1 试验条件
一体化A/O生物膜反应器试验装置见图1。
缺氧区采用70mm球形填料，其堆积体积约为20L；好氧区采用半软性填料(高度为0.70m)。曝气头安装在好氧区底部。
原水采用清华大学学生宿舍区生活污水，其COD为150～600mg/L、SS为100～400mg/L、碱度平均为350mg/L(以CaCO3计)，pH值为6.5～7.5，必要时添加工业用葡萄【水处理设备】糖以提高原水COD值。
1.2 试验方法
1.2.1 反应器的启动
启动初期采用高容积负荷、低水力负荷的运行方式(进水COD约为800mg/L，流量为50L/d)，启动3周后直接进生活污水，并将进水流量调至设计流量(100L/d)，此时出水COD 值平均为47mg/L，标志着启动工作完成。
1.2.2 试验内容
① 对有机物的去除
a.保持基本运行工艺参数(见表1)不变且无回流，通过改变进水COD浓度来改变系统容积负荷，分别研究各种浓度下反应器对有机物的处理效果。
b.保持HRT、pH值、DO等参数不变(见表1)，在0～200%范围内调节回流比，比较反应器对COD的去除情况。
| 项目 | 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 对SS的去除
保持HRT、pH值、DO等参数不变(见表1)，考察不同回流比、不同容积负荷条件下反应器对SS的去除效果。
③ 对氮的去除
a.保持HRT、pH值、DO等参数不变(见表1)，比较不同回流比(0～200%)下反应器对氨氮和总氮的去除情况。
b.当回流比为200%，保持表1中其他工艺参数不变，调节缺氧段、好氧段碱度以考察pH值和碱度变化对反应器脱氮效果的影响。
1.3 测定项目
水样为日平均样，每天测定进、出水的COD、SCOD、SS、pH值、碱度，不定时测定进、出水的BOD5，均采用标准测定方法。
2 结果与讨论
2.1 对有机物的去除
2.1.1 对不同浓度污水的处理效果比较
为考察不同进水COD浓度下的处理效果，试验按低浓度(COD为190～380mg/L、SCOD为98～133mg/L)、中等浓度(COD为428～525mg/L、SCOD为288～440mg/L)、高浓度(COD为553～659mg/L、SCOD为423～518mg/L)3个阶段进行，其中低浓度时直接采用生活污水，中、高浓度时则在原水中加入工业葡萄糖。试验结果见表2和图2。
| 项 目 | 低浓度 | 中等浓度 | 高浓度 | |
| 进水(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——进水有机物浓度，mg/L
y——出水有机物浓度，mg/L
R——相关系数
2.1.2 不同回流比对有机物处理效果的影响
将沉淀池出水回流至反应器进水口，考察COD去除率随回流比变化的情况(见表3)。
| 回流比(%) | 进水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(%) | 总去除率(%) |
| 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：*考虑了沉淀池污泥回流对原水的稀释作用。 | ||||||
由表3可以看出，提高回流比有利于反应器对有机物的去除，尤其对好氧段去除率的提高较为明显，但对COD的总去除率影响甚微。原水BOD5值为100～160mg/L，出水BOD5值为6～14mg/L(平均为8.3mg/L)，回流比的改变对出水BOD5值的影响也不显著。
2.2 对SS的去除
反应器好氧段采用生物膜法保证了出水SS值较低。进水SS为230～495mg/L(平均410mg/L)时，在正常运行条件下出水外观清澈良好，SS一般难以检出(从未超过10mg/L)，绝大多数情况下对SS去除率能够保证高于95%。
2.3 对氮的去除
将沉淀池出水回流到进水口可形成“前置式反硝化生物脱氮系统”，污水中的含氮有机物在缺氧段被异养微生物氨化，在好氧段中由硝化菌将氨氮硝化，比较后NO2-和NO3-随沉淀池出水回流到缺氧段，再由反硝化菌将它们还原为N2以提高脱氮效果。
2.3.1 回流比对氨氮去除效果的影响
试验过程中以生活污水为原水(COD平均为334mg/L，氨氮平均为32.3mg/L)， 而氨氮的去除效果随反应器设置的回流比不同而有所变化(见表4)。
| 回流比(%) | 进水氨氮(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 回流比对总氮去除的影响
有机氮在A/O反应器的缺氧区降解为氨氮，并与原水中的氨氮一起在好氧段进行硝化、亚硝化反应。当采用回流运行时有占氮总量［R/(R+1)］的NO3-、NO2-随沉淀池出水回流进入缺氧区而被反硝化菌利用还原为N2。假设以上过程中各种形态氮的转化率都能达到100%，在此理想状态下A/O工艺对总氮的去除率η为：
η=R/(R+1)×100% (2)
式中 η——去除率
R——回流比
根据式(2)可以计算出对应于不同的回流比反应器对总氮去除率的理论值，与试验数据进行比较的结果见表5。
从表5可以看出，随回流比增大总氮实际去除率也随之提高，这与理论值的变化趋势相符。由于A/O工艺缺氧段的反硝化主要以回流水中的NO-3、NO2-为原料，所以好氧段的硝化反应效率也会直接影响总氮去除效果。
| 回流比(%) | 总氮理论去除率(%)η=R/(R+1)×100% | 总氮实际平均去除率(%) | 进水总氮(mg/L) | 出水总氮(mg/L) |
| 100 | 50 | 40.4 | 40.8 | 25.4 |
| 200 | 66.7 | 57.3 | 45.4 | 20.9 |
2.3.3 pH值和碱度对脱氮效果的影响
按照生活污水中有40mg/L氨氮被氧化成NO3-(碱度/氨氮=8.85)来计算，好氧反应区内硝化反应正常进行需要碱度为354 mg/L(以CaCO3计)，而进入好氧段的污水中碱度平均为210mg/L，可见原水经过缺氧段处理后碱度不能满足硝化反应的需要，理论上生活污水中需要投加144mg/L的CaCO3(相当于153mg/L的Na2CO3)。当回流比为200%时投加Na2CO3以满足碱度需求的前后对照试验见图4。
除了回流比、pH值和碱度等因素外，DO浓度对脱氮效果也有着较大影响。因缺氧段的反硝化菌是异养兼性厌氧菌，所以缺氧区内的DO浓度控制在0.5mg/L以下就不会影响 其内部微生物正常的繁殖代谢。对于好氧区，DO高有利于有机物降解和氨氮的硝化，因硝化菌是强好氧菌，应保证好氧区DO浓度控制在2～4mg/L。
3 结论
① 升流式一体化A/O反应器对城市生活污水的处理效果良好，在温度为10～30℃、停留时间为8h的情况下正常运转的反应器对COD平均去除率为83%，BOD5平均去除率为91%，对SS平均去除率＞95%，对氨氮平均去除率为71%。在回流比为200%时对总氮平均去除率为57%，随着回流比增大则反应器抗冲击负荷能力增强，对有机物、氨氮、总氮的去除率有所增加。综合考虑增大回流比带来的能耗问题，比较佳回流比为200%。
② 为保证好氧区硝化菌的活性，DO应保持在2～4mg/L，应通过投加碳酸盐碱度控制pH值在7.5～8.5；缺氧区DO应保持在0.5 mg/L以下，pH值应控制在6以上。
③ 该工艺结构紧凑、占地小、处理成本较低。
④ 该工艺耐有机物冲击负荷，工作稳定简单、运行管理容易，而且可根据不同需要调整运行方式，适应性强。
⑤ 好氧区因采用生物膜法而无污泥上浮现象，污泥产量少，在污泥回流情况下沉淀池可数月不排泥。
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