序批式反应器(SBR)脱氮除磷反应构型优化研究：基于GPS-X模拟的多目标能效分析

《Current Research in Green and Sustainable Chemistry》：Optimizing Reaction Configurations of Sequential Batch Reactor (SBR) For Nitrogen Removal from Wastewater

本研究针对传统SBR工艺在低碳氮比条件下脱氮除磷效率低、能耗高的技术瓶颈，通过GPS-X v8.1平台构建了212 m3 SBR的动力学模型，系统评估了11种运行策略。研究发现预缺氧+后缺氧+间歇曝气的组合模式可实现TN去除率87.1%和TP去除率88.6%的最佳平衡，并通过多目标优化提出了Pareto最优曝气方案，为污水处理厂节能降耗与达标排放提供了可实施的调控模板。

　　

随着全球城市化进程加速和气候变化影响加剧，水体富营养化已成为威胁生态安全和公共健康的重大环境问题。氮磷等营养盐的过量排放不仅引发藻类暴发、水体缺氧等生态灾害，更通过饮用水和食物链传递对人体健康构成潜在风险。面对日益严格的排放标准（如总氮TN<5 mg/L、总磷TP<0.5 mg/L的传统限值），污水处理厂亟需在保证出水水质的同时实现能耗控制，这一矛盾在具有间歇运行特性的序批式反应器(SBR)中尤为突出。

传统SBR工艺通过时间序列上的曝气/搅拌控制实现硝化-反硝化脱氮和生物除磷，但其运行效果高度依赖反应阶段的时序设计。如何通过优化曝气策略在有限碳源条件下协调硝化菌、反硝化菌和聚磷菌(PAO)的竞争关系，成为提升SBR工艺效能的关键挑战。

为破解这一难题，研究人员以印度班加罗尔Eco World Building 6的212 m3 SBR污水处理厂为研究对象，采用GPS-X v8.1仿真平台构建了基于活性污泥模型(ASM)的动力学模型。通过校准验证（R²≥0.85，NSE≥0.70），系统比较了11种运行策略的脱氮除磷效能与能耗特性，并运用多目标优化方法探寻了最优运行参数组合。

主要技术方法

研究依托实际污水处理厂运行数据，采用GPS-X模拟平台构建SBR工艺模型，通过引入同步硝化反硝化(SND)微区动力学和部分硝化/厌氧氨氧化(Anammox)路径等扩展机制增强模型预测能力。利用非线性优化算法校准动力学参数，并采用NSGA-II多目标优化算法分析TN去除与能耗的Pareto前沿，最终通过独立数据集验证模型可靠性。

3.1 不同运行场景下的出水水质

通过对比11种运行策略发现：连续高DO曝气（C4）虽能实现氨氮高效硝化（NH₄⁺-N<0.15 mg/L），但硝酸盐积累导致TN去除率仅42.8%；而预缺氧+后缺氧+间歇曝气组合模式（C11）通过多重缺氧窗口设计，使TN和TP去除率分别达87.1%和88.6%。这表明通过时序优化创造交替的缺氧/好氧环境，可有效解决碳源竞争问题。

3.2 关键运行参数的敏感性分析

污泥龄(SRT)实验显示：当SRT从5天延长至15天时，TN去除率显著提升，但超过20天后出现平台效应，说明过长的SRT对脱氮效果改善有限。内回流比(RR)研究表明：将RR提升至100-150%可强化硝酸盐向缺氧区传输，使TN去除率从70%增至89%。好氧比例优化表明：当好氧阶段占比55-65%时，系统可实现硝化与反硝化的最佳平衡。

3.3 能耗与碳源需求分析

间歇曝气策略（C5）较常规运行节能21%，外部碳源需求降低29%。能耗构成分析显示泵送能耗占总能耗比重最大，而曝气能耗通过间歇运行可显著降低。这表明通过精细控制曝气时序而非简单延长曝气时间，可实现能耗与效能的协同优化。

3.5 统计比较与优化

方差分析表明各策略间TN去除率差异显著（p<0.001）。Tukey检验将策略分为四组：D组（C7、C8、C10）表现最优，TN去除率>88%；而常规策略（C1）仅58.8%。值得注意的是，某些高效策略（如C4）能耗与常规操作相当，说明通过参数优化可实现"增效不增耗"。

3.6 Pareto最优曝气方案

多目标优化得出三条典型方案：P1（40分钟曝气/20分钟缺氧）TN去除率80%，能耗4.2 kWh/kg N；P3（30分钟曝气/30分钟缺氧）虽去除率降至76.8%，但能耗降至3.8 kWh/kg N。这一Pareto前沿为不同排放标准要求的污水处理厂提供了弹性选择空间。

研究表明，通过预缺氧段捕获进水碳源、间歇曝气创造多次缺氧/好氧交替环境、后缺氧段利用内源碳进行深度反硝化的组合策略，可最大程度发挥SBR工艺的时空控制优势。关键运行参数的建议取值为：SRT 15-20天、内回流比100-150%、好氧比例55-65%、曝气阶段DO控制于1.2-1.5 mg/L，并在缺氧阶段前设置3-5分钟的DO渐变过渡（降至<0.2 mg/L）。

该研究通过模型仿真与多目标优化的有机结合，为SBR工艺的精细化管理提供了理论依据和实践指南。所提出的运行策略不仅适用于新建污水处理厂的设计优化，也可为现有设施的节能改造提供技术支撑，对推动污水处理行业向绿色低碳转型具有重要意义。未来研究可进一步融合实时传感器网络与人工智能控制算法，提升系统应对水质波动的稳定性，同时探索碳源回收等资源化技术与工艺运行的协同优化。