SBR法處理垃圾滲濾液過程中DO、pH值變化規律
摘要：SBR工藝處理垃圾滲濾液,COD去除率接近80％;剩余氨氮濃度5mg/L，去除率高達96％，出水水質良好，處理效果穩定。試驗詳細研究了該工藝在去除有機物、硝化和反硝化過程中COD、NH3-N、DO、pH值的變化規律。結果表明，反應過程中DO、pH值均出現特征變化，這一變化特點可以間接指示有機物降解的程度。不同進水有機物濃度試驗也進一步驗證了DO、pH特征點的重現性，這對于實現 SBR 工藝的在線控制、保證出水水質和節能降耗具有重要意義。
關鍵詞：SBR；垃圾滲濾液； DO；pH
垃圾滲濾液是由城市生活垃圾填埋作業后濾出或垃圾分解以及因為降水等因素形成的一種成分復雜的高濃度有機廢水，環境危害極大[1]。SBR法用于滲濾液處理是近幾年應用較為普遍的一種生物法，具有曝氣、沉淀等各功能段運行時間調節方便、對不同水質水量廢水變化適應性強等特點。A/O型SBR工藝通過在原有好氧曝氣前強化缺氧攪拌，通過調節曝氣量在同一反應器內部形成缺氧、好氧、厭氧環境的交替變化，方便實現A/O工藝的硝化和反硝化功能，從而達到脫氮除磷效果[2~3]。本研究目的在于探討 A/O型SBR法在去除有機物、硝化和反硝化過程中COD、NH3-N等指標的變化規律，以及以DO和pH作為SBR 反應時間控制參數的可行性[4~6]。
1試驗材料與方法
1.1試驗裝置
試驗裝置如圖1所示，反應器總有效容積15L,采用壓縮空氣鼓風曝氣，用玻璃轉子流量計調節曝氣量。反應過程中在線檢測溫度、DO和pH值。反應器運行方式為：瞬間進水，缺氧攪拌，好氧曝氣，停機靜置，出水，閑置。
1.2廢水來源及水質
本試驗水樣取自某市垃圾填埋場滲濾液化學預處理出水，主要水質指標見表1。投加NaOH和HCl調節pH值，曝氣量恒定。
1.3試驗及分析方法
通過接種污泥，選擇間歇培養同步馴化的啟動方法，MLSS保持在5000mg/L左右，HRT=3d，SV =36，F/M為0.144 kgBOD5/kgMLVSS.d, 容積負荷（FV）為1.3～1.6 kgCOD/m3.d，溫度28℃～30℃。試驗維持進水氨氮濃度一定，首先考察一個反應周期中COD、NH3-N、DO、pH值的變化規律；然后模擬實際進水水質沖擊變化，進一步考察相關指標變化規律。各項水質指標的測定方法均采用標準水和廢水監測分析方法[7]。
2．試驗結果與分析
2.1 一個反應周期中COD、NH3-N、DO及pH值的變化規律
選擇進水氨氮濃度為126mg/L，pH=7，缺氧段DO濃度控制在0.2mg/L，好氧段曝氣量保持恒定，各指標變化如圖2、圖3。
COD及NH3-N濃度隨著缺氧攪拌，好氧曝氣反應的進行，整體濃度不斷下降，其中，COD在第360min（圖2 A點）去除率為75%，但我們發現在NH3-N濃度在缺氧攪拌階段中出現反彈上升（圖2 C點），這可能是由于在缺氧反硝化過程中亞硝酸鹽和硝酸鹽通過反硝化細菌將一部分NO2- 和NO3- 還原為NO、N2O、N2等物質，即異化作用；而另一部分NO2- 和NO3- 則又被還原成NH3-N供新細胞合成之用，氮成為細胞質的成分，此過程可稱為同化反硝化。因此，圖中C點對應時間也可粗略作為缺氧段反應時間，好氧段反應至480min附近（圖2 B點），NH3-N去除率達95.65%。
由圖3知，缺氧段反應開始后，DO濃度迅速降至0.3mg/L，并始終維持在0.2 mg/L，240min后進入好氧曝氣段，反應開始15min后，DO迅速升高至2.7mg/L，這是由于缺氧期反應器內的DO很低，反應開始時供氧速率遠遠大于異養菌的耗氧速率（OUR）所致。在COD去除過程中，DO緩慢下降，當COD降至難降解部分時（圖2 A點：第360min左右），DO也降至1.8mg/L（圖3 A點），在隨后15min內DO有一個明顯、迅速地上升至2.8mg/L，這可能是因為COD降解至難降解部分時，異養菌無法再大量攝取有機物，造成供氧大大高于異養菌OUR，所以會出現DO都迅速上升的現象。爾后，反應器內硝化菌開始大量的進行新陳代謝，開始進行硝化反應，其硝化速率隨著氨氮的降解不斷減小，所以耗氧速率小于供氧速率，DO不斷上升直至硝化結束。在硝化反應大致結束時（圖2 B點：第480min左右），DO又出現一次較為明顯的上升（圖3 B點），此后DO緩慢上升基本變化不大。DO出現第二次跳躍是由于自養菌去除氨氮的過程已經基本結束，自養菌的OUR也接近零，曝氣量恒定的條件下，供氧速率遠遠大于耗氧，使DO又一次迅速大幅上升。隨著DO濃度的增加氧轉移速率及供氧速率也逐漸隨之減小，當自養菌、異養菌內源呼吸的OUR與供氧速率相等時，DO濃度就又表現出新的平衡。
pH值反應過程中也呈現出一些變化特點，缺氧攪拌過程中pH值緩慢上升，是由于反硝化的過程中不斷地產生堿度，見式（1），（2）直至好氧反應開始，
NO2- + 3H（電子供體有機物）1/2N2 + H2O + OH- （1)
NO3- + 5H（電子供體有機物）1/2N2 +2H2O + OH-（2)
在COD降解過程中pH值由7.35不斷大幅度上升至第360min的8.26（圖3 A點），這是因為：①異養微生物對有機底物的分解代謝和合成代謝的結果都要形成CO2，CO2溶解在水中導致pH下降，但是曝氣不斷地將產生的CO2吹脫，這就引起了pH不斷地大幅上升；②好氧降解廢水中的有機酸引起pH的不斷上升。當COD降解停止時（圖2 A點），pH曲線開始不斷下降，這是因為硝化反應過程中產生了H+ 見式（3）。
NH4+ + 3/2 O2 NO2- + H2O + 2H+ （3)
pH的下降一直進行至第420min左右的7.85，此時硝化反應基本停止或結束（圖2 B點），然后pH會迅速上升，繼而維持不變或在硝化反應結束時就基本維持不變（圖3 B點）。pH迅速上升的原因是因為堿度含量大于硝化所需，曝氣吹脫了CO2；pH在硝化反應停止時基本變化不大，是因為堿度不足或沒有剩余。
以上可知，COD及NH3-N去除過程中的變化與DO及pH的變化時間上基本吻合呈現對應關系，并可作為攪拌、曝氣反應控制參考時間。
2.2不同進水COD對SBR反應的影響
試驗反應器初始進水NH3-N濃度不變，均為126 mg/L左右，改變進水COD濃度分別為2178.48 mg/L、1530.71 mg/L和889.95 mg/L，進水pH為中性，曝氣量保持恒定，其中進水COD = 889.95 mg/L時，缺氧攪拌為120 min。
隨著COD濃度的降低，反應時間明顯縮短（圖4），進水COD=1530.71mg/L，曝氣反應90min時，COD去除率即達72.10%。當進水COD=889.95 mg/L，缺氧攪拌減為120min，曝氣反應90min時，COD去除率已達76%。在SBR進水氨氮濃度保持不變條件下，COD濃度的增加只會相應地延長SBR的反應時間。
不同進水COD條件下，好氧段DO的變化規律（圖5）與前述（圖3）基本相同，可以看出，曝氣反應開始15 min左右時DO值有很大差別，COD濃度越高，DO值越低，二者有很好的相關性。在COD濃度為889.95 mg/L時，反應15 min左右DO值就升到4.2 mg/L；而COD濃度為2171.48 mg/L時，反應15 min時的DO值僅為2.7 mg/L。隨著進水COD的增加，DO第一個跳躍點的出現時間分別為曝氣后的第45，75和120 min，DO第二個跳躍點出現的時間分別為第75，135和240min。由此可以看出，進水COD越大，系統硝化反應進行得越緩慢。原水的C/N不能過大，因為自養菌比異養菌的比增長速率小一個數量級以上，而且異養菌和自養菌的產率不同以及它們在反應器中競爭底物和溶解氧，對自養菌的生長產生抑制。COD越大，異養菌生長的越快，自養菌所占的比例就越小，所以硝化反應進行充分的時間就越長。
pH值在不同進水COD條件下的變化規律（圖6）也與前述（圖3）基本相同，好氧曝氣段也出現了2個轉折點，只是隨著COD濃度的增加第一個轉折點出現的時間分別為35，65和120 min，表明水中大部分COD降解完成；第二個轉折點出現的時間分別為65，130和230 min。上述變化規律與DO出現時間呈現較為吻合。不同COD質量濃度下pH變化有所不同，COD質量濃度越大，反應初期pH下降越低，波動得越厲害；當到COD緩慢降解階段時，pH上升的速度也越快。
3結 論
（1）采用SBR法處理垃圾滲濾液，剩余COD濃度維持在450mg/L左右，去除率接近80%；剩余氨氮濃度5mg/L，去除率高達96%，反應出水水質透明，效果穩定。
（2）反應過程中COD、NH3-N與DO、pH值均呈對應變化，其中DO和pH出現了2次跳躍：有機物大部分去除結束時DO第一次躍升，在硝化反應結束時，DO出現第二次跳躍，并緩慢維持恒定；同時，在有機物去除過程中pH呈現大幅上升的現象，當有機物大部分去除結束時pH停止上升，隨著硝化反應的進行pH不斷下降直至反應結束，然后pH突然快速上升或維持不變。DO和pH值的這一變化特點可以間接指示有機物降解的程度。
（3）不同進水有機物濃度試驗也驗證了DO、pH特征點的重現性，同樣可作為SBR法去除有機物、硝化和反硝化進程的模糊控制參數。這對于實現 SBR 工藝的在線控制、保證出水水質和節約能耗具有重要意義。
參考文獻
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