蔣展鵬，鐘燕敏，師紹琪
(清華大學環境科學與工程系， 北京 100084)

　　 摘　要：根據缺氧/好氧(Anoxic/Oxic,A/O)工藝原理設計了升流式一體化A/O生物膜反應器，并就反應器對生活污水的處理效果和運行參數進行了試驗。結果表明，當缺氧區HR為5h、好氧區HRT為3h 時對COD的去除率＞80%(大部分接近90%),對SS去除率＞95%；維持反應器內適宜的堿度可獲得良好而穩定的脫氮效果；剩余污泥少，無需頻繁排泥。
　　關鍵詞：一體化；A/O工藝；生物膜反應器；生活污水
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)08-0009-04

Use of Upflow Integrative A/O Biofilm Reactor for Domestic Wastewater Treatment
JIANG Zhan?peng， ZHONG Yan?min， SHI Shao?qi
(Dept of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,?China)

　　Abstract： Upflow integrative A/O biofilm reactor was designed on the principle of oxic/aerobic process,and test was made on domestic sewage treatment effect and operational parameter.The test result showed that when HRT is 5 h and 3 h respectively in anoxic and oxic area,removal rate of COD will be more than 80% (mostly appro aches to 90%) and SS more than 95%.A proper alkalinity kept in reactor may result in a good and stable nitrogen removal with less excess sludge and no frequent discharge required.?
　　Keywords: integrative; A/O process; biofilm reactor; domestic wastewater

　　近年來厭氧處理技術因其耗能少、成本低的特點而逐漸應用于生活污水處理領域，但一般仍需后處理工藝(多采用傳統好氧工藝)。筆者將缺氧、好氧段組成一個整體，采用生物膜法使生活污水以升流方式流經兩個反應區，將缺氧區厭氧微生物對污水中有機物的降解控制在酸化階段，產生于缺氧段的發酵產物經好氧段微生物進一步分解、轉化以達到去除原水中污染物的目的。根據需要還可將沉淀池出水回流至反應器進水口而形成一體化A/O脫氮工藝。?

1 試驗條件

1.1 試驗裝置和原水水質
　　一體化A/O生物膜反應器試驗裝置見圖1。
　　缺氧區采用70mm球形填料，其堆積體積約為20L；好氧區采用半軟性填料(高度為0.70m)。曝氣頭安裝在好氧區底部。?
　　原水采用清華大學學生宿舍區生活污水，其COD為150～600mg/L、SS為100～400mg/L、堿度平均為350mg/L(以CaCO₃計)，pH值為6.5～7.5，必要時添加工業用葡萄糖以提高原水COD值。

　　缺氧段反應器接種污泥取自北京高碑店污水處理廠二沉池底泥，接種量為15g/L；好氧段污泥取自污水處理廠回流污泥，接種量為13g/L。
1.2 試驗方法
1.2.1 反應器的啟動
　　啟動初期采用高容積負荷、低水力負荷的運行方式(進水COD約為800mg/L，流量為50L/d)，啟動3周后直接進生活污水，并將進水流量調至設計流量(100L/d)，此時出水COD 值平均為47mg/L，標志著啟動工作完成。
1.2.2 試驗內容
　　① 對有機物的去除
　　a.保持基本運行工藝參數(見表1)不變且無回流，通過改變進水COD濃度來改變系統容積負荷，分別研究各種濃度下反應器對有機物的處理效果。
　　b.保持HRT、pH值、DO等參數不變(見表1)，在0～200%范圍內調節回流比，比較反應器對COD的去除情況。

表1 基本運行參數 項目 HRT(h) 回流比(%) pH DO(mg/L) 缺氧段 5 0～200 6～7 ≤0.5 好氧段 3 0～200 7～8 ≥2.0

　　② 對SS的去除
　　保持HRT、pH值、DO等參數不變(見表1)，考察不同回流比、不同容積負荷條件下反應器對SS的去除效果。?
　　③ 對氮的去除
　　a.保持HRT、pH值、DO等參數不變(見表1)，比較不同回流比(0～200%)下反應器對氨氮和總氮的去除情況。?
　　b.當回流比為200%，保持表1中其他工藝參數不變，調節缺氧段、好氧段堿度以考察pH值和堿度變化對反應器脫氮效果的影響。
1.3 測定項目
　　水樣為日平均樣，每天測定進、出水的COD、SCOD、SS、pH值、堿度，不定時測定進、出水的BOD₅，均采用標準測定方法。?

2 結果與討論

2.1 對有機物的去除
2.1.1 對不同濃度污水的處理效果比較
　　為考察不同進水COD濃度下的處理效果，試驗按低濃度(COD為190～380mg/L、SCOD為98～133mg/L)、中等濃度(COD為428～525mg/L、SCOD為288～440mg/L)、高濃度(COD為553～659mg/L、SCOD為423～518mg/L)3個階段進行，其中低濃度時直接采用生活污水，中、高濃度時則在原水中加入工業葡萄糖。試驗結果見表2和圖2。

表2 反應器在不同進水有機物濃度時的去除效果 項 目 低濃度 中等濃度 高濃度 進水(mg/L) COD 281 476 606 SCOD 110 365 470 出水(mg/L) COD 28 50 72 SCOD 26 42 56 去除率(%) COD 90.0 89.5 88.1 SCOD 76.4 88.5 88.0

　　從表2和圖2可以看出，進水有機物濃度的提高主要體現在溶解性有機物部分，隨著原水COD提高，出水的COD、SCOD濃度也相應上升，但即使進水COD在600mg/L左右，出水仍能保持在100mg/L以下。原水COD濃度與反應器出水COD濃度經過擬合得到一條曲線(表達式見式1)。通過這條曲線可以根據進水有機物濃度初步預測在試驗運行條件下反應器出水有機物的大致濃度。?
?　　　　　　y?=0.000 2x²-0.033 6x+21.347　　　　　(1)?
?　　　　　　R²=0.989 2?
式中 ?x——進水有機物濃度，mg/L?
?　　　　　y——出水有機物濃度，mg/L?
?　　　　　R——相關系數?
2.1.2 不同回流比對有機物處理效果的影響
　　將沉淀池出水回流至反應器進水口，考察COD去除率隨回流比變化的情況(見表3)。

表3 不同回流比時COD的去除情況 回流比(%) 進水COD(mg/L) 缺氧段出水COD(mg/L) 缺氧段 去除率*(%) 出水COD(mg/L) 好氧段去除率(%) 總去除率(%) 50 357.8 257.0 31.7 49.1 54.1 85.8 100 313.4 166.9 8.3 50.6 75.5 83.8 150 430.8 193.8 18.8 46.3 70.5 89.3 200 371.8 189.1 8.2 40.2 81.0 89.2 注：*考慮了沉淀池污泥回流對原水的稀釋作用。

　　由表3可以看出，提高回流比有利于反應器對有機物的去除，尤其對好氧段去除率的提高較為明顯，但對COD的總去除率影響甚微。原水BOD₅值為100～160mg/L，出水BOD₅值為6～14mg/L(平均為8.3mg/L)，回流比的改變對出水BOD₅值的影響也不顯著。?
2.2 對SS的去除
　　反應器好氧段采用生物膜法保證了出水SS值較低。進水SS為230～495mg/L(平均410mg/L)時，在正常運行條件下出水外觀清澈良好，SS一般難以檢出(從未超過10mg/L)，絕大多數情況下對SS去除率能夠保證高于95%。?
2.3 對氮的去除
　　 將沉淀池出水回流到進水口可形成“前置式反硝化生物脫氮系統”，污水中的含氮有機物在缺氧段被異養微生物氨化，在好氧段中由硝化菌將氨氮硝化，最后NO₂-和NO₃-隨沉淀池出水回流到缺氧段，再由反硝化菌將它們還原為N₂以提高脫氮效果。?
2.3.1 回流比對氨氮去除效果的影響
　　試驗過程中以生活污水為原水(COD平均為334mg/L，氨氮平均為32.3mg/L)， 而氨氮的去除效果隨反應器設置的回流比不同而有所變化(見表4)。

表4 不同回流比時對氨氮的去除效果 回流比(%) 進水氨氮(mg/L) 出水氨氮(mg/L) 去除率(%) 0 34.4 10.9 68.2 100 39.0 10.0 74.4 150 29.2 8.47 71.0 200 32.0 8.22 74.3

　　由表4可以看出，將出水回流有利于氨氮的去除。回流比增加到100%，對氨氮的去除率比沒有回流時有明顯提高；繼續加大回流比對提高氨氮去除率沒有顯著效果。氨氮經硝化、亞硝化產生的NO₃-、NO₂-在好氧區也有明顯增高(見圖3，取樣口的編號0代表原水，1代表缺氧區出口，2代表好氧區20cm處，3代表好氧區60cm處，4代表沉淀池出水)。

2.3.2 回流比對總氮去除的影響
　　有機氮在A/O反應器的缺氧區降解為氨氮，并與原水中的氨氮一起在好氧段進行硝化、亞硝化反應。當采用回流運行時有占氮總量［R/(R+1)］的NO₃-、NO₂-隨沉淀池出水回流進入缺氧區而被反硝化菌利用還原為N₂。假設以上過程中各種形態氮的轉化率都能達到100%，在此理想狀態下A/O工藝對總氮的去除率η為：
?　　　　　η=R/(R+1)×100%　　　　　(2)?
　　式中 ?η——去除率
?　　　　　R——回流比?
　　根據式(2)可以計算出對應于不同的回流比反應器對總氮去除率的理論值，與試驗數據進行比較的結果見表5。?
　　從表5可以看出，隨回流比增大總氮實際去除率也隨之提高，這與理論值的變化趨勢相符。由于A/O工藝缺氧段的反硝化主要以回流水中的NO-₃、NO₂-為原料，所以好氧段的硝化反應效率也會直接影響總氮去除效果。

表5 不同回流比時的總氮去除效果 回流比(%) 總氮理論去除率(%)η=R/(R+1)×100% 總氮實際平均去除率(%) 進水總氮(mg/L) 出水總氮(mg/L) 100 50 40.4 40.8 25.4 200 66.7 57.3 45.4 20.9

2.3.3 pH值和堿度對脫氮效果的影響
　　按照生活污水中有40mg/L氨氮被氧化成NO₃-(堿度/氨氮=8.85)來計算，好氧反應區內硝化反應正常進行需要堿度為354 mg/L(以CaCO₃計)，而進入好氧段的污水中堿度平均為210mg/L，可見原水經過缺氧段處理后堿度不能滿足硝化反應的需要，理論上生活污水中需要投加144mg/L的CaCO₃(相當于153mg/L的Na₂CO₃)。當回流比為200%時投加Na₂CO₃以滿足堿度需求的前后對照試驗見圖4。?

　　由圖4可見，堿度是硝化過程中的一個重要影響因素，如果堿度控制不當會對氨氮去除產生不利影響。
　　除了回流比、pH值和堿度等因素外，DO濃度對脫氮效果也有著較大影響。因缺氧段的反硝化菌是異養兼性厭氧菌，所以缺氧區內的DO濃度控制在0.5mg/L以下就不會影響 其內部微生物正常的繁殖代謝。對于好氧區，DO高有利于有機物降解和氨氮的硝化，因硝化菌是強好氧菌，應保證好氧區DO濃度控制在2～4mg/L。?

3 結論

　　① 升流式一體化A/O反應器對城市生活污水的處理效果良好，在溫度為10～30℃、停留時間為8h的情況下正常運轉的反應器對COD平均去除率為83%，BOD₅平均去除率為91%，對SS平均去除率＞95%，對氨氮平均去除率為71%。在回流比為200%時對總氮平均去除率為57%，隨著回流比增大則反應器抗沖擊負荷能力增強，對有機物、氨氮、總氮的去除率有所增加。綜合考慮增大回流比帶來的能耗問題，最佳回流比為200%。
　　② 為保證好氧區硝化菌的活性，DO應保持在2～4mg/L，應通過投加碳酸鹽堿度控制pH值在7.5～8.5；缺氧區DO應保持在0.5 mg/L以下，pH值應控制在6以上。
　　③ 該工藝結構緊湊、占地小、處理成本較低。
　　④ 該工藝耐有機物沖擊負荷，工作穩定簡單、運行管理容易，而且可根據不同需要調整運行方式，適應性強。
　　⑤ 好氧區因采用生物膜法而無污泥上浮現象，污泥產量少，在污泥回流情況下沉淀池可數月不排泥。

參考文獻：

　　［1］Sakairi MAC,Yasuda K，Matsumura M.Nitrogen removal in seawater using nitrifying and denitrifying bacteria immobilized in porous cellulose carrier［J］.Wat Sci Tech,1996,34(7,8):267-274.

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　　作者簡介：蔣展鵬(1938-)，男，浙江蕭山人，清華大學教授、博士生導師，主要從事水處理理論與技術、環境工程化學與監測等方面的研究。
　　電　話：(010)62784289
　　收稿日期：2002-01-15