1 試驗條件
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【水處理設備】糖以提高原水COD值。
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。
| 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。
| 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 | |
? 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)。
| 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，比較后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)。
| 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 |
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。
| 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。?
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，比較佳回流比為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。
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