李軍¹，李藝²，張韻²，張杰¹，楊海燕¹，王秋穎¹
（1. 北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點實驗室，北京 100022；2. 北京市市政工程設(shè)計研究總院，北京 100035）

　　摘 要：本文闡述了流離的現(xiàn)象和原理，基于流離、多相生物反應(yīng)原理開發(fā)了厭氧－好氧耦合生物反應(yīng)器，探討了厭氧－好氧耦合生物反應(yīng)器及其污水處理、污泥減量特性。研究表明，耦合生物反應(yīng)器進水COD負荷從0.64 kgCOD/(m³∙d)上升到1.58 kgCOD/(m³∙d)時，均可使COD去除率達80%以上，可承受較大的COD負荷的增長，并具有較好的硝化能力；其污泥平均產(chǎn)率為0.0285 kgMLSS/kgCOD，污泥減量效果好。
　　關(guān)鍵詞：厭氧；好氧；耦合；生物處理

　　污水的生物處理技術(shù)已有一百多年的歷史，活性污泥法在污水、廢水生物處理進程中一直發(fā)揮著巨大的作用，是應(yīng)用最為廣泛的處理技術(shù)之一。但活性污泥工藝主要的弱點之一是污泥產(chǎn)量大，污水處理廠或住區(qū)的生活污水處理站在凈化污水的同時產(chǎn)生了大量剩余污泥。
　　眾所周知，城市污水處理廠產(chǎn)生的大量剩余生物污泥，需要經(jīng)分離、濃縮、消化、脫水及最終處置等步驟，需要大量的基建投資和高昂的運行費用，其運行費用約為污水處理廠總運行費用的40%(烘干)～65%(焚燒)左右^[1,2]。污水處理廠污泥處理處置高昂的投資及其運行費用，一方面使得目前國內(nèi)大部分污水廠未對污泥進行穩(wěn)定處理或處理工藝的配套設(shè)施不完善，另一方面也使得建有完善污泥處理設(shè)施的污水廠常因其運行費用較高而基本停用；而我國住區(qū)的生活污水處理站相互分散，且規(guī)模小，基本上都沒有污泥處理與處置設(shè)施，污泥的處理處置已成為迫在眉睫的難題。
　　這迫使人們?nèi)ヌ角笥行У奈勰鄿p量技術(shù)。污泥減量化是在20世紀90年代提出的對剩余污泥處置的新概念，是在對剩余污泥資源化基礎(chǔ)上進一步提出的要求。污泥的減量化與減容化有著本質(zhì)的區(qū)別。減容化是通過降低污泥的含水率來縮小污泥的體積，而污泥中生物固體(biomass)量幾乎得不到減少。減量化則是通過物理、化學(xué)、生物等手段使整個污水處理系統(tǒng)向外排放的生物固體量達到最少，主要是依靠降低微生物產(chǎn)率、利用微生物自身內(nèi)源呼吸進行氧化分解以及厭氧消化等^[3,4]，所以減量化是從根本上、實質(zhì)上減少污泥量。因此，人們對于能減少污泥產(chǎn)量的生物反應(yīng)器和處理工藝則更加感興趣。本文基于流離原理和多相生物反應(yīng)原理，研究、探討了厭氧－好氧耦合生物反應(yīng)器及其污水處理、污泥減量特性。

1 流離現(xiàn)象及原理

1.1 流離現(xiàn)象
　　流離現(xiàn)象在現(xiàn)實生活中經(jīng)常可見，以下具體列舉一些例子。桌子的下面常聚集著很多灰塵，而人行走的通道上卻沒有；魚缸中若放置網(wǎng)箱，會在里面堆積很多懸浮物；河流底部生息的植物群落中，常能看到堆積著大量的淤泥；河流中投入的物體會隨著水的流動向兩岸移動等。參圖1、圖2。

1.2 流離原理

　　流場中的物體左右產(chǎn)生流速差的話，如果是理想流體，矢量是一致的，物體只會在此方向移動。但是，因水有粘性，流速快的一方要向前，那么物體將向流速慢的方向回轉(zhuǎn)。這一過程連續(xù)進行的結(jié)果，物體向著流速慢的地方移動和積累，這就是流離原理的實質(zhì)所在。
　　在流場中，存在著快速流動和慢速流動的地方。流離所指的就是在流場中污水里的懸浮物質(zhì)（有機物、固體物、污泥）由流速快向流速慢的地方聚集的原理。
　　基于流離原理和多相生物反應(yīng)原理，本文設(shè)計、構(gòu)建了耦合生物反應(yīng)器試驗裝置。

2 試驗裝置及試驗條件

2.1 多孔微生物載體
　　根據(jù)前述自然界常見的流離原理，開發(fā)出了新型多孔微生物載體，以提供捕獲懸浮顆粒的流離場和多樣微生物生存所需的環(huán)境。載體為球形石料多孔載體，直徑為10 cm，如圖3所示。此種載體易掛膜、生物累積量大。底部穿孔管曝氣，形成氣、固、液混合后的推流，氧利用率高，能耗低。多孔載體的孔隙率為0.6。進水從多孔載體之中通過，球內(nèi)阻力大，流速慢；而多孔載體之間相對流速快，水中懸浮物和脫落生物膜等固形物由水流流速快的地方向流速慢的孔隙中移動，并在其中聚集。流動過程中經(jīng)過多次的移動與聚集，實現(xiàn)了固形物與水的分離。
2.2 試驗裝置
　　本試驗采用的是推流式生物反應(yīng)器。反應(yīng)器由有機玻璃粘制而成。反應(yīng)區(qū)長120 cm，寬25 cm，高60 cm，其中有效高度是50 cm，總?cè)莘e為180 L。試驗采用微孔管曝氣，反應(yīng)區(qū)沿程均勻設(shè)有6根曝氣管，只開啟其中的第1、4、6根，而第2、3、5根閉合，反應(yīng)器內(nèi)曝氣區(qū)呈好氧狀態(tài)，在非曝氣區(qū)呈現(xiàn)缺氧或厭氧狀態(tài)，加強流離作用和好氧、缺氧、厭氧的交替和耦合作用。試驗裝置如圖4所示。取樣點有7個，分別為：1號（原水）、2號（第一段曝氣區(qū)中間）、3號（第一段非曝氣區(qū)中間）、4號（第二段曝氣區(qū)中間）、5號（第二段非曝氣區(qū)中間）、6號（第三段曝氣區(qū)中間）和7號（出水）。取樣口的高度距反應(yīng)器底面30 cm，所有取樣口孔徑均為1 cm。

2.3 試驗用水及主要分析方法
　　試驗污水是北京工業(yè)大學(xué)教師生活小區(qū)的實際生活污水，從小區(qū)的化糞池引進水箱，進水的COD濃度范圍在260 ～ 400 mg/L之間，平均濃度為312.41 mg/L，BOD₅平均濃度為為198.36 mg/L，BOD₅/COD均值為0.65，適合生物降解。進水的氨氮濃度比一般生活污水高，在50 ～ 90 mg/L之間，平均濃度為68.14 mg/L。進水SS為80 ～ 150 mg/L之間，SS平均濃度為130 mg/L。
　　本試驗在北京工業(yè)大學(xué)試驗室完成。各項指標檢測方法按照國家環(huán)保總局和《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會編制的《水和廢水監(jiān)測分析方法》進行操作，具體使用的方法如表1所示：

表1 水質(zhì)分析方法

3 試驗研究

　　探討HRT、溫度、DO、進水水質(zhì)等各種影響因素對耦合生物反應(yīng)器的影響，通過改變這些條件,考察反應(yīng)器污水處理及污泥減量的處理效果，以確定最佳的反應(yīng)條件。
3.1 HRT的影響
　　① 不同HRT時進、出水COD、氨氮變化情況
　　HRT分別為10 h、8 h、6 h時COD、氨氮的去除率變化情況如圖5所示。

圖5 不同HRT時COD變化情況

　　由圖5知，HRT為10 h、8 h、6 h時，進水COD濃度平均值分別為312.2 mg/L、315.3 mg/L、312.9 mg/L，出水COD濃度平均值分別為28.1 mg/L、43.2 mg/L、51.7 mg/L，相應(yīng)COD去除率分別為91.0%、86.2%、83.5%。可以看出，隨著HRT的延長，COD的去除率增高，出水COD濃度相應(yīng)降低。但在HRT為6 h時，已能使出水COD小于60 mg/L，去除率達83%以上。

圖6 不同HRT時氨氮變化情況

　　由圖6知，HRT為10 h、8 h、6 h時，進水氨氮濃度平均分別為63.1 mg/L、67.1 mg/L、69.5 mg/L，出水氨氮濃度平均值分別為8.5 mg/L、13.3 mg/L、26.7 mg/L，相應(yīng)氨氮去除率分別為86.5%、80.2%、61.6%。可見，隨著HRT的延長，出水氨氮濃度相應(yīng)降低，氨氮的去除率增高。
　　② TOC和各形態(tài)氮沿程變化特點
　　不同HRT時，硝態(tài)氮沿程變化情況如圖7所示。HRT為10 h、8 h、6 h時，出水硝態(tài)氮濃度平均值分別為22.3 mg/L、18.5 mg/L、14.0 mg/L。可見，隨著HRT的延長，出水硝態(tài)氮濃度相應(yīng)上升，硝化率提高；在三種HRT時，經(jīng)過第一段曝氣區(qū)、第二段曝氣區(qū)和第三段曝氣區(qū)后硝酸鹽氮濃度均顯著升高，說明在三段曝氣區(qū)都有硝化作用，且隨著HRT的延長硝化作用提高；而第一段非曝氣區(qū)的3號取樣口和第二段非曝氣區(qū)的5號取樣口的硝酸鹽氮濃度略低于其前段曝氣區(qū)，說明在非曝氣區(qū)進行了部分反硝化作用；第二段非曝氣區(qū)的硝酸鹽氮濃度下降幅度低于第一段非曝氣區(qū)，這是由于第一段非曝氣區(qū)的HRT長和TOC/硝酸鹽氮比值高、反硝化作用好的原因；隨著HRT的延長，非曝氣區(qū)的反硝化作用降低，在HRT為10 h時第二段非曝氣區(qū)的硝酸鹽氮濃度幾乎沒有變化，這是由于隨著HRT的延長，TOC/硝酸鹽氮比值逐漸降低的原因。
　　HRT是影響氨氮去除效果和硝化效率的決定因素之一，試驗重點考察了HRT為10 h、8 h時各形態(tài)氮和TOC沿程變化情況如圖8、圖9所示。可見，TOC、TN、氨氮沿程逐漸降低，隨著HRT延長，TOC、TN、氨氮去除率提高。HRT為10 h、8 h時進水TOC、TN、氨氮分別為105.3 mg/L、100.0 mg/L、63.1 mg/L和107.5 mg/L、77.2 mg/L、67.1 mg/L，出水TOC、TN、氨氮分別為14.2 mg/L、34.9 mg/L、8.5 mg/L和16.9 mg/L、34.6 mg/L、13.3 mg/L，相應(yīng)TOC、TN、氨氮去除率分別為86.5%、65.1%、86.5%和84.3%、55.2%、80.2%。

　　近幾年有文獻^[5]證明存在同步硝化與反硝化現(xiàn)象（Simultaneous Nitrification and Denitrification，簡稱SND），尤其是有氧條件下的反硝化現(xiàn)象存在于各種不同的生物處理系統(tǒng)，如SBR^[5]、SBSBR（序批式生物膜）^[7]、生物轉(zhuǎn)盤^[4]、CAST^[6]工藝等。本試驗工藝HRT為10 h、8 h時有65.1%、55.2%的總氮去除率主要是由于第一段非曝氣區(qū)和第二段非曝氣區(qū)的部分反硝化作用和每個多孔微生物載體的厭氧、好氧耦合作用形成的SND反應(yīng)，每個多孔微生物載體間隙內(nèi)由于SS、剩余污泥自然地進入后積累而成厭氧、缺氧狀態(tài)，載體的表面成好氧、缺氧狀態(tài)，從而產(chǎn)生SND反應(yīng)。
3.2 不同COD進水負荷的影響
　　在不同COD進水負荷的情況下，反應(yīng)器對COD的去除情況如圖10所示。

圖10 不同COD進水負荷時COD的去除效果

　　由圖10知，當進水COD負荷從0.64 kgCOD/(m³∙d)上升到1.58 kgCOD/(m³∙d)時，COD去除率均保持在80%以上，最高可達到92.4%，該反應(yīng)器可承受較大的COD負荷的增長，具有較好的抗沖擊負荷能力。
3.3 DO的影響
　　當HRT為8 h時，調(diào)整曝氣量，使得曝氣區(qū)的DO分別約為2.5 mg/L、4.5 mg/L。考察在不同DO時COD、氨氮去除情況，如圖11所示。由圖11知，DO濃度為2.5 mg/L和4.5 mg/L時，進水COD均值分別為312.876 mg/L和318.143 mg/L，出水COD均值分別為51.705 mg/L、33.782 mg/L，COD去除率分別83.4%、89.5%；DO濃度為2.5 mg/L和4.5 mg/L時，進水氨氮均值分別為68.35 mg/L和73.81 mg/L，出水氨氮均值分別為26.9 mg/L、11.5 mg/L，氨氮去除率分別60.1%、81.7%。可見，DO濃度COD、氨氮的去除有較大影響，DO高時COD、氨氮的去除效果較好。

圖11 不同DO時COD、氨氮去除情況

3.4 溫度變化對試驗效果的影響
　　當HRT為10小時、曝氣區(qū)的DO為4.5 mg/L時，溫度分別為25℃和12℃時，COD、氨氮的變化情況如圖12所示。溫度為12℃時，進水COD、氨氮平均濃度分別為261.2 mg/L、68.9 mg/L，出水COD、氨氮平均濃度分別為67.3 mg/L、28.5 mg/L，去除率分別為74.2%、58.3%；溫度為25℃時，進水COD、氨氮平均濃度分別為295.0 mg/L、61.0 mg/L，出水平均濃度分別為24.4 mg/L、8.2 mg/L，去除率分別為91.7%、86.7%。可見，溫度變化對COD、氨氮的去除影響均較大，低溫不利于COD、氨氮的去除。

3.5 載體上的生物相
　　載體表面生長著大量的絲狀菌、鐘蟲和少量的線蟲，在出水中則存在大量肉眼可見的后生動物水蚤，如圖13所示。

3.6污泥減量的效果
　　本試驗從2003年4月15日開始到2004年3月10日，共運行330天，一直沒有排泥。在試驗過程中，進水SS平均為135.0 mg/L，出水SS平均為18.6 mg/L。將反應(yīng)器中的污泥排出，過濾后在103 ～ 105℃下烘干，稱得總干重為483.86 g，污泥產(chǎn)率為0.0285 kgMLSS/kgCOD。本耦合生物反應(yīng)器的污泥產(chǎn)率與其它工藝污泥產(chǎn)率比較^[10～17]，如表2所示。由表2知，本耦合生物反應(yīng)器的污泥產(chǎn)率大大低于傳統(tǒng)活性污泥法，也低于接觸氧化和生物濾池工藝，與厭氧一好氧生物膜法產(chǎn)泥率相近。開始時多孔微生物載體內(nèi)為好氧狀態(tài)，隨著時間的延長和流離的進行，載體內(nèi)孔隙逐漸為積聚的SS、脫落的剩余污泥等充滿而逐漸變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，微生物將固體污泥液化和氣化，液化物和氣體流出產(chǎn)生空洞，因流離作用SS、污泥等重新進入，從而將污泥分解。可見，耦合生物反應(yīng)器具有明顯的污泥減量作用，具有污泥產(chǎn)率低的特點。

表2 各種工藝污泥產(chǎn)量比較表

5 結(jié)論

　　① 耦合生物反應(yīng)器具有較好的COD處理效果。當進水COD負荷從0.64 kgCOD/(m³∙d)上升到1.58 kgCOD/(m³∙d)時，COD去除率均保持在80%以上，可承受較大的COD負荷的增長，具有較好的抗沖擊負荷能力。
　　② 耦合生物反應(yīng)器具有較好的同步脫氮作用。HRT、DO、溫度是影響氨氮去除的重要因素，氨氮的去除效果隨著HRT的延長、DO的提高、溫度的上升而增強；在常溫、HRT為8h時有55%以上的總氮去除率，是由于非曝氣區(qū)的部分反硝化作用和多孔微生物載體形成的SND 反應(yīng)。
　　③ 耦合生物反應(yīng)器具有污泥產(chǎn)率低、污泥減量顯著的特點，其污泥產(chǎn)率為0.0285 kgMLSS/kgCOD。

參考文獻

[1] Low E W, Chase H A.Reducing production of excess biomass during wastewater treatment [J]. Water Research, 1999, 33(5): 1119-1132.
四、 Campbell H W. Sludge management-future issues and trends [J]. Wat Sci Tech, 2000, 41(8): 1-8.
五、 Lee N M and Welander T. Reducing sludge Production in Aerobic Wastewater Treatment Through Manipulation of the Ecosystem [J]. Water Research, 1996, 30(8): 1781-1790.
六、 Ghyoot W, Verstraete W.Reduced sludge production in a two-stage membrane-assisted bioreactor [J]. Water Research, 2000, 34(1): 205-215.
七、 Hyungseok Yoo, Kyu-Hong Ahn. Nitrogen removal from synthetic wastewater by simultaneous nitrification and denitrification (SND) via nitrite in an intermittently-aerated reactor [J]. Wat. Res, 1999, 33(1): 145-154.
八、 Elisabeth V Munch, et al. Simultaneous nitrification and denitrification in bench-scale sequencing batch reactor [J]. Wat. Res., 1996, 30(2): 277-284.
九、 李軍, 王寶貞, 聶梅生. 序批式生物膜法脫氮特性研究[J]. 中國給水排水, 2004, 17(7): 1-4.
十、 Mervyn C Goronszy, Gunnar Demouiin and Mark Newland. Aerated nitrification in full-scale activated sludge facilities [J]. Wat. Sci. Tech., 1997, 35(10): 103-110.
十一、 Y. Watanabe, et al. Simultaneous nitrification and denitrification in micro-aerobic biofilms [J]. Wat. Sci. Tech., 1992, 26(3-4): 511-522.
十二、 曹國良, 姚萍萍, 毛歡慶. SBR處理中藥材有機廢水工藝研究[J]. 上海環(huán)境科學(xué), 1996, 15(2).
十三、 蔣京京, 劉峰, 陳雷, 馬三劍. 蚌埠檸檬酸廠綜合廢水的UASB法處理[J]. 蘇州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報, 1998, 11(3).
十四、 劉康懷, 席為民, 李月中. HCR一種高效好氧生物技術(shù)[J]. 給水排水, 26(4): 25-28.
十五、 李亞, 張紅燕. 處理垃圾滲濾液的新嘗試: 交替運行式氧化溝（PID）技術(shù)[J]. 環(huán)境保護, 2001,(9): 22-23.
十六、 何圣兵, 王寶貞, 王琳, 崔洪生. 厭氧、好氧生物膜處理污水、污泥的研究[J]. 中國給水排水, 2002, 18:39-41.
十七、 勞善根, 胡宏, 童永忠. 厭氧濾池、膨脹床和流化床的消化特性[J]. 環(huán)境污染與防止, 1995, 17(2).
十八、 張紹園, 閆百瑞. 二段淹沒式膜生物反應(yīng)器處理城市污水的研究[J]. 工業(yè)用水與廢水, 2003, 36(6): 40-42.
十九、 李軍, 趙琦, 聶梅生, 王寶貞. 淹沒式生物膜法除磷生物膜特性研究[J]. 給水排水, 2002, 28(4): 23-26.
二十、 白曉慧, 王寶貞, 李剛. 一體式膜－復(fù)合生物反應(yīng)器處理生活污水的試驗研究[J]. 哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報, 1999, 32(4): 65-68.