简介： 研究了实验室水平下的SBR反应器中模拟废水中营养物质的去除。采用了三种不同操作步骤并对其结果进行比较。这三种操作为：三步操作厌氧（An）/间氧（Ax）/好氧（Ox）；四部操作An/Ox/Ax/Ox及五步操作An/Ax/Ox/Ax/Ox。研究了不同操作步骤对模拟废水中COD、N (NH4-N,NO3-N) 和P (PO4-P)去除效果的影响。实验所采用的污泥泥龄为10天。试验结果表明五步处理效果最好，COD，NH4-N，NO3-N 和PO4-P的去处率分别为94%，90%，64%和57%。散步和四部操作中COD和NH4-N的去处效果比五步操作好但是NO3-N 和PO4-P的去处效果五步操作明显好于其他操作。因此，循环时间为10.5h的五步操作确定为去处营养物质最好的操作。
关键字：SBR 不同操作步骤 去除生物营养
前言：
SBR很早就用于去除废水中的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。）营养废水中最近运用改进后SBR讲解营养物质，在硝化和反硝化的同时去处COD和P。SBR处理过程间歇式操作步骤包括：添加、反应、沉淀、沘水和闲置(Metcalf 和 Eddy 1991)。可以通过调厌氧、间氧和好氧整操作步骤来适应水质变化。
以前已有文献对操作次数进行了研究（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）。关于出水最小浓度，Andreottola等(1997)已经出循环长度的最佳计算方法。出水N、NO2-N和NH4-N的浓度为2.9 mg l-1, 0.04 mg l-1 和0.06 mg l-1，其中间氧操作时间为3.3h厌氧操作4.2h。
Chang和Hao (1996) 发表了很重要影响SBR操作的参数，可以和在线控制操作。一般而言，当污泥停留时间为10天，总的循环时间为6h时，系统中COD、总N和P的去除率为91, 98 和 98%
Colunga and Martinez (1996)研究了在生物膜SBR中厌氧/好氧操作对出水的影响。总的循环时间为8和12小时，其中厌氧和好氧比值不同。当循环时间为12小时，厌氧和好氧比为37/63%时COD和P的去除率最高。
Sang-Ill等人 (1997)用发酵酒的废水代替醋酸盐作为碳源来提高扩大SBR中营养物质降解效率。两者之间没有什么大的区别，总Ｎ和Ｐ的去除率都可以达到90% 和89%。
Umble 和Ketchum (1997)利用SBR处理城市废水。总的操作时间为１２ｈ，BOD5, TSS, 和NH3-N去除率为 98%, 90%和89%。
Zuniga 和Martinez (1996)研究了生物膜SBR中通过四种处理放式：an/ax/ao/ax同时去处Ｐ和Ｎ。操作成功的去除了COD，P和N去除率分别为89±1%，75±15%，和87±10%。
以上都没有研究过在SBR中不同操作步骤数量的作用。因此，本文的研究主要目的就是对SBR中不同操作步骤数的去除效果进行比较。操作中包括不同数量的厌氧(An), 间氧 (Ax) 和好氧(Ox)操作和不同的操作方式。
材料与方法：
试验装置：
图１为试验装置简图。５Ｌ的发酵罐(Bioflo IIC, New Brunswick)作为SBR反应器。发酵罐通过微电脑控制通气、pH和溶氧(DO)。通过带有曝气透的空气泵进行曝气。搅拌速率在25 和300 rpm (rev min－1)。营养液中的pH 和 DO浓度通过相应的电极来连续。
废水成分：
用于试验的模拟废水含有：葡萄糖、醋酸钠、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)。模拟废水组成见表１。模拟废水主要成分为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在添加时浓度为0.1 g L－1和0.59 g L－1，最初的pH值调到7.0。
微生物：
混合微生物包括：能够氧化碳的异养微生物，反硝化菌，自养硝化菌，厌氧菌（产酸），吸收过量Ｐ的微生物(Acinetobacter sp)。消化菌(Nitrosomonas 和 Nitrobacter)是从美国Clemson大学得到。异样菌来自C¸ igli城市处理厂。接种Izmir水处理厂中去除Ｃ和Ｎ的微生物。用于吸收多于Ｐ的Acinetobacter calcoaceticus (NRRL-552)菌来自美国USDA，国家研究实验室。真个微生物菌群在实验室中用合适的生长培养基培养，接种与混合微生物环境。
试验操作：
在开始间歇式操作之前，反应器加入含有混合微生物的模拟废水，经过几天的间歇通风，达到试验开始所需微生物浓度。微生物沉淀后，去除４Ｌ上清液后加入总体积５Ｌ的培养液。然后，开始间歇的厌氧、间氧和好氧操作。仅在厌氧阶段穿过培养基通入氮气。在厌氧和好氧阶段搅拌速率分别为25 和 50 rpm。在好氧操作中培养基进行充分的通气和搅拌(300 rpm)。在每个操作开始和结束时取样并进行分析。每次SBR结束后，微生物经过３０分钟的沉淀后，排出上清液。沉淀的微生物用于下一次操作。为了维持１０天的污泥泥龄，1/10的沉淀微生物排出。温度和pH维持在T=25 ℃和pH=7–7.5。在好氧阶段DO浓度保持在2 mg L－1，厌氧和间氧操作时维持在０。
三步操作为an (1 h),ax (1.5 h), ox (4 h)及0.5 h的闲置时间，总的操作时间为7 h。四步操作为an (1 .5h) ，ox (4 h)，ax (1.5 h)，ox (2 h)及0.5 h的闲置时间，总的操作时间为10.5h。五步操作为An/Ax/Ox/An/Ox其水利停留时间分别为为1/1.5/4/1.5/2 h 及0.5 h的闲置时间，总的操作时间为9 h。污泥停留时间保持在10天。每个实验条件运行两次。运行第一次为了适应环境，第二次为了得到实验数据。
分析方法：
在每个处理阶段（好氧、厌氧、好氧）的开始和结束时取样，样品在6000 rpm下离心30min，从而去除液体培养基中的微生物。上清液用于分析COD，NH4/NO3 N。N和P用标准方法（Merck-Spectroquant）和光谱测定。COD，，TS和TSS用标准方法(APHA 1998)。DO 和pH通过微电脑控制发酵罐（New Brunswick, Bioflo IIC）用微量电极一起测定。样品经0.45μm微空过滤膜过滤后在105℃下称重来测定生物量浓度(MLSS)。
结果与讨论：
营养的去除效果
图２总结了在每个SBR循环结束COD的去除效果。在不同的操作步骤下，COD的去除率在94% 和96%之间。在三步、四步和五步操作情况下COD的去除不同差别很小。三步操作在较短的操作时间７h下有利于COD的去除。
培养基中是含有NH4－N作为氮源。但是在好氧阶段NH4－N的硝化作用产生了NO3-N。因此，在最后的出水中，NH4-N和NO3-N非常重要。图２说明了在同的循环过程中三步、四步和五步操作中的去除效果。NH4-N去除率在90% 和92%之间。其中三步操作去除率接近92%，表明NH4-N的去除是最好的，因为7h的较低操作时间。
NO3-N的去除效果根据不同的操作时间和操作步骤而变化。这种变化在图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。这是因为NO3-N在第二个间氧操作中的反硝化作用。三步和四步操作只含有一个间氧的反硝化步骤，所以五步操作更利于NO3-N的去除。
图２中表述了PO4-P去除率的变化情况。结果表明在操作结束后，五步操作对去除率最高(57%)，原因是过多的Ｐ在第二个好氧操作阶段被降解。PO4-P的去除率在三步和四步操作中接近于50%。结果表明，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，在五步操作过程中NO3-N 和 PO4-P明显高于其他操作。虽然五步操作时间相对于其他操作较长，但是更有利，因为出水水质较低。
出水营养浓度：
为了达到满意的出水标准，最后操作的营养浓度标准及合适的操作更为重要。图３表明不同出水中的营养浓度。
表２中描述了各操作进水和出水中营养浓度和去除率。三步、四步和五步操作中出水COD浓度为28 mg L-1。明显的，四步操作的COD的去除率最低。三步和五步操作同样受到出水标准的限制。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的浓度(3.2 mg L-1)明显低于其他操作。因此，运用五步操作明显优于其它操作。
五步操作中的营养浓度数据：
五步操作在10.5-h中的营养浓度COD, NH4-N，NO3-N和PO4-P的数据见图４。COD浓度随着时间从632 mg L-1最后降到37 mg L-1。大多数COD是在最初的六小时期间降解的。最后两个操作过程中相对于COD，主要去除N和P。
NH4-N在最初的2.5 h (an和ax阶段)保持不变，在第一个好氧阶段由于同化和硝化作用而明显下降。NH4-N浓度在后两个过程中基本不变，操作在最后浓度为5.6 mg L-1。
COD, NH4-N，NO3-N不同变化，说明了不同操作中的变化趋势。NO3-N的降低是因为前两个阶段NO3-N的反硝化作用，但是在第一好氧阶段由于NH4-N的硝化作用而升高。在第二个间氧阶段，NO3-N的反硝化使得NO3-N浓度降到操作最后水平0.9 mg L-1。
P的去除主要在厌氧和间氧阶段去除，因此PO4-P在前两个操作阶段明显降低。但是在第一个和第二个好氧阶段有所上升。最后，PO4-P浓度接近于3.2 mg L-１低于比以前报道的7.4 mg L-１。
结论：
在运用不同SBR操作步骤来实现从模拟废水中去除营养。三步－(An/Ax/Ox)、四步- (An/Ox/
Ax/Ox) 五步 (An/Ax/Ox/Ax/Ox)操作在不同的操作时间下，并对其去除结果进行测定和比较。对COD和 NH4-N在不同的操作过程中进行比较，三步操作明显最好。这是因为大部分COD和 NH4-N在最初的三个步骤中去除的。但是，PO4-P和NO3-N的去除效果，五步操作高于其他操作。反硝化作用发生在第二个间氧阶段，多余的P是在第二个好氧阶段吸收，NO3-N和PO4-P在五步操作中明显高。最后，五步操作包括An/Ax/Ox/Ax/Ox阶段，操作时间分别为1/1.5/4/1.5/2 h，COD，NH4-N，NO3-N和PO4-P浓度降到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%。
参考文献：
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