SBR在難降解有機物處理中的研究與應用

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簡介： 在分析SBR工藝一般特點的基礎上，介紹了SBR工藝處理難降 解有機物、造紙印染等工業(yè)廢水的應用現(xiàn)狀和SBR工藝在數(shù)學模型、污泥膨脹機理及微生物 特征等基礎性研究方面的進展，并討論了在線控制、過程設計及啟動策略等的工藝過程及控制研究。
關鍵字：SBR 難降解有機物 研究與應用

1 概況

　　目前SBR處理難降解有機物的對象幾乎涵蓋了其他生物法所處理的對象(見表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DNP的處理效果。外加碳源能延長生物世代時間，增加污泥中DNP降解菌 濃度，進一步提高對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，研究葡萄糖、酚等外加補充底物對處理效果的影響，對比了以葡萄糖、酚為溶解性有機碳及無外加補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外加底物時的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),當葡萄糖、酚的濃度增加到40 mg/L時，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2—CP降解有更好的促進作用，表明所加外源 底物的種類、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處理難降解有機物的運行模式處理對象運行模式處理結(jié)果含二硝基苯酚廢水48h=0.8h+44.8h+1.8h+0.6h+0苯胺類有機廢水24h=1h+5h+1h+1h+16h進水COD150～500mg/L,苯胺800～1800mg/L。去除率分別99%、90%，COD負荷2.7kg/(m3.d）含酚、o—甲酚廢水24h=5h+15g+3g+1g+0酚負荷：100～800g/(m3.d)，o—甲酚負荷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進水COD600～1000mg/L、BOD5130～300mg/L，色度400～2000時去除率分別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進水COD1600～12000mg/L，去除率達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%樂果廢水12h=1h+7h+2h+1h+1h注 48h=8h+44.8h+1.8h+0.6h+0表示運行周期為48h，進水、反應、沉淀、潷水、閑置時間分別為：0.8h、44.8h、1.8h、0.6h、0.

　　SelvaratnamS^［3］等人在SBR系統(tǒng)中用生物強化技術提高處理效率，將傳統(tǒng)檢測技術和分子技術結(jié)合，研究了酚的生物降解和催化dmpN基因的存在和表達。加入酚降解高效菌ATCC 11172后，通過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95%～100% 。
　　J. Franta^［4～6］等人從出水中有機物組成角度出發(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和反應時間為22h時得到。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。每周期中貧營養(yǎng)的持續(xù)時間對出水中剩余有機物的組成影響很大，高溫GC/MS分析表明出水中剩余有機物主要為難降解的木質(zhì)素等物質(zhì)，約有10%的剩余有機物經(jīng)生物作用有了改變，其余大多數(shù)為起初進水中就有的。為保持高的基質(zhì)去除率，有必要延長反應時間使酶的活性降到本底值，因即使呼吸速率達到內(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45 ℃后去除效果變差。與SBR相比，SBR+UF明顯提高了目標污染物的去除率。

2 基礎研究

　　由于SBR為高度非穩(wěn)態(tài)的處理過程，反應器中基質(zhì)、營養(yǎng)物、溶解氧等濃度變化幅度大，與濃度恒定的連續(xù)過程相比，其機理更加復雜，負荷和反應速度變化更大，生物相更多，污泥齡更加不等，因此研究更為復雜，也為SBR工藝的研究提供了廣闊的領域。
2.1 數(shù)學模型
　　G.F.Nakhla^［8］等研究了包括進水及反應段的SBR數(shù)學模型，并用試驗數(shù)據(jù)加 以驗證。微生物生長動力學用Monod方程描述，進水速率為模型的主要運行參數(shù)，運用數(shù)值法對非線性非穩(wěn)態(tài)一級微分方程進行模型求解。研究表明，SBR處理廢水時間取決于微生物 細 胞和基質(zhì)濃度，對易降解低抑制性的污染物，快速進水效果好，而對難降解有機物則需長時間進水。A.Brenner^［9］等人認為由于SBR為單池非穩(wěn)態(tài)過程，存在著更大的基質(zhì)和營養(yǎng)物濃度梯度，傳統(tǒng)的活性污泥法的計算機控制和模擬需要修正。同時各種過程、負荷條 件及運行策略的數(shù)學模型化有利于加深對運行過程的理解并能促進設計和運行的科學化。
2.2 污泥膨脹機理
　　 污泥膨脹是連續(xù)法運行中普遍存在的問題，而SBR能成功防止污泥膨脹，為此許多學者 試圖 通過SBR對絲狀菌抑制機理的研究來闡明污泥膨脹機理及其控制方法。Steven C.Chiesa等人 研究證實，微生物處于富營養(yǎng)和貧營養(yǎng)交替變化的環(huán)境下，即在起始基質(zhì)濃度的顯著增加、高生長速率(高基質(zhì)濃度)及長貧營養(yǎng)時間的條件下，均能有效抑制絲狀菌的生長。貧營養(yǎng)的 幅度和時間對絮狀污泥的相對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，通過對比連續(xù)式和間歇式運行、反應池中絲狀菌的生長條件和控制方法，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物 質(zhì)并使在延時的內(nèi)源代謝階段維持較高活性的非絲狀微生物成為優(yōu)勢微生物。SBR對生物的 選 擇能力由進料方式、DO、有機負荷率、最大生長速率的幅度及其維持的時間、貧營養(yǎng)的幅度 和范圍、貧富營養(yǎng)交替的頻率等眾多因素決定。被選擇生物的最大生長速率取決于基質(zhì)的營養(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認為連續(xù)法運行盡管也 能維持較好的污泥沉降性能，但其有機負荷率的可變范圍非常小，易于發(fā)生污泥膨脹，當通過調(diào)節(jié)有機負荷和反應器中的DO還無法避免污泥膨脹時，可將連續(xù)式運行改為間歇式運行。Franta等人發(fā)現(xiàn)若反應時間太短，貧營養(yǎng)時間不充分更易發(fā)生污泥膨脹。
2.3 微生物特征
　　Robert L.Irvine從SBR處理難降解有機物的微生物特征出發(fā)，研究其降解機理。認為從微生物角度看，SBR最大的特點是微生物處于富營養(yǎng)、貧營養(yǎng)、好氧、缺氧、厭氧周期性變化的環(huán)境中。反應器內(nèi)營養(yǎng)物濃度的降低可使營養(yǎng)物被攝取速率增加，可利用基質(zhì)范圍增大。通過控制運行周期、流量、營養(yǎng)物濃度及DO等環(huán)境壓力的改變可強化反應器對微生物的選擇，這是因為在不同條件下，有不同的微生物在起作用。SBR不僅具有改變運行形式方便的優(yōu)點，通過控制運行周期、進出水流量、營養(yǎng)物濃度及DO等條件，SBR還能夠改變微生物的環(huán)境壓力進而強化微生物。進水確定的環(huán)境條件下所富集的特定微生物在反應段得到強化，隨之造成生物生理、產(chǎn)量的變化，將進一步促進SBR對生物的選擇。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)運行中生長動力學，發(fā)現(xiàn)SB R中T.cremori的生長速率比連續(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在兩種沖擊負荷下降解酚時細菌的活性，結(jié)果最佳生物活性和忍耐力在高酚負荷的好氧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?shù)姆迂摵珊头€(wěn)定的污泥活性，從而在高沖擊負荷下也能穩(wěn)定地運行，降解酚的細菌活性增強主要是細菌降解和忍受酚的能力增強而不是細菌總數(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，并詳細研究了 這兩種菌的生長特性、營養(yǎng)源，以提高SBR處理造紙廢水的效果。

3 工藝過程研究

　　SBR工藝中的運行操作是周期性進行的，操作控制較繁瑣。另一方面，SBR工藝過程優(yōu)化控制能極大地提高效率降低能耗，因此如何對工藝過程進行有效控制，對SBR工藝的理論研究和實 際應用均具有重要意義。
3.1 在線控制
　　Yongzhen Peng等人研究了用氧化還原電位(ORP)控制SBR的曝氣運行。由于ORP傳感器能準確顯示反應器中的生物氧化狀態(tài)，因此可用ORP來控制SBR中的曝氣時間，通過曝氣時間長短的動態(tài)在線調(diào)整，盡量減少曝氣量以避免能量的浪費。試驗發(fā)現(xiàn)，氧化基本結(jié)束時(通過COD達 到平衡反映出來)，SBR中的ORP值迅速增加。在某一特定廢水處理中，ORP平臺出現(xiàn)在一狹小范圍內(nèi)，取決于進水組成、曝氣時間、MLSS值及系統(tǒng)有機負荷，因此可用ORP平臺出現(xiàn)來結(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及反應池的水位，模糊控制后顯著 降低了能耗。
3.2 過程設計
　　許多學者對SBR的設計過程進行了研究。Ketchum L H分析了不同處理目標的SBR設計過程和物理特性。在設計中將進水分為靜止進水(完全限制)、攪拌進水(半限制)、曝氣進水(不限制) 三種。依據(jù)不同的處理目標，將運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 水為目標的運行方式為：短時間的攪拌加上長時間的曝氣。
3.3 啟動策略
　　M.Muniz等人研究了SBR處理含難降解有機物廢水的啟動策略，以縮短啟動時間，節(jié)省接種污 泥量，降低啟動費用。運行周期為6 h，進水曝氣時間為4 h，沉淀時間為1.5 h，出水時間為0.5 h。啟動階段在時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)省污泥量和運輸費用，同時也獲得更適應新污水的微生物。進料階段中根據(jù)微生物對COD的要求及處理對象中毒性對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，以達到進料段生長速率常數(shù)恒定、COD去除率高、污泥沉降性能好的目的。

4 結(jié)語

　　SBR反應器已廣泛應用于多種難降解有機物處理的試驗研究與應用，并取得較好的處理效果。但由于SBR工藝的間歇周期運行，反應器中DO、有機物濃度等隨時間不斷變化，處于這種周期性變化環(huán)境中的微生物對難降解有機物的降解機理、反應動力學以及工程應用中的設計、過程控制等更加復雜，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物更大的挑戰(zhàn)。盡管目前SBR工藝機理及設計研究尚處于起步階段，但由于SBR運行靈活，抗沖擊負荷能力強，能適應廢水間歇無規(guī)律排放，且對連續(xù)式不能降解的有機物也表現(xiàn)出良好的降解效果，因此該工藝在難降解有機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用前景。

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　　收稿日期：1999-04-03