厌氧与缺氧/好氧交替式SBR处理印染废水

我国纺织业印染废水排放量大、综合处理成本高。印染废水水质与印染工序(包括退浆、煮练、漂洗、染色、印花与整理等)密切相关，成分复杂(包含浆料、染料、助剂、表面活性剂等)、色度高、COD较高(一般为1000~3000mg/L)且可生化降解性较低，另外含氮染料和助剂的广泛使用造成废水含氮量较高(氨氮可达50mg/L、总氮可达70mg/L)。而现行印染废水直间接排放标准COD、氨氮、总氮、总磷的限值分别为80/200、10/20、15/30、0.5/1.5mg/L，因此印染废水处理难度较大、处理成本较。

序批式反应器(SBR)具有时间上推流、空间上完全混合的特点，沉淀性能好、处理效率高、便于自动化运行调控，可以运行单独或组合的厌氧、缺氧和好氧工艺，非常适合中小规模工业废水处理。厌氧污泥相比好(兼)氧污泥具备更强的色度去除潜力，而好(兼)氧污泥可以实现厌氧污泥不具备的脱氮除磷功能，因此厌氧-好氧组合工艺在印染废水处理方面有一定的潜在优势。本研究利用厌氧与缺氧/好氧交替式SBR的组合工艺处理含氮量较高的际印染废水，考察不同运行条件下的处理效果，为组合工艺的推广应用提供技术支持。

1、材料与方法

1.1 印染废水与接种污泥

试验用废水取自中山市某印染废水处理厂调节池，颜色呈红黑色，水质指标：COD为(950±50)mg/L、总氮为(47±2)mg/L、总磷为(2.0±0.2)mg/L、氨氮为(10±2)mg/L、色度为(625±20)倍、pH为9.2±0.2、悬浮物(580±25)mg/L。厌氧SBR接种污泥取自中山市某有机废物处理厂消化池出料口，缺氧/好氧交替式SBR接种污泥取自中山市某印染废水处理厂好氧池。

1.2 SBR装置及其运行方法

本研究采用的厌氧SBR和缺氧/好氧交替式SBR装置见图1。

厌氧SBR装置主要由机械搅拌反应器、自动控制系统、进出水系统构成。反应器有效容积为4L，通过自动控制系统控制pH为7±0.1、温度为(35±0.5)℃、搅拌速度为(300±2)r/min。周期运行模式为进水0.65h、反应20h、沉淀2h、排水0.65h、待机0.7h。初始污泥质量浓度为4g/L，水力停留时间为48h，系统进水为实际印染废水，共运行了50d。

缺氧/好氧交替式SBR装置主要由机械搅拌反应器、曝气系统、进出水系统构成。反应器有效容积为1.5L，pH为6.9~7.6、搅拌速度为25r/min、温度为20~25℃。周期运行模式为进水6min、反应23h、沉淀0.5h、排水10min、待机14min。反应期间，控制曝气使反应器呈现缺(厌)氧→好氧→缺(厌)氧→好氧状态运行，好氧段的溶解氧控制在2mg/L以上，缺(厌)氧段的溶解氧在0.5mg/L以下。初始污泥质量浓度为3.2g/L，水力停留时间为36h，污泥停留时间为50d，系统进水为厌氧SBR稳定运行期出水。

缺氧/好氧交替式SBR试验分两阶段进行。第一阶段采用分段进水方式，即分别在第一和第二缺(厌)氧段初期进水，按时间顺序设置了4个第一、二段进水量工况I~IV。在工况I中通过随反应历时取样测定氨氮和硝酸盐氮的实时变化数据，设定了各段反应时长：第一缺(厌)氧段7.5h→第一好氧段6h→第二缺(厌)氧段5.5h→第二好氧段4h；第二阶段考察外加碳源(葡萄糖)的强化脱氮效果，在第一缺(厌)氧段初期进水(即工况I)，在第二缺(厌)氧段开始30min(利用这段时间在第一好氧段结束时取样检测出反应器中硝酸盐氮浓度，再根据硝酸盐氮浓度确定葡萄糖投加量，同时也避免第一好氧段结束后残留在水中的溶解氧对葡萄糖投加的不利影响)后投加葡萄糖。葡萄糖的理论投加量按照硝酸盐氮作为电子受体、葡萄糖碳作为电子供体的式(1)、式(2)进行计算，按时间顺序设定了4个实际投加量与理论投加量之比(简称碳源投加比)的试验工况V~VIⅧ。

式中：M一一葡萄糖投加量，mg；

V--反应器有效容积，L；

C--硝酸盐氮质量浓度，mg/L；

M一-葡萄糖相对分子质量(180)；

M一葡萄糖中碳的相对原子质量(72)。

各运行工况见表1。

1.3 分析测试方法

试验期间水质与污泥样品的分析均采用标准方法：COD采用重铬酸钾氧化-硫酸亚铁铵滴定法测定；总氮采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定；总磷采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法测定；氨氮采用纳氏分光光度法测定；硝酸盐氮采用麝香草酚分光光度法测定；pH和溶解氧采用电极法测定；色度采用稀释目视比色法测定；污泥浓度采用灼烧称重法测定。

2、结果与讨论

2.1 厌氧SBR处理效果

厌氧SBR共运行50d，稳定运行期间的出水COD、氨氮、总氮、总磷、色度分别为(237±25)mg/L、(17±2)mg/L、(38±3)mg/L、(1.7±0.2)mg/L、(35±5)倍，相应去除率分别为75%±3%、-80%±20%(即氨氮增加)、19%±6%、15%±10%、94%±1%。厌氧SBR对色度和COD的高去除率表明厌氧微生物的良好脱色活性和有机物降解效果。出水氨氮浓度升高可能主要从含氮染料脱色过程中偶氮基团转化而来。由于厌氧微生物增殖速率缓慢，同化作用摄取氮磷的效果很低。厌氧SBR出水除色度外，其他指标均不满足印染废水直接排放标准，需要进一步处理。

2.2 缺氧/好氧交替式SBR分段进水工况的处理效果

分段进水工况条件下缺氧/好氧交替式SBR的COD去除效果见图2。

由图2可知，工况I、II、I、IV出水平均COD分别为76.6、74.72.6.82.3mg/L，COD平均去除率分别为67.7%、68.8%、69.4%、65.2%。工况I、ⅡI和III期间出水COD都低于80mg/L，满足印染废水直接排放标准。仅在工况IV期间出水COD略高于80mg/L，这是因为工况IV期间第二段缺(厌)氧初期进水量较大导致该部分进水在反应器中的停留时间较短所致。尉笑等采用分段进水的SBR处理印染废水，也发现当末段进水比例较高时出现因停留时间不足导致出水COD升高的现象。

分段进水工况条件下缺氧/好氧交替式SBR的氮转化去除效果见图3。

由图3可知，工况I、II、ⅢI、IV出水平均氨氮和总氮分别为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，氨氮和总氮平均去除率分别为93.4%和8.1%、95.9%和21.2%、89.4%和16.9%、91.5%和11.2%。各工况的出水氨氮都低于5mg/L，尤其工况ⅡI出水氨氮稳定低于2mg/L，显著低于印染废水直接排放标准(10mg/L)。工况ⅡI中出水硝酸盐氮最低，与工况I相比明显降低，体现了分段进水补充反硝化碳源的效果。随着工况IⅢI、IV第二段进水比例的提高，第二段进水中氨氮影响逐步显现，导致出水硝酸盐氮逐步升高。出水总氮的变化趋势与硝酸盐氮一致，最佳处理效果在工况II期间，但最高去除率仅为22.6%，最低出水总氮质量浓度也高达29.5mg/L，远高于印染废水直接排放标准(15mg/L)。从总氮的平衡来看，出水中氨氮、硝酸盐氮分别占比约1%~9.8%、62%~82.9%，因此反硝化不足是造成总氮去除率较低的主要原因。尽管分段进水能补充部分反硝化碳源，但普通异养菌与反硝化菌的碳源竞争导致反硝化碳源仍然不足。

分段进水工况条件下缺氧好氧交替式SBR的总磷去除效果见图4。

由图4可知，工况I、Ⅱ、Ⅲ、IV出水平均总磷分别为0.51.0.29、0.37、0.5mg/L，总磷平均去除率分别为70.6%、82.5%、77.7%、71.2%。出水总磷变化趋势与硝酸盐氮基本一致，在工况Ⅱ、IⅢI中低于0.5mg/L，满足印染废水直接排放标准。工况I和IV中出水硝酸盐氮较高，导致下一周期第一缺(厌)氧段中存在反硝化菌与除磷菌的碳源竞争，除磷菌的释磷过程受到抑制，进而总磷去除效果偏低，出水中总磷质量浓度高于0.5mg/L。

2.3 缺氧/好氧交替式SBR外加碳源的处理效果

外加碳源工况条件下缺氧/好氧交替式SBR的COD去除效果见图5。

由图5可知，工况V、VI、VII、VI出水平均COD分别为90.8、79、72.3、66.3mg/L，COD平均去除率分别为61.7%、66.7%、69.5%、72%。各工况出水平均COD随实际与理论葡萄糖投加量之比降低(4→1)而降低(90mg/L→68mg/L)，主要因为随着葡萄糖投加量降低，相应地因投加葡萄糖而剌激产生的微生物代谢产物也会降低(表现为COD随之降低)。各工况废水COD平均去除率随实际与理论葡萄糖投加量之比降低(4→1)而略有上升(61.7%→72.1%)。当实际与理论葡萄糖投加量之比为3.2、1时，出水COD都能够满足印染废水直接排放标准(80mg/L)。

外加碳源工况条件下缺氧/好氧交替式SBR的氮转化去除效果见图6。

由于受试验条件限制，虽然每一工况的运行时间偏短，但各工况的第3、4d出水中硝酸盐氮和总氮已经基本稳定。由图6可知，工况V、VI、VI和VⅧ出水平均氨氮和总氮分别为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，氨氮和总氮平均去除率分别为96.1%和74%、96.9%和62.4%、95.3%和48.3%、95%和32.8%。各工况出水氨氮平均仅为0.6mg/L，远低于印染废水直接排放标准(10mg/L)，显示硝化效果良好。各工况出水硝酸盐氮稳定值随实际与理论葡萄糖投加量之比降低(4→1)而升高(0.1→15.2mg/L)，显示葡萄糖投加量越大第二缺(厌)氧段反硝化越充分。各工况出水总氮稳定值随实际与理论葡萄糖投加量之比降低(4→1)而升高(8.9→24.4mg/L)，当实际与理论葡萄糖投加量之比为3.4时，出水总氮低于15mg/L，满足印染废水直接排放标准(15mg/L)。

外加碳源工况条件下缺氧/好氧交替式SBR的总磷去除效果见图7。

由图7可知，工况V、VI、VII、VⅧ出水平均总磷分别为0.06.0.14.0.24.0.28mg/L，总磷平均去除率分别为96.5%、91.2%、85.6%、83.9%。在各工况条件下，出水总磷均小于0.4mg/L，平均值仅为0.18mg/L，满足印染废水直接排放标准(0.5mg/L)。与分段进水工况相比，硝酸盐氮大幅降低解除了第一缺(厌)氧段的除磷菌释磷抑制，总磷去除效果得以显著提高。综合来看，实际与理论葡萄糖投加量之比为3时，出水平均COD、氨氮、总氮、总磷分别为79、0.4、13.5、0.14mg/L，均满足印染废水直接排放标准。从实际应用角度来看，该外加碳源投加量仍然是偏高的，进一步研究充分利用印染废水原有碳源的措施是非常必要的，比如缩短厌氧SBR的水力停留时间或者改变厌氧SBR为水解酸化SBR，使得更多废水原有碳源进入缺氧/好氧交替式SBR从而补充反硝化所需碳源。

3、结论

(1)在水力停留时间为48h的条件下，厌氧SBR处理印染废水的平均COD去除率为75%，出水平均COD为237mg/L；色度去除率达94%，出水平均色度为35倍。

(2)缺氧/好氧交替式SBR处理厌氧SBR出水的分段进水模式下，第一、二缺(厌)氧段进水分配比为800mL：200mL时，出水平均COD为74mg/L、氨氮为0.7mg/L、总磷为0.29mg/L满足印染废水直接排放标准，但出水总氮较高(29.5mg/L)，超过排放标准。反硝化碳源不足是总氮去除率偏低的主要原因。

(3)缺氧/好氧SBR处理厌氧SBR出水的外加葡萄糖碳源模式下，当实际与理论投加量之比为3时处理效果最佳，出水平均COD为79mg/L、氨氮为0.4mg/L、总氮为13.5mg/L、总磷为0.14mg/L，均满足印染废水直接排放标准。（来源：广州大学土木工程学院市政工程系，珠江三角洲水质安全与保护教育部重点实验室，中山市民东有机废物处理有限公司，广东新大禹环境科技股份有限公司）