厭氧與缺氧/好氧交替式SBR處理印染廢水

我國紡織業(yè)印染廢水排放量大、綜合處理成本高。印染廢水水質與印染工序(包括退漿、煮練、漂洗、染色、印花與整理等)密切相關，成分復雜(包含漿料、染料、助劑、表面活性劑等)、色度高、COD較高(一般為1000~3000mg/L)且可生化降解性較低，另外含氮染料和助劑的廣泛使用造成廢水含氮量較高(氨氮可達50mg/L、總氮可達70mg/L)。而現(xiàn)行印染廢水直間接排放標準COD、氨氮、總氮、總磷的限值分別為80/200、10/20、15/30、0.5/1.5mg/L，因此印染廢水處理難度較大、處理成本較。

序批式反應器(SBR)具有時間上推流、空間上完全混合的特點，沉淀性能好、處理效率高、便于自動化運行調控，可以運行單獨或組合的厭氧、缺氧和好氧工藝，非常適合中小規(guī)模工業(yè)廢水處理。厭氧污泥相比好(兼)氧污泥具備更強的色度去除潛力，而好(兼)氧污泥可以實現(xiàn)厭氧污泥不具備的脫氮除磷功能，因此厭氧-好氧組合工藝在印染廢水處理方面有一定的潛在優(yōu)勢。本研究利用厭氧與缺氧/好氧交替式SBR的組合工藝處理含氮量較高的際印染廢水，考察不同運行條件下的處理效果，為組合工藝的推廣應用提供技術支持。

1、材料與方法

1.1 印染廢水與接種污泥

試驗用廢水取自中山市某印染廢水處理廠調節(jié)池，顏色呈紅黑色，水質指標：COD為(950±50)mg/L、總氮為(47±2)mg/L、總磷為(2.0±0.2)mg/L、氨氮為(10±2)mg/L、色度為(625±20)倍、pH為9.2±0.2、懸浮物(580±25)mg/L。厭氧SBR接種污泥取自中山市某有機廢物處理廠消化池出料口，缺氧/好氧交替式SBR接種污泥取自中山市某印染廢水處理廠好氧池。

1.2 SBR裝置及其運行方法

本研究采用的厭氧SBR和缺氧/好氧交替式SBR裝置見圖1。

厭氧SBR裝置主要由機械攪拌反應器、自動控制系統(tǒng)、進出水系統(tǒng)構成。反應器有效容積為4L，通過自動控制系統(tǒng)控制pH為7±0.1、溫度為(35±0.5)℃、攪拌速度為(300±2)r/min。周期運行模式為進水0.65h、反應20h、沉淀2h、排水0.65h、待機0.7h。初始污泥質量濃度為4g/L，水力停留時間為48h，系統(tǒng)進水為實際印染廢水，共運行了50d。

缺氧/好氧交替式SBR裝置主要由機械攪拌反應器、曝氣系統(tǒng)、進出水系統(tǒng)構成。反應器有效容積為1.5L，pH為6.9~7.6、攪拌速度為25r/min、溫度為20~25℃。周期運行模式為進水6min、反應23h、沉淀0.5h、排水10min、待機14min。反應期間，控制曝氣使反應器呈現(xiàn)缺(厭)氧→好氧→缺(厭)氧→好氧狀態(tài)運行，好氧段的溶解氧控制在2mg/L以上，缺(厭)氧段的溶解氧在0.5mg/L以下。初始污泥質量濃度為3.2g/L，水力停留時間為36h，污泥停留時間為50d，系統(tǒng)進水為厭氧SBR穩(wěn)定運行期出水。

缺氧/好氧交替式SBR試驗分兩階段進行。第一階段采用分段進水方式，即分別在第一和第二缺(厭)氧段初期進水，按時間順序設置了4個第一、二段進水量工況I~IV。在工況I中通過隨反應歷時取樣測定氨氮和硝酸鹽氮的實時變化數(shù)據(jù)，設定了各段反應時長：第一缺(厭)氧段7.5h→第一好氧段6h→第二缺(厭)氧段5.5h→第二好氧段4h；第二階段考察外加碳源(葡萄糖)的強化脫氮效果，在第一缺(厭)氧段初期進水(即工況I)，在第二缺(厭)氧段開始30min(利用這段時間在第一好氧段結束時取樣檢測出反應器中硝酸鹽氮濃度，再根據(jù)硝酸鹽氮濃度確定葡萄糖投加量，同時也避免第一好氧段結束后殘留在水中的溶解氧對葡萄糖投加的不利影響)后投加葡萄糖。葡萄糖的理論投加量按照硝酸鹽氮作為電子受體、葡萄糖碳作為電子供體的式(1)、式(2)進行計算，按時間順序設定了4個實際投加量與理論投加量之比(簡稱碳源投加比)的試驗工況V~VIⅧ。

式中：M一一葡萄糖投加量，mg；

V--反應器有效容積，L；

C--硝酸鹽氮質量濃度，mg/L；

M一-葡萄糖相對分子質量(180)；

M一葡萄糖中碳的相對原子質量(72)。

各運行工況見表1。

1.3 分析測試方法

試驗期間水質與污泥樣品的分析均采用標準方法：COD采用重鉻酸鉀氧化-硫酸亞鐵銨滴定法測定；總氮采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定；總磷采用過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法測定；氨氮采用納氏分光光度法測定；硝酸鹽氮采用麝香草酚分光光度法測定；pH和溶解氧采用電極法測定；色度采用稀釋目視比色法測定；污泥濃度采用灼燒稱重法測定。

2、結果與討論

2.1 厭氧SBR處理效果

厭氧SBR共運行50d，穩(wěn)定運行期間的出水COD、氨氮、總氮、總磷、色度分別為(237±25)mg/L、(17±2)mg/L、(38±3)mg/L、(1.7±0.2)mg/L、(35±5)倍，相應去除率分別為75%±3%、-80%±20%(即氨氮增加)、19%±6%、15%±10%、94%±1%。厭氧SBR對色度和COD的高去除率表明厭氧微生物的良好脫色活性和有機物降解效果。出水氨氮濃度升高可能主要從含氮染料脫色過程中偶氮基團轉化而來。由于厭氧微生物增殖速率緩慢，同化作用攝取氮磷的效果很低。厭氧SBR出水除色度外，其他指標均不滿足印染廢水直接排放標準，需要進一步處理。

2.2 缺氧/好氧交替式SBR分段進水工況的處理效果

分段進水工況條件下缺氧/好氧交替式SBR的COD去除效果見圖2。

由圖2可知，工況I、II、I、IV出水平均COD分別為76.6、74.72.6.82.3mg/L，COD平均去除率分別為67.7%、68.8%、69.4%、65.2%。工況I、ⅡI和III期間出水COD都低于80mg/L，滿足印染廢水直接排放標準。僅在工況IV期間出水COD略高于80mg/L，這是因為工況IV期間第二段缺(厭)氧初期進水量較大導致該部分進水在反應器中的停留時間較短所致。尉笑等采用分段進水的SBR處理印染廢水，也發(fā)現(xiàn)當末段進水比例較高時出現(xiàn)因停留時間不足導致出水COD升高的現(xiàn)象。

分段進水工況條件下缺氧/好氧交替式SBR的氮轉化去除效果見圖3。

由圖3可知，工況I、II、ⅢI、IV出水平均氨氮和總氮分別為1.1mg/L和35.6mg/L、0.7mg/L和30.4mg/L、1.7mg/L和30.9mg/L、1.2mg/L和32.6mg/L，氨氮和總氮平均去除率分別為93.4%和8.1%、95.9%和21.2%、89.4%和16.9%、91.5%和11.2%。各工況的出水氨氮都低于5mg/L，尤其工況ⅡI出水氨氮穩(wěn)定低于2mg/L，顯著低于印染廢水直接排放標準(10mg/L)。工況ⅡI中出水硝酸鹽氮最低，與工況I相比明顯降低，體現(xiàn)了分段進水補充反硝化碳源的效果。隨著工況IⅢI、IV第二段進水比例的提高，第二段進水中氨氮影響逐步顯現(xiàn)，導致出水硝酸鹽氮逐步升高。出水總氮的變化趨勢與硝酸鹽氮一致，最佳處理效果在工況II期間，但最高去除率僅為22.6%，最低出水總氮質量濃度也高達29.5mg/L，遠高于印染廢水直接排放標準(15mg/L)。從總氮的平衡來看，出水中氨氮、硝酸鹽氮分別占比約1%~9.8%、62%~82.9%，因此反硝化不足是造成總氮去除率較低的主要原因。盡管分段進水能補充部分反硝化碳源，但普通異養(yǎng)菌與反硝化菌的碳源競爭導致反硝化碳源仍然不足。

分段進水工況條件下缺氧好氧交替式SBR的總磷去除效果見圖4。

由圖4可知，工況I、Ⅱ、Ⅲ、IV出水平均總磷分別為0.51.0.29、0.37、0.5mg/L，總磷平均去除率分別為70.6%、82.5%、77.7%、71.2%。出水總磷變化趨勢與硝酸鹽氮基本一致，在工況Ⅱ、IⅢI中低于0.5mg/L，滿足印染廢水直接排放標準。工況I和IV中出水硝酸鹽氮較高，導致下一周期第一缺(厭)氧段中存在反硝化菌與除磷菌的碳源競爭，除磷菌的釋磷過程受到抑制，進而總磷去除效果偏低，出水中總磷質量濃度高于0.5mg/L。

2.3 缺氧/好氧交替式SBR外加碳源的處理效果

外加碳源工況條件下缺氧/好氧交替式SBR的COD去除效果見圖5。

由圖5可知，工況V、VI、VII、VI出水平均COD分別為90.8、79、72.3、66.3mg/L，COD平均去除率分別為61.7%、66.7%、69.5%、72%。各工況出水平均COD隨實際與理論葡萄糖投加量之比降低(4→1)而降低(90mg/L→68mg/L)，主要因為隨著葡萄糖投加量降低，相應地因投加葡萄糖而剌激產(chǎn)生的微生物代謝產(chǎn)物也會降低(表現(xiàn)為COD隨之降低)。各工況廢水COD平均去除率隨實際與理論葡萄糖投加量之比降低(4→1)而略有上升(61.7%→72.1%)。當實際與理論葡萄糖投加量之比為3.2、1時，出水COD都能夠滿足印染廢水直接排放標準(80mg/L)。

外加碳源工況條件下缺氧/好氧交替式SBR的氮轉化去除效果見圖6。

由于受試驗條件限制，雖然每一工況的運行時間偏短，但各工況的第3、4d出水中硝酸鹽氮和總氮已經(jīng)基本穩(wěn)定。由圖6可知，工況V、VI、VI和VⅧ出水平均氨氮和總氮分別為0.5mg/L和9.3mg/L、0.4mg/L和13.5mg/L、0.6mg/L和18.6mg/L、0.7mg/L和23.9mg/L，氨氮和總氮平均去除率分別為96.1%和74%、96.9%和62.4%、95.3%和48.3%、95%和32.8%。各工況出水氨氮平均僅為0.6mg/L，遠低于印染廢水直接排放標準(10mg/L)，顯示硝化效果良好。各工況出水硝酸鹽氮穩(wěn)定值隨實際與理論葡萄糖投加量之比降低(4→1)而升高(0.1→15.2mg/L)，顯示葡萄糖投加量越大第二缺(厭)氧段反硝化越充分。各工況出水總氮穩(wěn)定值隨實際與理論葡萄糖投加量之比降低(4→1)而升高(8.9→24.4mg/L)，當實際與理論葡萄糖投加量之比為3.4時，出水總氮低于15mg/L，滿足印染廢水直接排放標準(15mg/L)。

外加碳源工況條件下缺氧/好氧交替式SBR的總磷去除效果見圖7。

由圖7可知，工況V、VI、VII、VⅧ出水平均總磷分別為0.06.0.14.0.24.0.28mg/L，總磷平均去除率分別為96.5%、91.2%、85.6%、83.9%。在各工況條件下，出水總磷均小于0.4mg/L，平均值僅為0.18mg/L，滿足印染廢水直接排放標準(0.5mg/L)。與分段進水工況相比，硝酸鹽氮大幅降低解除了第一缺(厭)氧段的除磷菌釋磷抑制，總磷去除效果得以顯著提高。綜合來看，實際與理論葡萄糖投加量之比為3時，出水平均COD、氨氮、總氮、總磷分別為79、0.4、13.5、0.14mg/L，均滿足印染廢水直接排放標準。從實際應用角度來看，該外加碳源投加量仍然是偏高的，進一步研究充分利用印染廢水原有碳源的措施是非常必要的，比如縮短厭氧SBR的水力停留時間或者改變厭氧SBR為水解酸化SBR，使得更多廢水原有碳源進入缺氧/好氧交替式SBR從而補充反硝化所需碳源。

3、結論

(1)在水力停留時間為48h的條件下，厭氧SBR處理印染廢水的平均COD去除率為75%，出水平均COD為237mg/L；色度去除率達94%，出水平均色度為35倍。

(2)缺氧/好氧交替式SBR處理厭氧SBR出水的分段進水模式下，第一、二缺(厭)氧段進水分配比為800mL：200mL時，出水平均COD為74mg/L、氨氮為0.7mg/L、總磷為0.29mg/L滿足印染廢水直接排放標準，但出水總氮較高(29.5mg/L)，超過排放標準。反硝化碳源不足是總氮去除率偏低的主要原因。

(3)缺氧/好氧SBR處理厭氧SBR出水的外加葡萄糖碳源模式下，當實際與理論投加量之比為3時處理效果最佳，出水平均COD為79mg/L、氨氮為0.4mg/L、總氮為13.5mg/L、總磷為0.14mg/L，均滿足印染廢水直接排放標準。（來源：廣州大學土木工程學院市政工程系，珠江三角洲水質安全與保護教育部重點實驗室，中山市民東有機廢物處理有限公司，廣東新大禹環(huán)境科技股份有限公司）