蔣展鵬，鐘燕敏，師紹琪
(清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系， 北京 100084)

　　 摘　要：根據(jù)缺氧/好氧(Anoxic/Oxic,A/O)工藝原理設(shè)計了升流式一體化A/O生物膜反應(yīng)器，并就反應(yīng)器對生活污水的處理效果和運行參數(shù)進(jìn)行了試驗。結(jié)果表明，當(dāng)缺氧區(qū)HR為5h、好氧區(qū)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(yīng)器內(nèi)適宜的堿度可獲得良好而穩(wěn)定的脫氮效果；剩余污泥少，無需頻繁排泥。
　　關(guān)鍵詞：一體化；A/O工藝；生物膜反應(yīng)器；生活污水
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)因其耗能少、成本低的特點而逐漸應(yīng)用于生活污水處理領(lǐng)域，但一般仍需后處理工藝(多采用傳統(tǒng)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(jīng)兩個反應(yīng)區(qū)，將缺氧區(qū)厭氧微生物對污水中有機(jī)物的降解控制在酸化階段，產(chǎn)生于缺氧段的發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)好氧段微生物進(jìn)一步分解、轉(zhuǎn)化以達(dá)到去除原水中污染物的目的。根據(jù)需要還可將沉淀池出水回流至反應(yīng)器進(jìn)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(zhì)
　　一體化A/O生物膜反應(yīng)器試驗裝置見圖1。
　　缺氧區(qū)采用70mm球形填料，其堆積體積約為20L；好氧區(qū)采用半軟性填料(高度為0.70m)。曝氣頭安裝在好氧區(qū)底部。?
　　原水采用清華大學(xué)學(xué)生宿舍區(qū)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(yè)用葡萄糖以提高原水COD值。

　　缺氧段反應(yīng)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(yīng)器的啟動
　　啟動初期采用高容積負(fù)荷、低水力負(fù)荷的運行方式(進(jìn)水COD約為800mg/L，流量為50L/d)，啟動3周后直接進(jìn)生活污水，并將進(jìn)水流量調(diào)至設(shè)計流量(100L/d)，此時出水COD 值平均為47mg/L，標(biāo)志著啟動工作完成。
1.2.2 試驗內(nèi)容
　　① 對有機(jī)物的去除
　　a.保持基本運行工藝參數(shù)(見表1)不變且無回流，通過改變進(jìn)水COD濃度來改變系統(tǒng)容積負(fù)荷，分別研究各種濃度下反應(yīng)器對有機(jī)物的處理效果。
　　b.保持HRT、pH值、DO等參數(shù)不變(見表1)，在0～200%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)回流比，比較反應(yīng)器對COD的去除情況。

表1 基本運行參數(shù) 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

　?、?對SS的去除
　　保持HRT、pH值、DO等參數(shù)不變(見表1)，考察不同回流比、不同容積負(fù)荷條件下反應(yīng)器對SS的去除效果。?
　?、?對氮的去除
　　a.保持HRT、pH值、DO等參數(shù)不變(見表1)，比較不同回流比(0～200%)下反應(yīng)器對氨氮和總氮的去除情況。?
　　b.當(dāng)回流比為200%，保持表1中其他工藝參數(shù)不變，調(diào)節(jié)缺氧段、好氧段堿度以考察pH值和堿度變化對反應(yīng)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(jìn)、出水的COD、SCOD、SS、pH值、堿度，不定時測定進(jìn)、出水的BOD₅，均采用標(biāo)準(zhǔn)測定方法。?

2 結(jié)果與討論

2.1 對有機(jī)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(jìn)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(jìn)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(yè)葡萄糖。試驗結(jié)果見表2和圖2。

表2 反應(yīng)器在不同進(jìn)水有機(jī)物濃度時的去除效果 項 目 低濃度 中等濃度 高濃度 進(jìn)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(jìn)水有機(jī)物濃度的提高主要體現(xiàn)在溶解性有機(jī)物部分，隨著原水COD提高，出水的COD、SCOD濃度也相應(yīng)上升，但即使進(jìn)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(yīng)器出水COD濃度經(jīng)過擬合得到一條曲線(表達(dá)式見式1)。通過這條曲線可以根據(jù)進(jìn)水有機(jī)物濃度初步預(yù)測在試驗運行條件下反應(yīng)器出水有機(jī)物的大致濃度。?
?　　　　　　y?=0.000 2x²-0.033 6x+21.347　　　　　(1)?
?　　　　　　R²=0.989 2?
式中 ?x——進(jìn)水有機(jī)物濃度，mg/L?
?　　　　　y——出水有機(jī)物濃度，mg/L?
?　　　　　R——相關(guān)系數(shù)?
2.1.2 不同回流比對有機(jī)物處理效果的影響
　　將沉淀池出水回流至反應(yīng)器進(jìn)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(jìn)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?cè)コ?%) 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(yīng)器對有機(jī)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?cè)コ视绊懮跷?。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(yīng)器好氧段采用生物膜法保證了出水SS值較低。進(jìn)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(shù)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(jìn)水口可形成“前置式反硝化生物脫氮系統(tǒng)”，污水中的含氮有機(jī)物在缺氧段被異養(yǎng)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(yīng)器設(shè)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(jìn)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?；亓鞅仍黾拥?00%，對氨氮的去除率比沒有回流時有明顯提高；繼續(xù)加大回流比對提高氨氮去除率沒有顯著效果。氨氮經(jīng)硝化、亞硝化產(chǎn)生的NO₃-、NO₂-在好氧區(qū)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(qū)出口，2代表好氧區(qū)20cm處，3代表好氧區(qū)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(jī)氮在A/O反應(yīng)器的缺氧區(qū)降解為氨氮，并與原水中的氨氮一起在好氧段進(jìn)行硝化、亞硝化反應(yīng)。當(dāng)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(jìn)入缺氧區(qū)而被反硝化菌利用還原為N₂。假設(shè)以上過程中各種形態(tài)氮的轉(zhuǎn)化率都能達(dá)到100%，在此理想狀態(tài)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(jù)式(2)可以計算出對應(yīng)于不同的回流比反應(yīng)器對總氮去除率的理論值，與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的結(jié)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(yīng)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(jìn)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(yīng)區(qū)內(nèi)硝化反應(yīng)正常進(jìn)行需要堿度為354 mg/L(以CaCO₃計)，而進(jìn)入好氧段的污水中堿度平均為210mg/L，可見原水經(jīng)過缺氧段處理后堿度不能滿足硝化反應(yīng)的需要，理論上生活污水中需要投加144mg/L的CaCO₃(相當(dāng)于153mg/L的Na₂CO₃)。當(dāng)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(dāng)會對氨氮去除產(chǎn)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(yǎng)兼性厭氧菌，所以缺氧區(qū)內(nèi)的DO濃度控制在0.5mg/L以下就不會影響 其內(nèi)部微生物正常的繁殖代謝。對于好氧區(qū)，DO高有利于有機(jī)物降解和氨氮的硝化，因硝化菌是強(qiáng)好氧菌，應(yīng)保證好氧區(qū)DO濃度控制在2～4mg/L。?

3 結(jié)論

　　① 升流式一體化A/O反應(yīng)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(zhuǎn)的反應(yīng)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(yīng)器抗沖擊負(fù)荷能力增強(qiáng)，對有機(jī)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%。
　?、?為保證好氧區(qū)硝化菌的活性，DO應(yīng)保持在2～4mg/L，應(yīng)通過投加碳酸鹽堿度控制pH值在7.5～8.5；缺氧區(qū)DO應(yīng)保持在0.5 mg/L以下，pH值應(yīng)控制在6以上。
　　③ 該工藝結(jié)構(gòu)緊湊、占地小、處理成本較低。
　?、?該工藝耐有機(jī)物沖擊負(fù)荷，工作穩(wěn)定簡單、運行管理容易，而且可根據(jù)不同需要調(diào)整運行方式，適應(yīng)性強(qiáng)。
　　⑤ 好氧區(qū)因采用生物膜法而無污泥上浮現(xiàn)象，污泥產(chǎn)量少，在污泥回流情況下沉淀池可數(shù)月不排泥。

參考文獻(xiàn)：

　?。?］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(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要從事水處理理論與技術(shù)、環(huán)境工程化學(xué)與監(jiān)測等方面的研究。
　　電　話：(010)62784289
　　收稿日期：2002-01-15