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。
　　原水采用清華大學學生宿舍區(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(diào)至設(shè)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(nèi)容
　　① 對有機物的去除
　　a.保持基本運行工藝參數(shù)(見表1)不變且無回流，通過改變進水COD濃度來改變系統(tǒng)容積負荷，分別研究各種濃度下反應(yīng)器對有機物的處理效果。
　　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。

　?、?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、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(jié)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(yè)葡萄糖。試驗結(jié)果見表2和圖2。

從表2和圖2可以看出，進水有機物濃度的提高主要體現(xiàn)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(yīng)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(yīng)器出水COD濃度經(jīng)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(jù)進水有機物濃度初步預測在試驗運行條件下反應(yīng)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(guān)系數(shù)
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(yīng)器進水口，考察COD去除率隨回流比變化的情況(見表3)。

　　由表3可以看出，提高回流比有利于反應(yīng)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?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，zui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)。

　　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?，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行硝化、亞硝化反應(yīng)。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(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)化率都能達到*，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)×*　　　　　(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。 

　生活污水處理一體化AO工藝設(shè)備生活污水處理一體化AO工藝設(shè)備

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(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(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高有利于有機物降解和氨氮的硝化，因硝化菌是強好氧菌，應(yīng)保證好氧區(qū)DO濃度控制在2～4mg/L。

3 結(jié)論

　?、?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，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。
　?、?該工藝結(jié)構(gòu)緊湊、占地小、處理成本較低。
　?、?該工藝耐有機物沖擊負荷，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。
　?、?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。