SBBR是序批式生物膜反应器(sequencing biofilm batch reactor)的简称，又称膜法SBR^{[1, 2, 3]}。SBBR是目前国内外正在研究、应用的一种污水生物处理工艺。与SBR反应器相比，SBBR投加了生物填料。填料的投加为微生物的生长提供了更为有利的生境条件。填料表层依附的生物膜纵向梯度上所形成的氧梯度的渐减变化，使得多种形态的微生物能够共生于池中。同时，填料的投入能够有效提高池内污泥质量浓度，从而增强了反应器的处理能力和稳定性。SBBR工艺的研究应用最早主要集中在工业废水处理^{[4, 5]}，但是随着其研究技术的深入和发展，其应用也扩展到生活污水和难降解的有机废水处理中^{[6, 7, 8]}。研究表明，通过投加塑料鲍尔环填料^[9]、组合纤维填料^[10]和悬浮球型串状填料^[11]等悬浮填料，均可实现同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification,SND)。

响应曲面法(response surface methodology，RSM)是一种优化生物过程的统计学试验设计。采用该法建立连续变量曲面模型，能够对影响生物过程的因子及其交互作用进行评价，确定最佳水平范围，而且所需要的试验组数相对较少，可节省人力物力，因此，该方法已经成功应用于各种各样的生化过程优化中^{[12, 13]}，但用于优化SBBR反应器SND脱氮性能的研究尚未见文献报道。

本研究拟采用一种新型的活性炭改性悬浮填料，以SBBR反应器为研究对象，考察了SND脱氮的可行性。同时针对影响SND脱氮性能的溶解氧质量浓度ρ_DO、填料投加量δ和曝气时间t等显著因素进行了研究。在单因素试验的基础上，利用响应曲面法对这3个因素进行正交分析，通过Design Expert软件建立了二次多项回归方程，确定了SBBR反应器SND脱氮的最佳工况，旨在为该技术的进一步研究和实际应用提供理论依据。

SBBR反应器采用圆柱形有机玻璃材料制作(图 1)，有效容积为50 L。反应器直径为200 mm，有效水深为1 600 mm，底部有微孔曝气盘接空气泵鼓风曝气，内装有悬浮填料供生物挂膜。悬浮填料呈球状，直径为30 mm，整体由10个直径为30 mm的半环形薄片和空心填料核组成。填料材质为添加了抗氧化剂和防腐剂的聚乙烯。填料表面采用活性炭改性涂层处理，涂层厚度为1~2 mm。与传统悬浮填料相比，比表面积增大为420 m²/m³，比重约为0.925。根据相关研究报道和经验，确定填料投加量≤50%^{[14, 15, 16]}。反应器运行周期为：进水(15 min)-曝气(240 min)-沉淀(60 min)-出水(15 min)。出水口位置根据实际运行情况调整。试验均在常温下进行，平均温度为27 ℃。

图1(Fig. 1)

1.SBBR反应器；2.进水泵；3.进水流量计；4.空气泵；5.空气流量计；6.改性悬浮填料；7.溶解氧检测仪；8.溶解氧探头；9.出水/取样口；10.微孔曝气盘；11.放空/排泥口；12.溢流口 图1 SBBR试验装置示意图 Fig. 1 Sketch of experimentalequipment for SBBR

原水取自某公司宿舍楼化粪池，进水水质指标为：COD为223~354 mg/L，BOD₅为92~139 mg/L，TN为35.2~44.6 mg/L，NH₃-N为27.7~34.2 mg/L，pH为6.8~7.6。水质相对较稳定，进水BOD₅/COD比为0.38~0.47，COD/TN比为6~8。

SBBR反应器启动的接种污泥取自前期已稳定实现SND的A²O工艺剩余污泥。将污泥加入反应器，逐渐增大进水负荷，5 d后即见填料表层有黄褐色生物膜，15 d后镜检能观察到菌胶团、丝状菌、累枝虫、轮虫等，出水NH₃-N、TN和COD去除率分别能够达到70%、50%和70%以上，表明启动成功。

TN、NH₃-N、NO₃^--N和NO₂^--N等测定均采用国家规定的标准方法^[17]。COD采用HACH公司的消解比色法。DO采用HACH在线监测仪测定。

根据Box-Behnken的中心组合试验设计原理，综合单因素试验结果，选择单因素试验中对响应值有显著影响的因素作为自变量，每一自变量的低、中、高试验水平分别以-1、0、1进行编码。利用统计软件Design Expert 8.0对试验数据进行回归分析，获得二次多元回归模型。该模型通过最小二乘法拟合二次多项方程

式中：R为响应值；x_i、x_j(i≠j)为自变量编码值；a₀、a_i、a_j和a_ij(i≠j)为常数项。采用Minitab 16对模型进行方差分析，用模型对SBBR反应器脱氮率进行分析和预测，得出最佳的工况运行条件。

SND率的计算方法为^[18]

式中：NH₃-N_removal通过反应器进、出水中氨氮变化量与同化和细胞衰减共同作用的氨氮变化量的差值；NO_x^--N_produced是反应器出水与进水硝态氮的差值。

在填料投加量为35%，溶解氧质量浓度为2 mg/L，曝气时间为4 h的条件下，考察了不同进水质量浓度条件下，系统脱氮性能(图 2)。结果表明，在硝化反应去除氨氮的同时，有明显的反硝化反应同步发生，使得硝化产物硝态氮进一步转化为氮气逸出。反应器有良好的同步硝化反硝化脱氮性能。对NH₃-N和TN的平均去除率分别可达80.7%和63.1%，出水TN平均质量浓度为14.8 mg/L。同时，对典型周期内有机物和氮的随时间的变化情况进行了分析(图 3)。由图 3可知，随着反应的进行，硝态氮浓度缓慢上升，表明与硝化反应相比，反硝化速率有所减缓，这与水中碳源降低有关。至6 h时，NH₃-N、TN和COD的去除率分别达到87.3%、67.3%和83.5%。计算发现，系统同步硝化反硝化率(SND%)高达72.8%。为了进一步考察SND脱氮性能，对影响反应器的几个关键因素进行了逐一分析。

图2(Fig. 2)

图2 SBBR反应器稳定运行期氨氮和总氮的变化情况 Fig. 2 Variations of NH3-N and TN duringa stable cycle in SBBR reactor

图3(Fig. 3)

图3 SBBR反应器典型周期内有机物和氮的变化情况 Fig. 3 Variations of COD and nitrogen duringa typical cycle in SBBR reactor

控制溶解氧浓度为2.0 mg/L，填料投加量为35%，分别选取了污染物浓度处于试验期间高、中、低水平条件下的典型周期作为考察对象，考察了不同曝气时间t条件下，SBBR反应器脱氮性能(图 4)。结果表明，去除率的趋势基本相似，随着反应时间的增长，去除率不断增大。当t＞2 h时，脱氮率基本可以达到50%，当t＞4 h时，去除率趋势线基本趋于平缓。这是由于随着曝气时间的延长，反硝化反应发生的同时，反应器内有机物也随之消耗，所需碳源不足以支撑反硝化的进一步发生。因此，在考察其他因素对脱氮性能的影响时，设定曝气时间t=4 h。

图4(Fig. 4)

图4 曝气时间对脱氮率的影响 Fig. 4 Effects of aeration time onnitrogen removal rate

控制填料投加量为35%，曝气时间为4 h，在溶解氧质量浓度为0.5~4.0 mg/L的范围内选择了若干个点分别考察了不同溶解氧质量浓度ρ_DO条件下，SBBR反应器脱氮性能(图 5)。结果表明，溶解氧质量浓度的高低对反应器脱氮性能有很大影响，出水TN去除率随着ρ_DO的升高呈现先升后降的趋势。当ρ_DO≤1.2 mg/L时，出水TN去除率低于50%。这主要是由于氨氧化成羟氨并产生能量的反应过程所需的氧原子来自于分子氧，当反应器溶解氧过低时，在一定程度上限制了此步反应的发生，因此，硝化反应不完全，进而限制了后续的反硝化脱氮^[19]。当1.2＜ρ_DO≤3.3 mg/L时，TN去除率高于50%，出水TN质量浓度基本低于20 mg/L，表现出良好的同步硝化反硝化效果。这是由于在填料的作用下，形成了多个微“缺氧好氧”环境，一方面在填料表层的生物膜会增加溶解氧向内部扩散的阻力，从而形成生物膜内层缺氧外层好氧的微环境；另一方面，填料对于气泡有切割作用，降低了气泡上升速度，从而增加了其传质效果，在反应器内部易形成宏观缺氧微观富氧的生境条件，有利于反应器内硝化菌和反硝化菌的共生^[20]。当ρ_DO＞3.3 mg/L时，出水TN去除率逐渐下降。这是由于反硝化反应涉及的两种酶—硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶，在革兰氏阴性菌中属于周质酶，是膜结合蛋白，只有在无氧的条件下才能合成^[21]。当反应器溶解氧过高时，DO直接穿透了生物膜，无法形成生物膜由内而外的氧梯度，破坏了生物膜上内层缺氧-外层好氧的微环境，因此，限制了反应器内的反硝化反应。

图5(Fig. 5)

图5 溶解氧浓度对出水TN质量浓度和脱氮率的影响 Fig. 5 Effects of DO concentration onTN effluent and nitrogen removal rate

控制溶解氧浓度为2.0 mg/L，曝气时间为4 h，考察了不同填料投加量δ条件下，SBBR反应器脱氮性能(图 6)。结果表明，当δ分别为50%、35%、20%和10%时，平均脱氮率分别为56.4%、60.3%、51.7%和43.1%。反应器内不投加填料时(δ=0%)，平均脱氮率仅为38.1%。同时，对不同填料投加量情况下生物膜和活性污泥对脱氮的贡献率进行了分析(图 7)。具体步骤是在一定填料投加量条件下，稳定运行后获得生物膜-活性污泥复合系统的脱氮率，再做单独填料(生物膜)的脱氮试验获得生物膜系统的脱氮率，两者之差即为活性污泥系统脱氮率。结果表明，填料投加量越大，反应器生物脱氮对填料的依赖性越强。在本试验条件下，35%的填料投加率下，反应器获得了较为良好的脱氮性能。分析原因，填料投加量为50%时，可能是由于过量的悬浮填料在曝气作用下运动所形成的剪切力使得活性污泥发生分散细化现象(活性污泥SVI=150~180)，絮体相对较小，无法形成正常的絮状结构，从而降低了反应器脱氮性能。当填料投加量减少时，反应器内总污泥浓度也随之降低，脱氮对活性污泥的依赖性增大，反应器内维持硝化和反硝化共生的微环境逐渐减弱，脱氮性能受到影响。

图6(Fig. 6)

图6 填料投加量对脱氮率的影响 Fig. 6 Effects of carrier filling ratioon nitrogen removal rate

图7(Fig. 7)

图7 填料投加量对脱氮贡献率的影响 Fig. 7 Effects of carrier filling ratioon nitrogen removal contribution rate

根据Box-Behnken中心组合试验设计原理，综合单因素试验结果，选取对SBBR反应器SND脱氮影响较大的因素：溶解氧质量浓度、填料投加量和曝气时间为主要考察因素，分别用A、B和C表示，并以-1、0和1分别代表自变量的低、中和高水平，以脱氮率为响应值R，试验设计因素及水平如表 1所示。

表1(Table 1)

表1 脱氮率设计试验因素及水平 Table 1 Factors and levels in response surface design of nitrogen removal rate 因素 编码 -1 0 1 溶解氧质量浓度ρDO/(mg·L-1) x1=A 1 2 3 填料投加量δ/% x2=B 20 35 50 曝气时间t/h x3=C 2 4 6

表1 脱氮率设计试验因素及水平 Table 1 Factors and levels in response surface design of nitrogen removal rate

利用Design expert 8.0，建立了基于Box-Behnken响应曲面法的试验设计及响应值，详见表 2。

表2(Table 2)

表2 响应曲面法试验设计及响应值 Table 2 Response surface design arrangement and experimental results 编 号 因 素 响应值R x1=A x2=B x3=C 1 -1 -1 0 39.6 2 1 -1 0 40.1 3 -1 1 0 38.6 4 1 1 0 53.8 5 -1 0 -1 36.2 6 1 0 -1 47.0 7 -1 0 1 45.7 8 1 0 1 62.3 9 0 -1 -1 36.1 10 0 1 -1 47.5 11 0 -1 1 47.9 12 0 1 1 61.8 13 0 0 0 65.3 14 0 0 0 66.2 15 0 0 0 67.2

表2 响应曲面法试验设计及响应值 Table 2 Response surface design arrangement and experimental results

对表 2中脱氮率试验数据进行多元回归拟合，可获得脱氮率编码自变量的二次多项回归方程：

对回归方程中回归系数进行估计，得表 3。由表 3和图 8可知，回归模型决定系数R²=0.979 0(调整后为0.941 1)，表明此模型拟合程度良好。同时，对模型R进行方差分析可知F值较大，P=0.001 1 < 0.05，表明模型显著。残差为正态分布，模型的误差主要以系统误差为主，且在可控范围之内。因此，可以用此模型对SBBR反应器脱氮效能进行分析和预测。由表 3和图 9可知，模型一次项x₁、x₂、x₃和二次项x₁x₂、x₁²、x₂²差异显著(P＜0.05)，表明溶解氧质量浓度ρ_DO、填料投加量δ和曝气时间t对SBBR反应器脱氮性能有显著影响。其中，曝气时间t对脱氮性能的影响尤为显著。

表3(Table 3)

表3 拟合二次多项式模型的方差分析 Table 3 Analysis of variance (ANOVA) for the fitted quadratic polynomial model 项目 系数 标准误差 F值 P值 常量 66.23 1.61 25.863 6 0.001 1 A 5.39 0.99 29.789 1 0.002 8 B 4.75 0.99 23.156 4 0.004 8 C 6.36 0.99 41.546 9 0.001 3 AB 3.68 1.40 6.930 6 0.046 4 AC 1.45 1.40 1.078 9 0.346 5 BC 0.63 1.40 0.200 5 0.673 1 A2 -11.87 1.45 66.703 5 0.000 4 B2 -11.34 1.45 60.931 9 0.000 6 C2 -6.57 1.45 20.425 9 0.006 3 注：R2=0.979 0，R2(调整后)=0.941 1

表3 拟合二次多项式模型的方差分析 Table 3 Analysis of variance (ANOVA) for the fitted quadratic polynomial model

图8(Fig. 8)

图8 脱氮率残差图 Fig. 8 Residual plots of nitrogen removal rate

图9(Fig. 9)

图9 脱氮率交互作用图 Fig. 9 Interaction plots of nitrogen removal rate

应用Design expert 8.0软件可分别对回归模型做出等高线图及响应曲面图(图 10~12)。根据响应曲面及其相应的等高线图评价三个显著因素对脱氮率的两两交互作用，从而确定各因素的最佳取值范围。

图10(Fig. 10)

图10 ρDO和δ对脱氮率交互影响的响应面和等高线 Fig. 10 Response surface and contour plot showing interactions of ρDO and δ on nitrogen removal rate

图11(Fig. 11)

图11 ρDO和t对脱氮率交互影响的响应面和等高线 Fig. 11 Response surface and contour plot showing interactions of ρDO and t on nitrogen removal rate

图12(Fig. 12)

图12 δ和t对脱氮率交互影响的响应面和等高线 Fig. 12 Response surface and contour plot showing interactions of δ and t on nitrogen removal rate

由图 10~12可知，在本试验条件下，脱氮率随着曝气时间t的增加而增加，随着溶解氧质量浓度ρ_DO和填料投加量δ增大而先增大后减小。溶解氧质量浓度ρ_DO和填料投加量δ的交互作用对脱氮率影响显著(P=0.046 4)，结合二次多项回归式求导可算得两者的曲面斜率。结果表明，溶解氧质量浓度的变化率对于脱氮率的影响大于填料投加量的变化率对脱氮率的影响。本试验条件下，各影响因素变化率对SBBR反应器脱氮率的影响排序为：曝气时间＞溶解氧质量浓度＞填料投加量。通过对回归方程求解R，可得脱氮率的最大值为69.28%。此时对应SBBR反应器脱氮的最佳工况：溶解氧质量浓度ρ_DO为2.37 mg/L，填料投加量δ为40.10%，曝气时间t为5.17 h。

在上述优化的工况条件下，即溶解氧质量浓度ρ_DO为2.37 mg/L，填料投加量δ为40.10%，曝气时间t为5.17 h，进行12个周期的验证试验，所得结果的脱氮率平均值为68.19%。回归方程所得脱氮率预测值69.28%与验证试验平均值68.19%的误差1.57%。可见回归方程能较真实地反映各因素对SBBR反应器脱氮率的影响，通过响应曲面法优化SBBR反应器SND脱氮的回归模型较可靠。

1) 在填料投加量为35%，溶解氧质量浓度为2 mg/L，曝气时间为4 h的条件下，反应器有良好的同步硝化反硝化脱氮性能。对NH₃-N和TN的平均去除率分别可达80.7%和63.1%。典型周期内计算系统同步硝化反硝化率(SND%)高达72.8%。

2) 单因素试验发现，脱氮率随着曝气时间t的增加而增加，随着溶解氧质量浓度ρ_DO和填料投加量δ增大而先增大后减小，本试验条件下，各影响因素变化率对SBBR反应器脱氮率的影响排序为：曝气时间＞溶解氧质量浓度＞填料投加量。

3) 以曝气时间t、溶解氧质量浓度ρ_DO和填料投加量δ为考察因素，脱氮率为响应值建立了二次多元回归模型。模型决定系数R²=0.979 0，拟合程度良好。P=0.001 1 < 0.05，模型显著。其中，溶解氧质量浓度ρ_DO和填料投加量δ交互作用对脱氮率影响较为显著。

4) 通过模型计算可得本试验条件下最佳工况为：溶解氧质量浓度ρ_DO为2.37 mg/L，填料投加量δ为40.10%，曝气时间t为5.17 h，脱氮率最大值为69.28%。验证试验表明，回归方程的预测值与实际值偏差为1.57%。