yùn)行盡管也 能維持較好的污泥沉降性能，但其有機(jī)負(fù)荷率的可變范圍非常小，易于發(fā)生污泥膨脹，當(dāng)通過(guò)調(diào)節(jié)有機(jī)負(fù)荷和反應(yīng)器中的DO還無(wú)法避免污泥膨脹時(shí)，可將連續(xù)式運(yùn)行改為間歇式運(yùn)行。Franta等人發(fā)現(xiàn)若反應(yīng)時(shí)間太短，貧營(yíng)養(yǎng)時(shí)間不充分更易發(fā)生污泥膨脹。
2.3 微生物特征
　　Robert L.Irvine從SBR處理難降解有機(jī)物的微生物特征出發(fā)，研究其降解機(jī)理。認(rèn)為從微生物角度看，SBR最大的特點(diǎn)是微生物處于富營(yíng)養(yǎng)、貧營(yíng)養(yǎng)、好氧、缺氧、厭氧周期性變化的環(huán)境中。反應(yīng)器內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物濃度的降低可使?fàn)I養(yǎng)物被攝取速率增加，可利用基質(zhì)范圍增大。通過(guò)控制運(yùn)行周期、流量、營(yíng)養(yǎng)物濃度及DO等環(huán)境壓力的改變可強(qiáng)化反應(yīng)器對(duì)微生物的選擇，這是因?yàn)樵诓煌瑮l件下，有不同的微生物在起作用。SBR不僅具有改變運(yùn)行形式方便的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)控制運(yùn)行周期、進(jìn)出水流量、營(yíng)養(yǎng)物濃度及DO等條件，SBR還能夠改變微生物的環(huán)境壓力進(jìn)而強(qiáng)化微生物。進(jìn)水確定的環(huán)境條件下所富集的特定微生物在反應(yīng)段得到強(qiáng)化，隨之造成生物生理、產(chǎn)量的變化，將進(jìn)一步促進(jìn)SBR對(duì)生物的選擇。Cristiani Urbina等人研究了SBR處理乳漿廢水中球酵母屬(Torulopsis cremoris)在間歇或連續(xù)運(yùn)行中生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)SB R中T.cremori的生長(zhǎng)速率比連續(xù)式快26%。M.Okada研究了SBR處理含酚廢水的生物活性，比較了連續(xù)式好氧SBR、厭/好氧SBR在兩種沖擊負(fù)荷下降解酚時(shí)細(xì)菌的活性，結(jié)果最佳生物活性和忍耐力在高酚負(fù)荷的好氧SBR中獲得。SBR中高的初始酚濃度有助于生物活性的提高，在連續(xù)式低酚濃度下，生物活性較低。SBR能給污泥恰當(dāng)?shù)姆迂?fù)荷和穩(wěn)定的污泥活性，從而在高沖擊負(fù)荷下也能穩(wěn)定地運(yùn)行，降解酚的細(xì)菌活性增強(qiáng)主要是細(xì)菌降解和忍受酚的能力增強(qiáng)而不是細(xì)菌總數(shù)的增加。Wilson等人從SBR處理高濃度造紙廢水的污泥中分離出僅以雙(Diterpene) 和異海松酸(Isopimaric Acid)為碳源和電子供體的兩種好氧革蘭氏陰性菌，并詳細(xì)研究了 這兩種菌的生長(zhǎng)特性、營(yíng)養(yǎng)源，以提高SBR處理造紙廢水的效果。

3 工藝過(guò)程研究

　　SBR工藝中的運(yùn)行操作是周期性進(jìn)行的，操作控制較繁瑣。另一方面，SBR工藝過(guò)程優(yōu)化控制能極大地提高效率降低能耗，因此如何對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行有效控制，對(duì)SBR工藝的理論研究和實(shí) 際應(yīng)用均具有重要意義。
3.1 在線控制
　　Yongzhen Peng等人研究了用氧化還原電位(ORP)控制SBR的曝氣運(yùn)行。由于ORP傳感器能準(zhǔn)確顯示反應(yīng)器中的生物氧化狀態(tài)，因此可用ORP來(lái)控制SBR中的曝氣時(shí)間，通過(guò)曝氣時(shí)間長(zhǎng)短的動(dòng)態(tài)在線調(diào)整，盡量減少曝氣量以避免能量的浪費(fèi)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氧化基本結(jié)束時(shí)(通過(guò)COD達(dá) 到平衡反映出來(lái))，SBR中的ORP值迅速增加。在某一特定廢水處理中，ORP平臺(tái)出現(xiàn)在一狹小范圍內(nèi)，取決于進(jìn)水組成、曝氣時(shí)間、MLSS值及系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷，因此可用ORP平臺(tái)出現(xiàn)來(lái)結(jié)束曝氣以節(jié)省能量。Y.Hamamoto等人采用“模糊邏輯”(fuzzy logic)控制以自動(dòng)確定最佳的攪拌和曝氣階段，模糊控制中參數(shù)有DO、pH、ORP及反應(yīng)池的水位，模糊控制后顯著 降低了能耗。
3.2 過(guò)程設(shè)計(jì)
　　許多學(xué)者對(duì)SBR的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了研究。Ketchum L H分析了不同處理目標(biāo)的SBR設(shè)計(jì)過(guò)程和物理特性。在設(shè)計(jì)中將進(jìn)水分為靜止進(jìn)水(完全限制)、攪拌進(jìn)水(半限制)、曝氣進(jìn)水(不限制) 三種。依據(jù)不同的處理目標(biāo)，將運(yùn)行策略大致分為五種，建議以處理工業(yè)廢水及有毒有害廢 水為目標(biāo)的運(yùn)行方式為：短時(shí)間的攪拌加上長(zhǎng)時(shí)間的曝氣。
3.3 啟動(dòng)策略
　　M.Muniz等人研究了SBR處理含難降解有機(jī)物廢水的啟動(dòng)策略，以縮短啟動(dòng)時(shí)間，節(jié)省接種污 泥量，降低啟動(dòng)費(fèi)用。運(yùn)行周期為6 h，進(jìn)水曝氣時(shí)間為4 h，沉淀時(shí)間為1.5 h，出水時(shí)間為0.5 h。啟動(dòng)階段在時(shí)間上分為接種階段和條件控制階段。接種階段接種的污泥量少，不僅節(jié)省污泥量和運(yùn)輸費(fèi)用，同時(shí)也獲得更適應(yīng)新污水的微生物。進(jìn)料階段中根據(jù)微生物對(duì)COD的要求及處理對(duì)象中毒性對(duì)微生物抑制作用的大小，逐漸增加有毒有害物的量直至最終含量，以達(dá)到進(jìn)料段生長(zhǎng)速率常數(shù)恒定、COD去除率高、污泥沉降性能好的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

　　SBR反應(yīng)器已廣泛應(yīng)用于多種難降解有機(jī)物處理的試驗(yàn)研究與應(yīng)用，并取得較好的處理效果。但由于SBR工藝的間歇周期運(yùn)行，反應(yīng)器中DO、有機(jī)物濃度等隨時(shí)間不斷變化，處于這種周期性變化環(huán)境中的微生物對(duì)難降解有機(jī)物的降解機(jī)理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及工程應(yīng)用中的設(shè)計(jì)、過(guò)程控制等更加復(fù)雜，給研究人員提出了比研究連續(xù)式活性污泥法處理難降解有機(jī)物更大的挑戰(zhàn)。盡管目前SBR工藝機(jī)理及設(shè)計(jì)研究尚處于起步階段，但由于SBR運(yùn)行靈活，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，能適應(yīng)廢水間歇無(wú)規(guī)律排放，且對(duì)連續(xù)式不能降解的有機(jī)物也表現(xiàn)出良好的降解效果，因此該工藝在難降解有機(jī)物特別是中小型石化、造紙、印染、煉油、制藥等企業(yè)廢 水處理中將具有極為廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

　　［1］Thomas F Hess et al.Effect of Glucose on 2,4-Dinitrophen ol Deg radation Kinetics in Sequencing Batch Reactor［J］.Water Environ Res，1993,65(1) ，73-81.
　?。?］Basu S K,Oleszkiewicz J A.Factors Affecting Aerobic Biodeg radation of 2-C hlorophenol in Sequencing Batch Reactors［Ｊ］.Environmental Technology,1995，16 (12)：1135-1143.
　　［3］Selvaratnam S,Schoedel B A,Mcfarland B L et al.Application of the Pol ymerase Chain-Reaction(PCR)and Reverse-Transcriptase PCR for Determining the Fat e of Phenol-Degrading Pseudomonas-Putida ATCC-11172 in a Bioaugmented Sequencing Batch Reactor［Ｊ］. Applied Microbiology and Biotechnology,1997,47(3):236-240.
　?。?］Franta J,Wilderer P A,Miksch K et al.Effects of Operation Cond itions on Advanced COD Removal in Activated-Sludge Systems［Ｊ］.Wat Sci Tech,1994，29 (7):189-192.
　?。?］Franta J,Helmreich B,Pribyl M et al.Advanced Biologic al Treatment of Paper-Mill Wastewaters-Effects of Operation Conditions on COD Re moval and Production of Soluble Organic-Compounds Activated-Sludge Systems［Ｊ］ .Wat Sci Tech,1994，30(3):199-207.
　?。?］Franta J R,Wilderer P A.Biological Treatment of Paper-Mill Wastewa ter by Sequencing Batch Reactor Technology to Reduce Residual Organics［Ｊ］.Wat Sc i Tech,1997，35(1):129-136.?。?］Tardif O,Hall E R.Alternatives for Treating Recirculated Newsprint Whitewater at High-Temperatures［Ｊ］.Wat Sci Tech,1997，35(2～3):57-65.
　　［8］Nakhla G F et al.Modeling of Sequencing Batch Reactor Treating Inh ibitory and Noninhibitory Wastewaters［Ｊ］.Water Envieronment Research,1997，69 (6):6-14.
　　［9］Brenner A.Use of Computers for Process Design Analysis and Control -Seque ncing Batch Reactor Application［Ｊ］.Wat Sci Tech，1997，35(1):95-104.

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