生物脱氮工艺如A/O 被认为是目前废水脱氮处理最经济有效的方法之一。然而，传统A/O 工艺中硝化后的回流污泥首先回流到反硝化池(A 池)，再进入硝化池(O 池)，导致A 段和O 段的污泥类型极为相似，硝化菌和反硝化菌难以彻底分开，且回流到A 段的回流液含有大量溶解氧，也会对反硝化脱氮带来不利影响，反硝化脱氮效率难以超过70%。
为了解决上述问题，笔者采用将硝化液的内循环改 为由沉淀池回流到A 池，污泥由原回流到A 池改为回流到O 池;并采用具有自主知识产权的新型一体化A/O 生物膜反应器，在宏观环境上实现A 池与O 池内不同的DO 浓度和各自所需的优势菌种，有望使硝化和反硝化过程分别在不同反应器内同时且高效地发生。针对印染废水的水质特点及对氨氮的排放要求，以自配的印染废水为 处理对象，深入研究了一体化A/O 反应器的启动过程，以探讨该工艺对有机碳和氨氮的脱除效果。
1 试验材料与方法
1.1 试验装置
一 体化A/O 装置由底部的A 池和顶部的O 池组成，见图 1。为便于加工，装置采用方形锥体式结构，尺寸为500 mm×500 mm。A 池高350 mm，有效容积20 L，O 池高600 mm，有效容积为60 L。A 池采用添加火山岩的球形悬浮填料作微生物载体，O 池同时填充组合填料和火山岩的球形悬浮填料。A/O 后续的沉淀池有效容积12 L。
图 1 试验装置
印染废水由混凝沉淀和水解酸化预处理后储存在废水池中，然后通过提升泵进入A 池，降解部分有机物和氨氮，进水量通过流量计控制。A 池出水自下而上进入O 池，在降解大部分有机物的同时，出水进入环形沉淀池内进行泥水分离。分离后的上清液一部分回流至A 池内作为反硝化脱氮的氮源，另一部分则作为最终出水排放。沉淀区的污泥受自身重力作用会沿着污泥回流区下方的回流缝回到O 池内，重新参与降解过程。
1.2 废水水质
试验所用模拟废水由少量生活污水(体积分数约20%)添加各种染料和化学试剂配成，组成见表 1。
该废水经混凝沉淀和水解酸化预处理后水质情况为：COD 180~225 mg/L，BOD5 73~93 mg/L，pH 在 7.6~8.2，色度85~107 倍，TP 4~6 mg/L，氨氮20.4~ 25.6 mg/L。
1.3 填料特性与规格
A/O 反应器内的填料主要为球形悬浮填料(150 mm)和组合填料(200 mm)，购自中国宜兴晨翔环保设备厂。球形悬浮填料材质为聚丙烯，比表面积 380~800 m2/m3，孔隙率>99%，相对密度0.93。组合填料的圆环和纤维束材质分别为聚乙烯和涤纶丝，单元直径80 mm，束间距20 mm。悬浮填料内部填充火山岩块体(产地内蒙)，填充量70%~80%，颗粒直径 3~5 cm。火山岩表观为红黑褐色不规则颗粒，其亲水性强，有利于微生物附着。
1.4 接种污泥
A/O 反应器的接种污泥采用苏州高新区第一污水处理厂浓缩池的浓缩污泥，接种体积约为总容积的40%~50%。污泥为褐色絮状，沉淀性能较好。接种污泥的MLSS 和MLVSS 分别为34.2、21.6 g/L。
1.5 分析项目
试 验采用连续进出水。COD 由标准重铬酸钾法测定，氨氮由纳氏试剂分光光度法测定，TP 采用改进的钼酸铵分光光度法〔4〕测定，SS 采用标准重量法测定，SV30 采用沉降法测定，pH 由pHS-25 型酸度计(上海仪电科学仪器有限公司)测定，DO 测定采用 JPB-607A 型便携式溶解氧仪(上海雷磁仪器厂)。
1.6 试验运行过程
将污泥加入到反应器后，首先进行为期一周的污泥复苏过程，该过程 完全采用生活污水作为原水进行闷曝，一周后即进行启动过程研究。整个试验过程在室温(约18~27℃)下进行，分为4 个阶段：第一阶段为污泥的培养驯化，此阶段进水COD 负荷控制在 0.5 kg/(m3˙d)以下，持续时间28 d;在第二阶段逐渐增加进水负荷，其中A 池逐渐增至1.1 kg/(m3˙d)， O 池增至0.27 kg/(m3˙d)，此阶段操作时间26 d;第三和第四阶段进行冲击负荷试验，持续时间16 d。
2 结果与讨论
2.1 COD去除效果
A/O 反应器对COD 的去除效果见图 2。在第一阶段，当原水经预处理进入A 池后，A 池出水COD 在连续两周内不降反升，而O 池对 COD 的降解率则在第一周末达到20%。从第三周开始，A 池出水COD 才开始有所下降。第一阶段末时， A 池对COD 的降解率逐渐增加并超过20%，O 池表现较佳，其对COD 的降解率接近50%，平均在40% 以上。至第二阶段，A/O 系统对废水中COD 的降解效果均较好，系统出水COD 呈明显下降趋势。第二阶段末时，A 池和O 池对COD 的降解率分别达到了25%和55%左右，其出水平均COD 分别为150、 66 mg/L，系统对COD 的去除率达到了67.6%。表明接种污泥逐渐适应了配制的印染废水水质。在第三阶段对A/O 系统进行短期的冲击负荷试验。此阶段系统进水COD 平均为305.9 mg/L，A 池和O 池出水 COD 均随之上升。A 池、O 池对COD 平均去除率分别为32.8%、37.1%，出水平均COD 分别为205.4、 128.7 mg/L。第四阶段降低进水COD 至210.4 mg/L。在这一阶段，A 池、O 池对COD 的平均去除率呈相反态势，A 池有所下降至29.1%，O 池则升至52.7%。
图 2 不同阶段A/O 反应器时COD 的去除率
试验结果表明：新型一体化A/O 反应器对自配印染废水的有机物有较好的降解能力。正常运行期间，A/O 反应器对COD 去除率基本在65%以上;抗冲击负荷阶段，系统对COD 去除率平均在62.3%。
2.2 氨氮去除效果
氨氮的去除是检验该一体化A/O 系统优劣的决定条件。沉淀池出水回流到A 池进行反硝化脱氮，同时A 池采用膜法是该工艺的特色。把原O 池出水回流改为由沉淀池出水回流能带来以下好处：
(1)回流液中溶解氧低，有利于保证A 池缺氧环境;
(2)由于A 池采用膜法，微生物量显著增加，泥水比大大增加，理论上也有利于脱氮;(3)A/O 两池污泥上栖息的微生物优势种群明显，活性高，因此，在不改变甚至提高反硝化率的情况下，从沉淀池出水回流的硝化液量有望降低，能节约一定电耗。
氨 氮在A 池中的变化见图 3(a)。第一阶段，随着污泥培养驯化及对废水水质的适应，A 池出水氨氮快速下降，到第一阶段末时，氨氮去除率已经接近 80%，平均为32.5%。第二阶段氨氮进水在20~25 mg/L，氨氮去除率缓慢上升并超过90%，平均为 86.7%。在此后两个冲击负荷阶段，进水氨氮接近 30 mg/L，A 池的去除率有所下降，但出水氨氮超过预期，达到均值5.7 mg/L。此外从试验过程来看，O 池对氨氮也有一定的去除效果，如图 3(b)所示。第一阶段O 池对氨氮的去除率接近10%，而到第二阶段则达到了18%。冲击负荷阶段和A 池相反，O 池对氨氮的去除率有所增加，达到均值25.8%。
对A/O 系统中的DO 进行了连续监测。在A 池的纵断面上，DO 呈现出不同的分布规律，整体上呈从下往上(沿水流上升方向)逐步降低的趋势。但由于反应器容积不大，DO 维持在0.4~0.8 mg/L，基本满足缺氧反硝化的条件。而O 池中DO 的监测结果表明：整个O 池的DO 在纵断面基本分布均匀，横断面上略有不均，其平均值均在1 mg/L 以上。
图 3 氨氮的去除效果
O 池对氨氮的去除可从以下方面解释：(1)好氧环境下O 池具有反硝化脱氮效果是由于池内添加了火山岩作为微生物载体。火山岩具有独特的空隙结构，易于微生物富集繁殖。在载体表面，微生物栖息环境理想，然而这种 理想生存状态使得载体表面形成的生物膜较厚，填料内部呈现一定的缺氧甚至厌氧状态，为反硝化提供了条件;(2)由于A/O 反应器独特的结构，在回流区沉降的污泥会在重力作用下回流到反应器内部，重新参与降解过程。这部分污泥含有一定量硝化液，为反硝化过程提供硝态氮; (3)O 池底部的曝气过程加剧了泥水混合，使污水在 O 池内部通过污泥回流区形成多次上下循环，一定程度上也能促使硝化-反硝化的发生。
另 外对整个A/O 系统而言，在正常运行的第二阶段，系统出水的氨氮基本维持在2.5 mg/L 以下，说明一体化A/O 反应器对印染废水中的氨氮有非常好的降解效果，出水氨氮在5 mg/L 以下，可以达到 GB 4287—1992 和DB 32/1072—2007 标准要求。
2.3 回流比对氨氮处理效果的影响
试验期间为了考察系统整体的性能，硝化液回流比保持在80%。此后改变回流比考察其对氨氮去除效果的影响，结果见表 2。
从表 2 可见，在回流比<120%时，增大回流比对系统脱氮有好处。然而当回流比增至150%，A 段脱氮效率明显下降，O 段脱氮效率有所上升，但系统总的脱氮率相对较低。分析认为脱氮率下降主要是由于反应器本身的停留时间较短，当回流量增大较多时，反硝化和硝化时间都会明显 缩短，造成反硝化和硝化效率大大下降。表 2 还表明：回流比介于80%~ 120%时，提高回流比能一定程度提高系统脱氮率，然而提升幅度并不大。上述结果表明：改变回流方式和污泥培养方式，一体化A/O 反应器在提高脱氮率的同时，能明显降低硝化液回流比，具有节能效益。
2.4 回流比对有机物处理效果的影响
硝化液回流比同样 会影响A/O 系统对废水中有机物的降解效果。不同回流比对有机物的脱除效果影响见表 3。表 3 表明：增大回流比对于好氧段去除有机物是有利的，尤其回流比在100%~120%时， A/O 体系对有机物的去除率接近80%。但对于缺氧段来说，提高回流比并未对有机物的降解带来益处。综合表 2、表 3 可知，对于该一体化A/O 体系，回流比过大对脱氮和能耗均不利，以介于80%~100% 为宜。
(1)以预处理后的印染废水为处理对象，接种城市污水厂的浓缩污泥，并在池体内添加填料后，一体化A/O 反应器可以实现快速启动。(2)在18~27 ℃ 下，当系统进水COD 为205.5 mg/L 时，A 段、O 段的 COD 容积负荷分别为1.1、0.27 kg/(m3˙d)，出水COD 为66.2 mg/L，降解率达67.6%。(3)一体化A/O 系统对模拟印染废水的氨氮有较高的降解能力。在回流比80%下，出水氨氮在5 mg/L 以下，完全达到DB 32/1027—2007 要求。(4)一体化A/O 反应器在显著降低内回流比的同时，对废水中的有机物和氨氮仍有较好的降解能力，最佳回流比在80%~100%。(5)反应器沉淀池出水回流有利于保持缺氧 段所需的最佳溶解氧浓度。溶解氧在0.4~0.8 mg/L 时，A 池脱氮率接近90%。
