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摘要：本研究在接触氧化法基础上，在传统活性污泥法反应器中悬挂填料构成复合生物反应器，并利用该反应器进行了处理生活污水的研究。研究表明，复合生物反应器对生活污水有较好的去除效果。当水力停留时间为3h，气水比为2:1，进水负荷为2.72kg/(m3•d)时，出水COD、NH3-N、TN和SS达到国家城镇二级污水处理厂一级标准。
关键词：接触氧化，活性污泥，复合生物反应器，生活污水
Domestic Sewage Treatment Performance Using Hybrid Bioreactor
Yang Nai-peng
（Xingtai Environmental Inspection Detachment, Xingtai 05400, China）
Abstract: Hybrid Bioreactor based on the bio-contact oxidation process, combining both suspended growth-activated sludge and attached growth-biofilm in one bioreactor by addingcarriers into the mixed suspension demonstrated a promising effective treatment of domestic sewage. Experimental results showed that when the hydraulic retention time was 3h and air/water ration was 2:1, COD loading rates was 2.72kg/(m3•d) , the effluent COD, NH3-N , TN, SS concentration can up to national primary emission standard of wastewater.
Keywords: bio-contact oxidation , activated sludge, hybrid bioreactor, domestic sewage
中圖分类号：U664.9+2文献标识码： A 文章编号：
引言
复合式生物反应器(HBR)是近年来颇受关注的新型污水处理工艺[1]，其特点是在活性污泥曝气池中投加填料作为微生物附着生长的载体，进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜，共同承担去除污水中有机物的任务[2,3]，与传统活性污泥法(CAS)相比，HBR系统一是通过投加生物载体供微生物附着生长，可提高反应器中的生物量，在较高有机负荷下增强了对有机物的去除能力；二是可使丝状菌优先附着生长在载体上，从而改善污泥的沉降性能，防止污泥膨胀，提高系统运行的稳定性[2]；三是世代时间较长的硝化菌优先附着在载体上，使硝化作用不受悬浮生长的固体停留时间(SRT)的影响，从而提高系统的脱氮功效[1,3,4]。本研究在接触氧化法基础上，在活性污泥法反应器中添加悬挂填料，形成悬浮生长微生物（活性污泥）和附着生长微生物（生物膜）的复合生物反应器，进而研究了对生活污水的处理效果。
1 试验材料和方法
1.1 载体
试验中所用载体为某公司生产的亲水性丙烯酸酯纤维制成的柔性填料，由中心支撑线以及固定在上面的细丝（直径3mm）组成。其中支撑线由四股线紧密编织形成，细丝固定在支撑线中间。每米填料上大约有200根细丝。细丝表面具有微毛刺，用以增加填料的比表面积[5]，方便挂膜，并且能吸附众多的小气泡，使气水接触时间增加，提高氧的转移量，保持生物膜的活性。挂膜后随着水流的推动能在反应器中随水流摆动，不结团、不堵塞，可以加速表面老化膜的更新速度。
1.2 反应器
反应器结构如图1。由接触氧化池以及沉淀池构成。其中接触氧化池高为1.0m，有效容积为10L，分为升流区和降流区两部分，由塑料板隔开，填料挂在塑料板上，其容积之比约为1:3，升流区底部装有曝气砂条曝气，同时推动水流上升。沉淀池容积约为2L。
1.3 试验用水
试验装置放置于中国矿业大学环保楼内，试验用生活污水来自环保楼生活污水，原水水质如表1所示。
表1 试验所用生活污水水质
1.4 试验方法
实验反应器采用连续进水，过程分为启动阶段和稳定运行两个阶段。启动阶段所用污泥取自清河污水处理厂。实验开始时，向反应器中加入浓度为5g/L的活性污泥，曝气24小时后小流量（20L/d）进水，同时以回流比为1对污泥进行回流，启动阶段持续两个星期。待反应器出水稳定后，调整水力停留时间（HRT）为4h，3h，2h，曝气量（Qg）=0.3m3/h。
1.进水泵2.曝气砂条3.填料4.回流污泥泵
图1 反应器示意图
Fig. 1 Schematic diagram of the experimental system
试验中所测指标COD、NH3-N、TN以及SS均采用标准法[7]测定。
2 试验结果分析
2.1 COD去除效果
不同HRT下对COD处理效果如图2所示。从图中可以看出摇动载体生物膜反应器对生活污水COD有良好的去除效果。随着HRT的减小出水值略呈上升趋势，3个阶段出水均值均低于50mg/L，达到国家城镇二级污水处理厂一级标准60mg/L，特别是HRT=4h，3h时出水COD均值为40mg/L，满足城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级排放A级标准的50mg/L。
图2 不同HRT下进出水COD之间关系
Fig. 2 Relation of COD at different HRT
2.2 NH3-N的去除效果
不同HRT下NH3-N处理效果如图3所示。由图中可以看出摇动载体生物膜反应器具有很强的硝化能力，对氨氮有良好的去除效果。在HRT=4h，3h，2h，进水均值为35mg/L的条件下，氨氮出水均值小于5mg/L，完全满足城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级排放A级标准的5mg/L，氨氮的去除率都在90%以上。
图3 不同HRT下进出水NH3-N之间关系
Fig. 3 Relation of NH3-N at different HRT
2.3 TN去除效果
复合生物反应器对TN的去除效果如图4所示。由图上可以看出，在进水TN为30～40mg/L，在三个不同水力停留时间下，气水比为3:1情况下，复合反应器对TN的平均去除率为28%，平均出水值为25mg/L。由脱氮原理可知，总氮包括氨氮、有机氮和硝态氮等形态，在好氧生化池内氨氮转化为硝态氮只是氮的形态发生了改变，就总氮数量而言并没有减少，只有使硝态氮在厌氧环境下进行反硝化并最终以气态氮的形式从污水中逸出，才能使系统的总氮含量降低。而在高的DO情况下，即使在高浓度的附着型污泥絮体内部也很难形成缺氧区，因而使得微环境反硝化过程受到抑制，总氮的去除并不理想[8]；考虑到接触氧化反应器中溶解氧较高为5～7mg/L，故调整气水比为2:1，在HRT=3h情况下对TN去除效果如图5所示。当DO降至3mg/L时,总氮的去除率有所升高,这是由于随着反应时间的增加以及反应器内溶解氧的降低使反应器内反硝化能力得到加强,由图中可以看出TN去除效果有了一定的提高，出水均值降到15mg/L左右。
图4 不同HRT下进出水TN之间关系
Fig. 4 Relation of TN at different HRT
2.4 对SS的去除效果
复合生物反应器对SS的去除效果如图6所示。由图上可以看出生活污水的进水SS很不稳定在17mg/L与147mg/L之间波动，但是复合反应器出水SS保持了一个很稳定的状态，出水SS低于20mg/L，平均去除率达到91%。
图5 气水比为2:1下进出水TN之间关系
Fig. 5 Relation of TN at A/W was 2:1
图6 不同HRT下进出水SS之间关系
Fig. 6 Relation of SS at different HRT
2.5 增加进水负荷对处理效果影响
试验中通过调整HRT来改变进水负荷的大小。进水负荷与出水COD之间关系图7所示。由图7可以看出，随着水力停留时间的减少，进水负荷的增加，出水浓度略有上升，不同水力停留时间下出水COD在50mg/L左右。在HRT=3h，进水负荷为2.72kg/(m3•d)情况下，出水COD也仅有47mg/L，这说明复合生物反应器具有较高的抗冲击能力和良好的混合流态 [11]，使生活污水在短时间内得到迅速的降解，并且具有在较高进水负荷出水稳定的优点。
图7 进水负荷与出水COD之间关系
Fig. 7 Relation of COD at different COD loading
图8 进水负荷与出水NH3-N之间关系
Fig. 8 Relation of NH3-N at different COD loading
图8反映了进水负荷与出水NH3-N之间关系。由图8可以看出，随着水力停留时间的缩短，即进水负荷的增加，出水浓度有所增大但是增加幅度不大，不同水力停留时间下出水NH3-N低于5mg/L。在HRT=3h，进水负荷为2.72kg/(m3•d)情况下，出水NH3-N也仅有1.2mg/L，这表明复合生物反应器由于强化了三相传质，形成了良好的好氧生化环境，具有了较强的硝化能力，使生活污水中的NH3-N在短时间内得到了迅速的降解。
2.6 复合生物反应器生物膜及其生物相
通过镜检发现，复合生物反应器中悬浮相与附着相上有大量的菌胶团和丝状菌，其中丝状菌优先附着在生物膜上。摇动载体生物膜反应器中栖息的原生动物与后生动物也非常丰富，相比较而言，悬浮相和附着相原生动物中两相中原生动物的种类大体相当，但其数量附着相多一些，这说明在生物净化过程中生物膜起到了重要作用。
3 结论
（1） 复合反应器（HBR）工艺结构紧凑，占地小，处理成本较低，该工艺耐有机物冲击负荷，工作稳定运行简单，管理容易。
（2） 复合反应器（HBR）具有在较高COD进水负荷且较低水力停留时间下出水稳定的优点。当进水COD为120～318mg/L，NH3-N为27～37mg/L，进水负荷为2.72kg/(m3•d)，水力停留時间为3h，气水比为2:1时，出水COD、NH3-N、TN和SS达到国家城镇二级污水处理厂一级标准。
（3） 通过镜检发现，复合反应器中悬浮相与附着相上有大量的菌胶团、丝状菌和原后生动物，其中附着相生物量明显多与悬浮相，这说明在生物净化过程中生物膜起着重要作用。
参考文献
[1]刘雨,赵庆良,郑兴灿.生物膜法污水处理技术.北京:中国建筑工业出版社,2000
[2]王建龙,吴立波,钱易.复合生物反应器处理废水特性的研究.中国给水排水,1998,14(2):29-32
[3]J Wanner, K Kucman, P Grau. Activated sludge process combined with biofilm cultivation. WatRes,1988,22(2):207-215
[4]曹斌,王晓昌,王恩让等.复合生物反应器处理城市生活污水的试验研究.给水排水,2003,29(12):28-31
[5]艾恒雨,王群慧,谢维民等.接触氧化工艺中生物填料的发展及应用.给水排水,2005(2):88-92
[6]艾翠玲,贺延龄,董良飞等复合膜生物反应器处理生活污水的特性.长安大学学报(建筑与环境科学版),2004,3(1):56-57
[7]国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会主编.水和废水监测分析方法(第三版),北京:中国环境科学出版社,1989
[8]何圣兵,王宝贞,王琳.生物膜-膜生物反应器处理生活污水的试验研究.给水排水.2002,28(21):21-23
关键词：接触氧化，活性污泥，复合生物反应器，生活污水
Domestic Sewage Treatment Performance Using Hybrid Bioreactor
Yang Nai-peng
（Xingtai Environmental Inspection Detachment, Xingtai 05400, China）
Abstract: Hybrid Bioreactor based on the bio-contact oxidation process, combining both suspended growth-activated sludge and attached growth-biofilm in one bioreactor by addingcarriers into the mixed suspension demonstrated a promising effective treatment of domestic sewage. Experimental results showed that when the hydraulic retention time was 3h and air/water ration was 2:1, COD loading rates was 2.72kg/(m3•d) , the effluent COD, NH3-N , TN, SS concentration can up to national primary emission standard of wastewater.
Keywords: bio-contact oxidation , activated sludge, hybrid bioreactor, domestic sewage
中圖分类号：U664.9+2文献标识码： A 文章编号：
引言
复合式生物反应器(HBR)是近年来颇受关注的新型污水处理工艺[1]，其特点是在活性污泥曝气池中投加填料作为微生物附着生长的载体，进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜，共同承担去除污水中有机物的任务[2,3]，与传统活性污泥法(CAS)相比，HBR系统一是通过投加生物载体供微生物附着生长，可提高反应器中的生物量，在较高有机负荷下增强了对有机物的去除能力；二是可使丝状菌优先附着生长在载体上，从而改善污泥的沉降性能，防止污泥膨胀，提高系统运行的稳定性[2]；三是世代时间较长的硝化菌优先附着在载体上，使硝化作用不受悬浮生长的固体停留时间(SRT)的影响，从而提高系统的脱氮功效[1,3,4]。本研究在接触氧化法基础上，在活性污泥法反应器中添加悬挂填料，形成悬浮生长微生物（活性污泥）和附着生长微生物（生物膜）的复合生物反应器，进而研究了对生活污水的处理效果。
1 试验材料和方法
1.1 载体
试验中所用载体为某公司生产的亲水性丙烯酸酯纤维制成的柔性填料，由中心支撑线以及固定在上面的细丝（直径3mm）组成。其中支撑线由四股线紧密编织形成，细丝固定在支撑线中间。每米填料上大约有200根细丝。细丝表面具有微毛刺，用以增加填料的比表面积[5]，方便挂膜，并且能吸附众多的小气泡，使气水接触时间增加，提高氧的转移量，保持生物膜的活性。挂膜后随着水流的推动能在反应器中随水流摆动，不结团、不堵塞，可以加速表面老化膜的更新速度。
1.2 反应器
反应器结构如图1。由接触氧化池以及沉淀池构成。其中接触氧化池高为1.0m，有效容积为10L，分为升流区和降流区两部分，由塑料板隔开，填料挂在塑料板上，其容积之比约为1:3，升流区底部装有曝气砂条曝气，同时推动水流上升。沉淀池容积约为2L。
1.3 试验用水
试验装置放置于中国矿业大学环保楼内，试验用生活污水来自环保楼生活污水，原水水质如表1所示。
表1 试验所用生活污水水质
1.4 试验方法
实验反应器采用连续进水，过程分为启动阶段和稳定运行两个阶段。启动阶段所用污泥取自清河污水处理厂。实验开始时，向反应器中加入浓度为5g/L的活性污泥，曝气24小时后小流量（20L/d）进水，同时以回流比为1对污泥进行回流，启动阶段持续两个星期。待反应器出水稳定后，调整水力停留时间（HRT）为4h，3h，2h，曝气量（Qg）=0.3m3/h。
1.进水泵2.曝气砂条3.填料4.回流污泥泵
图1 反应器示意图
Fig. 1 Schematic diagram of the experimental system
试验中所测指标COD、NH3-N、TN以及SS均采用标准法[7]测定。
2 试验结果分析
2.1 COD去除效果
不同HRT下对COD处理效果如图2所示。从图中可以看出摇动载体生物膜反应器对生活污水COD有良好的去除效果。随着HRT的减小出水值略呈上升趋势，3个阶段出水均值均低于50mg/L，达到国家城镇二级污水处理厂一级标准60mg/L，特别是HRT=4h，3h时出水COD均值为40mg/L，满足城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级排放A级标准的50mg/L。
图2 不同HRT下进出水COD之间关系
Fig. 2 Relation of COD at different HRT
2.2 NH3-N的去除效果
不同HRT下NH3-N处理效果如图3所示。由图中可以看出摇动载体生物膜反应器具有很强的硝化能力，对氨氮有良好的去除效果。在HRT=4h，3h，2h，进水均值为35mg/L的条件下，氨氮出水均值小于5mg/L，完全满足城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级排放A级标准的5mg/L，氨氮的去除率都在90%以上。
图3 不同HRT下进出水NH3-N之间关系
Fig. 3 Relation of NH3-N at different HRT
2.3 TN去除效果
复合生物反应器对TN的去除效果如图4所示。由图上可以看出，在进水TN为30～40mg/L，在三个不同水力停留时间下，气水比为3:1情况下，复合反应器对TN的平均去除率为28%，平均出水值为25mg/L。由脱氮原理可知，总氮包括氨氮、有机氮和硝态氮等形态，在好氧生化池内氨氮转化为硝态氮只是氮的形态发生了改变，就总氮数量而言并没有减少，只有使硝态氮在厌氧环境下进行反硝化并最终以气态氮的形式从污水中逸出，才能使系统的总氮含量降低。而在高的DO情况下，即使在高浓度的附着型污泥絮体内部也很难形成缺氧区，因而使得微环境反硝化过程受到抑制，总氮的去除并不理想[8]；考虑到接触氧化反应器中溶解氧较高为5～7mg/L，故调整气水比为2:1，在HRT=3h情况下对TN去除效果如图5所示。当DO降至3mg/L时,总氮的去除率有所升高,这是由于随着反应时间的增加以及反应器内溶解氧的降低使反应器内反硝化能力得到加强,由图中可以看出TN去除效果有了一定的提高，出水均值降到15mg/L左右。
图4 不同HRT下进出水TN之间关系
Fig. 4 Relation of TN at different HRT
2.4 对SS的去除效果
复合生物反应器对SS的去除效果如图6所示。由图上可以看出生活污水的进水SS很不稳定在17mg/L与147mg/L之间波动，但是复合反应器出水SS保持了一个很稳定的状态，出水SS低于20mg/L，平均去除率达到91%。
图5 气水比为2:1下进出水TN之间关系
Fig. 5 Relation of TN at A/W was 2:1
图6 不同HRT下进出水SS之间关系
Fig. 6 Relation of SS at different HRT
2.5 增加进水负荷对处理效果影响
试验中通过调整HRT来改变进水负荷的大小。进水负荷与出水COD之间关系图7所示。由图7可以看出，随着水力停留时间的减少，进水负荷的增加，出水浓度略有上升，不同水力停留时间下出水COD在50mg/L左右。在HRT=3h，进水负荷为2.72kg/(m3•d)情况下，出水COD也仅有47mg/L，这说明复合生物反应器具有较高的抗冲击能力和良好的混合流态 [11]，使生活污水在短时间内得到迅速的降解，并且具有在较高进水负荷出水稳定的优点。
图7 进水负荷与出水COD之间关系
Fig. 7 Relation of COD at different COD loading
图8 进水负荷与出水NH3-N之间关系
Fig. 8 Relation of NH3-N at different COD loading
图8反映了进水负荷与出水NH3-N之间关系。由图8可以看出，随着水力停留时间的缩短，即进水负荷的增加，出水浓度有所增大但是增加幅度不大，不同水力停留时间下出水NH3-N低于5mg/L。在HRT=3h，进水负荷为2.72kg/(m3•d)情况下，出水NH3-N也仅有1.2mg/L，这表明复合生物反应器由于强化了三相传质，形成了良好的好氧生化环境，具有了较强的硝化能力，使生活污水中的NH3-N在短时间内得到了迅速的降解。
2.6 复合生物反应器生物膜及其生物相
通过镜检发现，复合生物反应器中悬浮相与附着相上有大量的菌胶团和丝状菌，其中丝状菌优先附着在生物膜上。摇动载体生物膜反应器中栖息的原生动物与后生动物也非常丰富，相比较而言，悬浮相和附着相原生动物中两相中原生动物的种类大体相当，但其数量附着相多一些，这说明在生物净化过程中生物膜起到了重要作用。
3 结论
（1） 复合反应器（HBR）工艺结构紧凑，占地小，处理成本较低，该工艺耐有机物冲击负荷，工作稳定运行简单，管理容易。
（2） 复合反应器（HBR）具有在较高COD进水负荷且较低水力停留时间下出水稳定的优点。当进水COD为120～318mg/L，NH3-N为27～37mg/L，进水负荷为2.72kg/(m3•d)，水力停留時间为3h，气水比为2:1时，出水COD、NH3-N、TN和SS达到国家城镇二级污水处理厂一级标准。
（3） 通过镜检发现，复合反应器中悬浮相与附着相上有大量的菌胶团、丝状菌和原后生动物，其中附着相生物量明显多与悬浮相，这说明在生物净化过程中生物膜起着重要作用。
参考文献
[1]刘雨,赵庆良,郑兴灿.生物膜法污水处理技术.北京:中国建筑工业出版社,2000
[2]王建龙,吴立波,钱易.复合生物反应器处理废水特性的研究.中国给水排水,1998,14(2):29-32
[3]J Wanner, K Kucman, P Grau. Activated sludge process combined with biofilm cultivation. WatRes,1988,22(2):207-215
[4]曹斌,王晓昌,王恩让等.复合生物反应器处理城市生活污水的试验研究.给水排水,2003,29(12):28-31
[5]艾恒雨,王群慧,谢维民等.接触氧化工艺中生物填料的发展及应用.给水排水,2005(2):88-92
[6]艾翠玲,贺延龄,董良飞等复合膜生物反应器处理生活污水的特性.长安大学学报(建筑与环境科学版),2004,3(1):56-57
[7]国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会主编.水和废水监测分析方法(第三版),北京:中国环境科学出版社,1989
[8]何圣兵,王宝贞,王琳.生物膜-膜生物反应器处理生活污水的试验研究.给水排水.2002,28(21):21-23