SBR法处理垃圾渗滤液过程中DO、pH值变化规律
摘要：SBR工艺处理垃圾渗滤液,COD去除率接近80％;剩余氨氮浓度5mg/L，去除率高达96％，出水水质良好，处理效果稳定。试验详细研究了该工艺在去除有机物、硝化和反硝化过程中COD、NH3-N、DO、pH值的变化规律。结果表明，反应过程中DO、pH值均出现特征变化，这一变化特点可以间接指示有机物降解的程度。不同进水有机物浓度试验也进一步验证了DO、pH特征点的重现性，这对于实现 SBR 工艺的在线控制、保证出水水质和节能降耗具有重要意义。
关键词：SBR；垃圾渗滤液； DO；pH
垃圾渗滤液是由城市生活垃圾填埋作业后滤出或垃圾分解以及因为降水等因素形成的一种成分复杂的高浓度有机废水，环境危害极大[1]。SBR法用于渗滤液处理是近几年应用较为普遍的一种生物法，具有曝气、沉淀等各功能段运行时间调节方便、对不同水质水量废水变化适应性强等特点。A/O型SBR工艺通过在原有好氧曝气前强化缺氧搅拌，通过调节曝气量在同一反应器内部形成缺氧、好氧、厌氧环境的交替变化，方便实现A/O工艺的硝化和反硝化功能，从而达到脱氮除磷效果[2~3]。本研究目的在于探讨 A/O型SBR法在去除有机物、硝化和反硝化过程中COD、NH3-N等指标的变化规律，以及以DO和pH作为SBR 反应时间控制参数的可行性[4~6]。
1试验材料与方法
1.1试验装置
试验装置如图1所示，反应器总有效容积15L,采用压缩空气鼓风曝气，用玻璃转子流量计调节曝气量。反应过程中在线检测温度、DO和pH值。反应器运行方式为：瞬间进水，缺氧搅拌，好氧曝气，停机静置，出水，闲置。
1.2废水来源及水质
本试验水样取自某市垃圾填埋场渗滤液化学预处理出水，主要水质指标见表1。投加NaOH和HCl调节pH值，曝气量恒定。
1.3试验及分析方法
通过接种污泥，选择间歇培养同步驯化的启动方法，MLSS保持在5000mg/L左右，HRT=3d，SV =36，F/M为0.144 kgBOD5/kgMLVSS.d, 容积负荷（FV）为1.3～1.6 kgCOD/m3.d，温度28℃～30℃。试验维持进水氨氮浓度一定，首先考察一个反应周期中COD、NH3-N、DO、pH值的变化规律；然后模拟实际进水水质冲击变化，进一步考察相关指标变化规律。各项水质指标的测定方法均采用标准水和废水监测分析方法[7]。
2．试验结果与分析
2.1 一个反应周期中COD、NH3-N、DO及pH值的变化规律
选择进水氨氮浓度为126mg/L，pH=7，缺氧段DO浓度控制在0.2mg/L，好氧段曝气量保持恒定，各指标变化如图2、图3。
COD及NH3-N浓度随着缺氧搅拌，好氧曝气反应的进行，整体浓度不断下降，其中，COD在第360min（图2 A点）去除率为75%，但我们发现在NH3-N浓度在缺氧搅拌阶段中出现反弹上升（图2 C点），这可能是由于在缺氧反硝化过程中亚硝酸盐和硝酸盐通过反硝化细菌将一部分NO2- 和NO3- 还原为NO、N2O、N2等物质，即异化作用；而另一部分NO2- 和NO3- 则又被还原成NH3-N供新细胞合成之用，氮成为细胞质的成分，此过程可称为同化反硝化。因此，图中C点对应时间也可粗略作为缺氧段反应时间，好氧段反应至480min附近（图2 B点），NH3-N去除率达95.65%。
由图3知，缺氧段反应开始后，DO浓度迅速降至0.3mg/L，并始终维持在0.2 mg/L，240min后进入好氧曝气段，反应开始15min后，DO迅速升高至2.7mg/L，这是由于缺氧期反应器内的DO很低，反应开始时供氧速率远远大于异养菌的耗氧速率（OUR）所致。在COD去除过程中，DO缓慢下降，当COD降至难降解部分时（图2 A点：第360min左右），DO也降至1.8mg/L（图3 A点），在随后15min内DO有一个明显、迅速地上升至2.8mg/L，这可能是因为COD降解至难降解部分时，异养菌无法再大量摄取有机物，造成供氧大大高于异养菌OUR，所以会出现DO都迅速上升的现象。尔后，反应器内硝化菌开始大量的进行新陈代谢，开始进行硝化反应，其硝化速率随着氨氮的降解不断减小，所以耗氧速率小于供氧速率，DO不断上升直至硝化结束。在硝化反应大致结束时（图2 B点：第480min左右），DO又出现一次较为明显的上升（图3 B点），此后DO缓慢上升基本变化不大。DO出现第二次跳跃是由于自养菌去除氨氮的过程已经基本结束，自养菌的OUR也接近零，曝气量恒定的条件下，供氧速率远远大于耗氧，使DO又一次迅速大幅上升。随着DO浓度的增加氧转移速率及供氧速率也逐渐随之减小，当自养菌、异养菌内源呼吸的OUR与供氧速率相等时，DO浓度就又表现出新的平衡。
pH值反应过程中也呈现出一些变化特点，缺氧搅拌过程中pH值缓慢上升，是由于反硝化的过程中不断地产生碱度，见式（1），（2）直至好氧反应开始，
NO2- + 3H（电子供体有机物）1/2N2 + H2O + OH- （1)
NO3- + 5H（电子供体有机物）1/2N2 +2H2O + OH-（2)
在COD降解过程中pH值由7.35不断大幅度上升至第360min的8.26（图3 A点），这是因为：①异养微生物对有机底物的分解代谢和合成代谢的结果都要形成CO2，CO2溶解在水中导致pH下降，但是曝气不断地将产生的CO2吹脱，这就引起了pH不断地大幅上升；②好氧降解废水中的有机酸引起pH的不断上升。当COD降解停止时（图2 A点），pH曲线开始不断下降，这是因为硝化反应过程中产生了H+ 见式（3）。
NH4+ + 3/2 O2 NO2- + H2O + 2H+ （3)
pH的下降一直进行至第420min左右的7.85，此时硝化反应基本停止或结束（图2 B点），然后pH会迅速上升，继而维持不变或在硝化反应结束时就基本维持不变（图3 B点）。pH迅速上升的原因是因为碱度含量大于硝化所需，曝气吹脱了CO2；pH在硝化反应停止时基本变化不大，是因为碱度不足或没有剩余。
以上可知，COD及NH3-N去除过程中的变化与DO及pH的变化时间上基本吻合呈现对应关系，并可作为搅拌、曝气反应控制参考时间。
2.2不同进水COD对SBR反应的影响
试验反应器初始进水NH3-N浓度不变，均为126 mg/L左右，改变进水COD浓度分别为2178.48 mg/L、1530.71 mg/L和889.95 mg/L，进水pH为中性，曝气量保持恒定，其中进水COD = 889.95 mg/L时，缺氧搅拌为120 min。
随着COD浓度的降低，反应时间明显缩短（图4），进水COD=1530.71mg/L，曝气反应90min时，COD去除率即达72.10%。当进水COD=889.95 mg/L，缺氧搅拌减为120min，曝气反应90min时，COD去除率已达76%。在SBR进水氨氮浓度保持不变条件下，COD浓度的增加只会相应地延长SBR的反应时间。
不同进水COD条件下，好氧段DO的变化规律（图5）与前述（图3）基本相同，可以看出，曝气反应开始15 min左右时DO值有很大差别，COD浓度越高，DO值越低，二者有很好的相关性。在COD浓度为889.95 mg/L时，反应15 min左右DO值就升到4.2 mg/L；而COD浓度为2171.48 mg/L时，反应15 min时的DO值仅为2.7 mg/L。随着进水COD的增加，DO第一个跳跃点的出现时间分别为曝气后的第45，75和120 min，DO第二个跳跃点出现的时间分别为第75，135和240min。由此可以看出，进水COD越大，系统硝化反应进行得越缓慢。原水的C/N不能过大，因为自养菌比异养菌的比增长速率小一个数量级以上，而且异养菌和自养菌的产率不同以及它们在反应器中竞争底物和溶解氧，对自养菌的生长产生抑制。COD越大，异养菌生长的越快，自养菌所占的比例就越小，所以硝化反应进行充分的时间就越长。
pH值在不同进水COD条件下的变化规律（图6）也与前述（图3）基本相同，好氧曝气段也出现了2个转折点，只是随着COD浓度的增加第一个转折点出现的时间分别为35，65和120 min，表明水中大部分COD降解完成；第二个转折点出现的时间分别为65，130和230 min。上述变化规律与DO出现时间呈现较为吻合。不同COD质量浓度下pH变化有所不同，COD质量浓度越大，反应初期pH下降越低，波动得越厉害；当到COD缓慢降解阶段时，pH上升的速度也越快。
3结 论
（1）采用SBR法处理垃圾渗滤液，剩余COD浓度维持在450mg/L左右，去除率接近80%；剩余氨氮浓度5mg/L，去除率高达96%，反应出水水质透明，效果稳定。
（2）反应过程中COD、NH3-N与DO、pH值均呈对应变化，其中DO和pH出现了2次跳跃：有机物大部分去除结束时DO第一次跃升，在硝化反应结束时，DO出现第二次跳跃，并缓慢维持恒定；同时，在有机物去除过程中pH呈现大幅上升的现象，当有机物大部分去除结束时pH停止上升，随着硝化反应的进行pH不断下降直至反应结束，然后pH突然快速上升或维持不变。DO和pH值的这一变化特点可以间接指示有机物降解的程度。
（3）不同进水有机物浓度试验也验证了DO、pH特征点的重现性，同样可作为SBR法去除有机物、硝化和反硝化进程的模糊控制参数。这对于实现 SBR 工艺的在线控制、保证出水水质和节约能耗具有重要意义。
参考文献
[1] 孟了, 熊向陨等. 我国垃圾渗滤液处理现状及存在问题[ J ]. 给水排水, 2003, 29 (10): 26～29
[2] Rodrigues Ana C, Antonio G Brio, etal. Posttreatment of a brewery wastewater using a sequencing batch reactor. [ J ]. Water Environment Research, 2001, 73(1): 45～51
[3] 王小虎, 胡春莲等. SBR法处理垃圾渗滤液试验研究[ J ]. 环境卫生工程, 2000, 8(4): 147~150
[4] 曾薇, 彭永臻等. 以DO、ORP、pH作为两段SBR工艺的实时控制参数 [ J ]. 环境科学学报, 2003, 23(2): 252~256
[5] Stefan M, Michael S, etal. A self adaptive computer-based pH measurement and fuzzy-control system [ J ]. Water Research, 1996(4): 981~991
[6] E Paul, S Plisson-Saune, etal. Process State Evaluation of Alternating Oxic-Anoxic Activated Sludge Using ORP, pH And DO [ J ]. Wat Sci Tech, 1998, 38(3): 299~306
[7] 国家环保局. 水和废水监测分析方法(第三版) [ M ].北京:中国环境科学出版社,1989.246～286
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