耦合生物反应器污水处理特性研究

李军¹，李艺²，张韵²，张杰¹，杨海燕¹，王秋颖¹
（1. 北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100022；2. 北京市市政工程设计研究总院，北京 100035）

　　摘 要：本文阐述了流离的现象和原理，基于流离、多相生物反应原理开发了厌氧－好氧耦合生物反应器，探讨了厌氧－好氧耦合生物反应器及其污水处理、污泥减量特性。研究表明，耦合生物反应器进水COD负荷从0.64 kgCOD/(m³∙d)上升到1.58 kgCOD/(m³∙d)时，均可使COD去除率达80%以上，可承受较大的COD负荷的增长，并具有较好的硝化能力；其污泥平均产率为0.0285 kgMLSS/kgCOD，污泥减量效果好。
　　关键词：厌氧；好氧；耦合；生物处理

　　污水的生物处理技术已有一百多年的历史，活性污泥法在污水、废水生物处理进程中一直发挥着巨大的作用，是应用最为广泛的处理技术之一。但活性污泥工艺主要的弱点之一是污泥产量大，污水处理厂或住区的生活污水处理站在净化污水的同时产生了大量剩余污泥。
　　众所周知，城市污水处理厂产生的大量剩余生物污泥，需要经分离、浓缩、消化、脱水及最终处置等步骤，需要大量的基建投资和高昂的运行费用，其运行费用约为污水处理厂总运行费用的40%(烘干)～65%(焚烧)左右^[1,2]。污水处理厂污泥处理处置高昂的投资及其运行费用，一方面使得目前国内大部分污水厂未对污泥进行稳定处理或处理工艺的配套设施不完善，另一方面也使得建有完善污泥处理设施的污水厂常因其运行费用较高而基本停用；而我国住区的生活污水处理站相互分散，且规模小，基本上都没有污泥处理与处置设施，污泥的处理处置已成为迫在眉睫的难题。
　　这迫使人们去探求有效的污泥减量技术。污泥减量化是在20世纪90年代提出的对剩余污泥处置的新概念，是在对剩余污泥资源化基础上进一步提出的要求。污泥的减量化与减容化有着本质的区别。减容化是通过降低污泥的含水率来缩小污泥的体积，而污泥中生物固体(biomass)量几乎得不到减少。减量化则是通过物理、化学、生物等手段使整个污水处理系统向外排放的生物固体量达到最少，主要是依靠降低微生物产率、利用微生物自身内源呼吸进行氧化分解以及厌氧消化等^[3,4]，所以减量化是从根本上、实质上减少污泥量。因此，人们对于能减少污泥产量的生物反应器和处理工艺则更加感兴趣。本文基于流离原理和多相生物反应原理，研究、探讨了厌氧－好氧耦合生物反应器及其污水处理、污泥减量特性。

1 流离现象及原理

1.1 流离现象
　　流离现象在现实生活中经常可见，以下具体列举一些例子。桌子的下面常聚集着很多灰尘，而人行走的通道上却没有；鱼缸中若放置网箱，会在里面堆积很多悬浮物；河流底部生息的植物群落中，常能看到堆积着大量的淤泥；河流中投入的物体会随着水的流动向两岸移动等。参图1、图2。

1.2 流离原理

　　流场中的物体左右产生流速差的话，如果是理想流体，矢量是一致的，物体只会在此方向移动。但是，因水有粘性，流速快的一方要向前，那么物体将向流速慢的方向回转。这一过程连续进行的结果，物体向着流速慢的地方移动和积累，这就是流离原理的实质所在。
　　在流场中，存在着快速流动和慢速流动的地方。流离所指的就是在流场中污水里的悬浮物质（有机物、固体物、污泥）由流速快向流速慢的地方聚集的原理。
　　基于流离原理和多相生物反应原理，本文设计、构建了耦合生物反应器试验装置。

2 试验装置及试验条件

2.1 多孔微生物载体
　　根据前述自然界常见的流离原理，开发出了新型多孔微生物载体，以提供捕获悬浮颗粒的流离场和多样微生物生存所需的环境。载体为球形石料多孔载体，直径为10 cm，如图3所示。此种载体易挂膜、生物累积量大。底部穿孔管曝气，形成气、固、液混合后的推流，氧利用率高，能耗低。多孔载体的孔隙率为0.6。进水从多孔载体之中通过，球内阻力大，流速慢；而多孔载体之间相对流速快，水中悬浮物和脱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动，并在其中聚集。流动过程中经过多次的移动与聚集，实现了固形物与水的分离。
2.2 试验装置
　　本试验采用的是推流式生物反应器。反应器由有机玻璃粘制而成。反应区长120 cm，宽25 cm，高60 cm，其中有效高度是50 cm，总容积为180 L。试验采用微孔管曝气，反应区沿程均匀设有6根曝气管，只开启其中的第1、4、6根，而第2、3、5根闭合，反应器内曝气区呈好氧状态，在非曝气区呈现缺氧或厌氧状态，加强流离作用和好氧、缺氧、厌氧的交替和耦合作用。试验装置如图4所示。取样点有7个，分别为：1号（原水）、2号（第一段曝气区中间）、3号（第一段非曝气区中间）、4号（第二段曝气区中间）、5号（第二段非曝气区中间）、6号（第三段曝气区中间）和7号（出水）。取样口的高度距反应器底面30 cm，所有取样口孔径均为1 cm。

2.3 试验用水及主要分析方法
　　试验污水是北京工业大学教师生活小区的实际生活污水，从小区的化粪池引进水箱，进水的COD浓度范围在260 ～ 400 mg/L之间，平均浓度为312.41 mg/L，BOD₅平均浓度为为198.36 mg/L，BOD₅/COD均值为0.65，适合生物降解。进水的氨氮浓度比一般生活污水高，在50 ～ 90 mg/L之间，平均浓度为68.14 mg/L。进水SS为80 ～ 150 mg/L之间，SS平均浓度为130 mg/L。
　　本试验在北京工业大学试验室完成。各项指标检测方法按照国家环保总局和《水和废水监测分析方法》编委会编制的《水和废水监测分析方法》进行操作，具体使用的方法如表1所示：

表1 水质分析方法

3 试验研究

　　探讨HRT、温度、DO、进水水质等各种影响因素对耦合生物反应器的影响，通过改变这些条件,考察反应器污水处理及污泥减量的处理效果，以确定最佳的反应条件。
3.1 HRT的影响
　　① 不同HRT时进、出水COD、氨氮变化情况
　　HRT分别为10 h、8 h、6 h时COD、氨氮的去除率变化情况如图5所示。

图5 不同HRT时COD变化情况

　　由图5知，HRT为10 h、8 h、6 h时，进水COD浓度平均值分别为312.2 mg/L、315.3 mg/L、312.9 mg/L，出水COD浓度平均值分别为28.1 mg/L、43.2 mg/L、51.7 mg/L，相应COD去除率分别为91.0%、86.2%、83.5%。可以看出，随着HRT的延长，COD的去除率增高，出水COD浓度相应降低。但在HRT为6 h时，已能使出水COD小于60 mg/L，去除率达83%以上。

图6 不同HRT时氨氮变化情况

　　由图6知，HRT为10 h、8 h、6 h时，进水氨氮浓度平均分别为63.1 mg/L、67.1 mg/L、69.5 mg/L，出水氨氮浓度平均值分别为8.5 mg/L、13.3 mg/L、26.7 mg/L，相应氨氮去除率分别为86.5%、80.2%、61.6%。可见，随着HRT的延长，出水氨氮浓度相应降低，氨氮的去除率增高。
　　② TOC和各形态氮沿程变化特点
　　不同HRT时，硝态氮沿程变化情况如图7所示。HRT为10 h、8 h、6 h时，出水硝态氮浓度平均值分别为22.3 mg/L、18.5 mg/L、14.0 mg/L。可见，随着HRT的延长，出水硝态氮浓度相应上升，硝化率提高；在三种HRT时，经过第一段曝气区、第二段曝气区和第三段曝气区后硝酸盐氮浓度均显著升高，说明在三段曝气区都有硝化作用，且随着HRT的延长硝化作用提高；而第一段非曝气区的3号取样口和第二段非曝气区的5号取样口的硝酸盐氮浓度略低于其前段曝气区，说明在非曝气区进行了部分反硝化作用；第二段非曝气区的硝酸盐氮浓度下降幅度低于第一段非曝气区，这是由于第一段非曝气区的HRT长和TOC/硝酸盐氮比值高、反硝化作用好的原因；随着HRT的延长，非曝气区的反硝化作用降低，在HRT为10 h时第二段非曝气区的硝酸盐氮浓度几乎没有变化，这是由于随着HRT的延长，TOC/硝酸盐氮比值逐渐降低的原因。
　　HRT是影响氨氮去除效果和硝化效率的决定因素之一，试验重点考察了HRT为10 h、8 h时各形态氮和TOC沿程变化情况如图8、图9所示。可见，TOC、TN、氨氮沿程逐渐降低，随着HRT延长，TOC、TN、氨氮去除率提高。HRT为10 h、8 h时进水TOC、TN、氨氮分别为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、氨氮分别为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，相应TOC、TN、氨氮去除率分别为86.5%、65.1%、86.5%和84.3%、55.2%、80.2%。

　　近几年有文献^[5]证明存在同步硝化与反硝化现象（Simultaneous Nitrification and Denitrification，简称SND），尤其是有氧条件下的反硝化现象存在于各种不同的生物处理系统，如SBR^[5]、SBSBR（序批式生物膜）^[7]、生物转盘^[4]、CAST^[6]工艺等。本试验工艺HRT为10 h、8 h时有65.1%、55.2%的总氮去除率主要是由于第一段非曝气区和第二段非曝气区的部分反硝化作用和每个多孔微生物载体的厌氧、好氧耦合作用形成的SND反应，每个多孔微生物载体间隙内由于SS、剩余污泥自然地进入后积累而成厌氧、缺氧状态，载体的表面成好氧、缺氧状态，从而产生SND反应。
3.2 不同COD进水负荷的影响
　　在不同COD进水负荷的情况下，反应器对COD的去除情况如图10所示。

图10 不同COD进水负荷时COD的去除效果

　　由图10知，当进水COD负荷从0.64 kgCOD/(m³∙d)上升到1.58 kgCOD/(m³∙d)时，COD去除率均保持在80%以上，最高可达到92.4%，该反应器可承受较大的COD负荷的增长，具有较好的抗冲击负荷能力。
3.3 DO的影响
　　当HRT为8 h时，调整曝气量，使得曝气区的DO分别约为2.5 mg/L、4.5 mg/L。考察在不同DO时COD、氨氮去除情况，如图11所示。由图11知，DO浓度为2.5 mg/L和4.5 mg/L时，进水COD均值分别为312.876 mg/L和318.143 mg/L，出水COD均值分别为51.705 mg/L、33.782 mg/L，COD去除率分别83.4%、89.5%；DO浓度为2.5 mg/L和4.5 mg/L时，进水氨氮均值分别为68.35 mg/L和73.81 mg/L，出水氨氮均值分别为26.9 mg/L、11.5 mg/L，氨氮去除率分别60.1%、81.7%。可见，DO浓度COD、氨氮的去除有较大影响，DO高时COD、氨氮的去除效果较好。

图11 不同DO时COD、氨氮去除情况

3.4 温度变化对试验效果的影响
　　当HRT为10小时、曝气区的DO为4.5 mg/L时，温度分别为25℃和12℃时，COD、氨氮的变化情况如图12所示。温度为12℃时，进水COD、氨氮平均浓度分别为261.2 mg/L、68.9 mg/L，出水COD、氨氮平均浓度分别为67.3 mg/L、28.5 mg/L，去除率分别为74.2%、58.3%；温度为25℃时，进水COD、氨氮平均浓度分别为295.0 mg/L、61.0 mg/L，出水平均浓度分别为24.4 mg/L、8.2 mg/L，去除率分别为91.7%、86.7%。可见，温度变化对COD、氨氮的去除影响均较大，低温不利于COD、氨氮的去除。

3.5 载体上的生物相
　　载体表面生长着大量的丝状菌、钟虫和少量的线虫，在出水中则存在大量肉眼可见的后生动物水蚤，如图13所示。

3.6污泥减量的效果
　　本试验从2003年4月15日开始到2004年3月10日，共运行330天，一直没有排泥。在试验过程中，进水SS平均为135.0 mg/L，出水SS平均为18.6 mg/L。将反应器中的污泥排出，过滤后在103 ～ 105℃下烘干，称得总干重为483.86 g，污泥产率为0.0285 kgMLSS/kgCOD。本耦合生物反应器的污泥产率与其它工艺污泥产率比较^[10～17]，如表2所示。由表2知，本耦合生物反应器的污泥产率大大低于传统活性污泥法，也低于接触氧化和生物滤池工艺，与厌氧一好氧生物膜法产泥率相近。开始时多孔微生物载体内为好氧状态，随着时间的延长和流离的进行，载体内孔隙逐渐为积聚的SS、脱落的剩余污泥等充满而逐渐变为厌氧状态，微生物将固体污泥液化和气化，液化物和气体流出产生空洞，因流离作用SS、污泥等重新进入，从而将污泥分解。可见，耦合生物反应器具有明显的污泥减量作用，具有污泥产率低的特点。

表2 各种工艺污泥产量比较表

5 结论

　　① 耦合生物反应器具有较好的COD处理效果。当进水COD负荷从0.64 kgCOD/(m³∙d)上升到1.58 kgCOD/(m³∙d)时，COD去除率均保持在80%以上，可承受较大的COD负荷的增长，具有较好的抗冲击负荷能力。
　　② 耦合生物反应器具有较好的同步脱氮作用。HRT、DO、温度是影响氨氮去除的重要因素，氨氮的去除效果随着HRT的延长、DO的提高、温度的上升而增强；在常温、HRT为8h时有55%以上的总氮去除率，是由于非曝气区的部分反硝化作用和多孔微生物载体形成的SND 反应。
　　③ 耦合生物反应器具有污泥产率低、污泥减量显著的特点，其污泥产率为0.0285 kgMLSS/kgCOD。

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