SBR 工艺是近年来应用较为广泛的污水处理工艺，与传统脱氮工艺相比处理流程简单，节省基建投资和能耗，具有较高的自控水平，同时具有同步硝化反硝化能力，因此倍受高氨氮废水处理行业的青睐。目前，同步硝化反硝化（SND）理论有两种解释〔1〕，微环境理论和微生物学理论。

基于微环境理论，本实验通过向传统SBR 反应器中投加一定比例的填料，使其作为微生物的凝聚核心，生成宽厚的生物膜，扩大SND 所需的微环境，延长硝化菌的停留时间。通过考察DO、碳氮比、设置厌氧段、pH 等因素，分析SBBR 脱氮机理。

1 实验部分
 
1.1 水质特征
 
味精的生产工艺流程为制淀粉、制糖、发酵、提取和精制。在味精生产过程中，产生的主要污染源是味精发酵废液，其大多都具有COD 高、BOD 高、菌体含量高、硫酸根含量高、氨氮含量高及pH （l.5～ 3.2）低“五高一低”的特点，一般可生化性较好。

1.2 实验装置
 
实验装置如图 1 所示。反应器由有机玻璃制成，长、宽、高分别为0.6、0.5、0.6 m，有效水深0.5 m，总容积180 L，有效容积150 L。反应器壁垂直方向不同高度设置排水口，用于取样和排水；在距离排水口 1/5 处设置隔离网，防止悬浮填料及截留的污泥在排水时随水流出；底部设置排泥管，用于排泥及放空；通过气泵及曝气砂头进行曝气，转子流量计控制曝气量。

图 1 SBBR 反应器装置   

1.3 分析方法
 
DO、pH 的测定分别采用YSI550A 便携式DO 仪和pHS-2C 测定仪。COD、SV30、NH4+-N、NO2--N、 NO3--N 、TN、MLSS 等的分析方法均参考《水和废水监测分析方法》〔2〕。

2 结果与分析
 
高氨氮废水处理过程中，氮素的转化有同化、氨化、硝化、反硝化4 种方式。其中，只有同化、反硝化可以将氮素从废水 中去除，氨化、硝化只是改变了氮素的存在形式，但硝化的程度决定了反硝化的进行。

2.1 SND 过程的实现与稳定
 
实验前50 个周期（瞬时进水，曝气8 h，沉淀1 h，排水0.5 h，闲置2.5 h）为挂膜阶段，期间进水COD 为959 ～1 390 mg/L，出水平均COD 255.49 mg/L；进水氨氮为104 ～199 mg/L，出水平均氨氮20.21 mg/L。由于进水氨氮波动较大，接种污泥没有成膜，抗冲击能力较差，导致出水氨氮较高且不稳定。出水亚硝态氮、硝态氮均较高，但随着反应的进行亚硝态氮逐渐下降，硝态氮逐渐升高，这说明硝化细菌活性得到不断提高，好氧硝化过程进一步得到完善加强。TN 去除率较低，均值为62.88%，说明反硝化程度较低，原因有两方面：（1）反硝化细菌活性较低。（2）生物膜尚在形成过程中，缺乏反硝化所需的厌氧环境。

经过50 个周期的挂膜，填料表面固着一层生物膜，增加了反应器内的生物量，更重要的是在SBBR 反应器中创造了好氧/厌氧环境，使SND 的实现成为可能。好氧阶段TN 去除情况如图 2 所示。

由图 2 可见，在好氧阶段TN 出现明显下降，从而证实SND 的存在，稳定运行50 个周期后TN 去除率可维持在70.00%以上。运行后期COD、氨氮去除率分别稳定在90.49%和94.36%以上，达到良好的处理效果。

图 2 好氧阶段TN 去除情况  

2.2 DO 与SND 的影响关系
 
首先，DO 应满足COD 和氨氮的降解需要；其次，DO 过大将影响微环境的氧扩散，且DO 与曝气量呈正相关，高DO 需大曝气量，导致能耗增加，同时气泡剪切力过大不利于生物膜的固着。文献〔3〕报道，低DO 是实现SND 的重要条件。生物膜表面主要为活性较高的好氧微生物，生物膜会增加DO 向内部扩散的阻力而形成厌氧区〔4〕。味精废水COD 处于1 000～1 200 mg/L，氨氮处于120～180 mg/L。降解 COD 的菌群以好氧异养菌为主。硝化过程菌群以亚硝酸菌（AOB）和硝酸菌（NOB）为主。文献〔5〕报道， AOB 的氧饱和常数为0.25～0.50 mg/L，NOB 的氧饱和常数为0.72～1.84 mg/L，且AOB 比NOB 对氧更有亲和性，保证充足的DO 才可使硝化过程进行彻底。不同DO 下COD、氨氮、TN 的去除率如表 1 所示。

表 1 不同DO 下COD、氨氮、TN 的去除率

由表 1 可见，DO 变化对COD 的去除影响较小，随着DO 的增加COD 去除率升高，当DO＞4.0 mg/L 后，去除率呈平缓趋势。DO 的变化对氮素的转化影响较大。当DO＜2.0 mg/L 时，在低DO 工况下异养菌最大限度的利用溶解氧氧化有机物，导致液相中的 DO 处于很低水平，只能满足极少部分亚硝酸菌和硝酸菌的需求，故亚硝态氮和硝态氮很低，导致反硝化过程所需的电子受体（NO2-、NO3-）严重不足，即使反应器中存在缺氧及厌氧环境，出水TN 也很高。随着DO 的升高，氨氮的去除率有明显的升高。当DO＞ 3.0 mg/L 时，出水氨氮均低于10 mg/L,去除率维持在 95%以上，原因是液相中有足够的DO 满足亚硝酸菌和硝酸菌需求，同时生物膜为反硝化提供了厌氧微环境，故使出水TN 出现明显下降。但DO＞4.0 mg/L 时生物膜内部DO 升高，破坏了厌氧微环境，故出水TN 反而回升。所以对于DO 的控制以满足好氧菌需求又不破坏生物膜厌氧微环境为宜。

2.3 碳氮比对脱氮的影响
 
不同浓度碳氮比情况下COD、氨氮、TN 的去除率如表 2 所示。

表 2 不同碳氮比下COD、氨氮、TN 的去除率

由表 2 可见，碳氮比对COD 的降解影响较小，均维持在89%以上。氨氮的去除随着碳氮比的增加并没有出现上升，说明挂摸良好的SBBR 反应器对高氨氮有较高的抗冲击能力。TN 去除率随着碳氮比的增加出现明显的升高。

当碳氮比从3 提高到7，TN 去除率从64.90% 提高到70.30%，当碳氮比继续提高到10，TN 去除率只提高了0.2%，此时出水的亚硝态氮成倍增加。原因是碳氮比影响了微生物对营养物质的利用模式和反硝化的程度。废水中的硝化菌群大多为兼性化能异养型，在适合的DO 条件下，当碳氮比较低时，废水中有机营养物有限，硝化细菌以化能自养型生存，完成硝化过程，为反硝化提供了电子受体；但此时废水中可作为电子供体的有机物含量已很低，故 TN 去除率不高。随着碳氮比的增加，既可以保证硝化细菌的化能自养型又可以提供电子供体，使TN 去除率提高到70.30%。若继续提高碳氮比，将导致废水中有机营养相对富余，部分硝化细菌为获得较多的能量而采取化能异养型，阻碍了硝化过程的进行，进而对反硝化产生抑制作用。

2.4 厌氧阶段对脱氮的影响
 
本实验阶段为进水后先厌氧静置90 min，然后进行曝气。20 个周期的对比脱氮效果如图 3 所示。由图 3 可见，增加了厌氧阶段后，对COD、氨氮的去除效果影响不大。TN 平均去除率从68.13%提高到75.82%。这是因为：（1）厌氧段的设置导致了反硝化碳源种类和数量的变化。无厌氧段的SND 反硝化过程的碳源主要为好氧初期吸附的有机质，为外碳源；而增加厌氧段，某些兼性细菌可以将废水中的易降解有机质转化为胞内贮藏物（如PHB）储存起来，作为SND 过程反硝化的内碳源。（2）为前一周期由于碳源不足而未完成反硝化的剩余NO2-、NO3-提供外碳源，是对前一周期SND 过程的有益补充。

图 3 设置厌氧段对COD、氨氮、TN 去除效果的影响  

2.5 典型周期内各污染物去除情况
 
SBBR 内COD、各氮素变化情况如图 4 所示。

图 4 SBBR 内COD、各氮素浓度变化情况  

由图 4 可见，COD、氨氮、TN 具有一致的下降趋势，反映出COD 降解与SND 过程有着紧密的联系。 COD 的去除有两个途径：（1）作为营养物质参与好氧异养菌的新陈代谢。（2）作为SND 反硝化过程的碳源。反应开始的1 h 内COD、氨氮、TN 的大幅去除主要归功于生物膜的吸附截留作用〔6〕。 图 4 中，亚硝态氮始终在很低水平，反映出本实验主要为全程SND 过程，非亚硝酸型SND 过程。在 4、5 h 处，亚硝态氮少量积累，达到6.5 mg/L，之后又大幅减少。原因是AOB 的氧饱和常数较NOB 更低，更易利用DO，随着DO 的增加，NOB 活性得到增强，故会出现亚硝态氮的暂时富集现象。 SBBR 内DO、pH 变化情况如图 5 所示。

图 5 SBBR 内DO、pH 变化情况  

由图 5 可见，前3 h 内DO 主要被好氧异养菌用于COD 的降解，之后DO 主要用于硝化过程。由于AOB 和NOB 的氧饱和常数较低，氧气消耗量小于供给量，所以从4 h 开始DO 成上升趋势，直到硝化过程结束，DO 最后达到3.30 mg/L。

前3 h 硝态氮浓度几乎为零，TN 去除率仅为 35.80%，说明反硝化程度低，原因是硝化过程受阻，反硝化的电子受体NO3-严重匮乏，反映出在SND 过程的前期，硝化程度是反硝化的控制因素；7 h 后TN 曲线趋于平缓，原因是反硝化的碳源不足，虽然此时 COD 在100 mg/L 左右，但大多是难降解的有机质，此时碳源成为SND 末期的制约因素。

系统COD 降解过程中，好氧菌的好氧呼吸氧化磷酸化过程不断吸收H+〔7〕，呼吸作用产生的CO2 被曝气作用不断吹脱，使pH 上升；随着反应的进行 SND 过程的出现使系统产酸。硝化反应：

反硝化反应：

本实验为全程SND 过程，以式（1）、（2）、（4）为主，COD 降解过程与SND 过程综合作用使pH 在动态中和变化中趋于碱性。。

3 结论
 
（1）在传统SBR 反应器中投加填料，在其表面形成生物膜以使世代时间较长的硝酸菌得以固着繁殖，提高系统的生物量。

（2）成功挂摸后会实现全程SND 过程，较传统 SBR 工艺增强了反硝化作用，获得较高的生物脱氮效果，稳定运行后TN 去除率70.0%左右，最高可达 75.82%。

（3）DO 是实现SND 的关键因素，对于DO 的控制以满足好氧菌（好氧异养菌和硝化菌）需求又不破坏生物膜厌氧微环境为宜，本实验取3.3 mg/L。（4）SND 的反硝化过程是脱氮的关键，其制约因素有3 个：厌氧环境，由具有一定厚度的生物膜提供；电子受体NO3-，由硝化过程提供；碳源，由反应初期的有机质提供。

（5）设置了前置厌氧段，丰富了反硝化碳源的种类和数量，有助于提高系统的生物脱氮效果。