第34卷第3期2013年6月
文章编号：1673-9590（2013）03-0090-06
大连交通
JOURNALOFDALIAN大学学报
JIAOTONGUNIVERSITYVol．34No．3Jun．2013
气升间歇内循环一体化反应器的开发
郭海燕，李芸，林静，陈建冬，张寿通
（大连交通大学环境与化学工程学院，辽宁大连116028）*
摘
要：提出了一种新型的气升间歇内循环一体化反应器，利用曝气动力实现混合液在厌氧区和好氧区的
循环，采用变液位间歇交换模式在厌氧区创造厌氧/缺氧交替环境，通过强化反硝化除磷过程实现污水同步脱氮除磷．考察了三种工艺形式下污染物的去除效能和去除特性，实验结果表明：采用固定床生物膜－沉淀出水工艺形式，可以实现良好脱氮，厌氧区固定生物膜微生物具备反硝化除磷环境，但因无法有效排泥造成除磷效果较差；采用移动床复合生物系统－沉淀出水工艺形式，可以加强以活性污泥形式存在的常规聚磷菌的作用，除磷效果改善，但生物量受污泥沉淀效果的影响而偏低造成氮、磷去除率较低；采用移动床复合生物系统－膜出水工艺形式，能保持较高浓度的生物量并能有效排泥．在水力停留时间（HRT）为22h、NH4+-N和PO43－-P浓度分别为间歇交换周期为185min、污泥龄（SRT）为17d的条件下，进水COD、821．3、102．5和21．3mg/L时，TN和PO43－-P去除率分别达到91.8%、84．8%和94．4%．反应器对COD、关键词：脱氮除磷；反硝化除磷；一体化反应器；间歇内循环文献标识码：A
0引言
了各种外置的回流设备，但液体在反应器内的流态容易从平推流转变成完全混合流，导致不完全脱氮．截至目前，有关一体化新型反应器的研究报告仍有不断问世，且偏重于各项工艺技术，如膜技术，各种生物膜技术的集成优化
［7-10］
在我国小城镇发展过程中，污水排放量逐年
增加，由氮、磷引起的水体富营养化现象日益突出，这其中一个重要原因就是中小城镇经济能力较弱，而现行的大多污水处理工艺和设备的投资及运行费用相对较高，难以在经济水平低、缺少技术管理人员的小城镇推广应用．一体化反应器基于传统脱氮除磷原理，通过不同溶解氧环境在空间上的分区优化而实现单体反应器内脱氮或除磷，近年来受到许多研究者的关注．根据微生物存在状态可分为一体化生物膜法和一体化活性污泥
［1］
法，前者如缺氧－好氧流化床反应器、一体化A/O生物膜反应器等［2-4］，具有结构紧凑、适应性强、污泥产量小、不需污泥回流等优点，但其脱氮过程类似于前置反硝化工艺，需外加动力进行硝化液回流，且生物膜始终处于同一溶氧环境下，无法实现磷的有效脱除；后者如AmOn污水处理装置
［6］
、气升式活性污泥反应器等，利用了水流喷射动力或曝气动力来实现混合液的循环，节省［5］
．其中，生物
膜与活性污泥法相比具有更复杂的生态系统和空间结构，采用生物膜法除磷也表现出一定的优势
［11-13］
．但总体上，以上研发的一体化工艺仍未
能有效解决脱氮和除磷微生物对碳源的竞争以及两者的泥龄矛盾，无法实现良好的同步脱氮除磷效果．
针对以上问题，本文提出了一种新型的气升间歇内循环一体化反应器（专利号：ZL[1**********]5．0）：采用生物膜法分区固定不同生化环境需求微生物，利用曝气动力实现混合采用变液位运行方式实现混合液在各区液回流，
间的周期交换，在空间和时间上实现脱氮、除磷微生物所需的不同生化环境的，通过强化反硝化除磷过程实现污水中氮、磷的同步去除．基于以上反
*
收稿日期：2012-12-03
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50908028）；环境与化学工程学院大学生科技创新基金资助项目（201103）作者简介：郭海燕（1977－），女，副教授，博士，主要从事水污染控制工程的研究E-mail：ghy2721@sina．com．
应器的设计思想，本文进行了反应器的构建和微
生物培养驯化，考察了三种基本工艺形式下污染为该工艺的进一步开发物去除效能和去除特性，提供理论依据．
应，而非曝气区则处于厌氧和缺氧交替环境，无混合液循环时进行厌氧释磷，有混合液循环时进行反从而实现污水中碳、氮、磷污染物的去除．硝化吸磷，
实际构建的一体化反应器由有机玻璃制成，总有效容积26L．非曝气区（称为厌氧区）、曝气区（称为好氧区）和出水区有效容积分别为7．7、7．7和10．6L．厌氧区和好氧区均投加填料载体，出水区可作为沉淀池出水，或作为曝气区设置膜组件过滤出水．反应器进水由高低液位探头控制，通过调整高低液位探头位置可实现厌氧区和好氧区混合液不同的交换模式和交换周期．
实验考察了三种工艺形式：固定床生物膜系统－沉淀出水方式、移动床复合生物系统－沉淀出水方式和移动床复合生物系统－膜出水方式的处理效果．采用固定床生物膜系统时，厌氧区和好氧区填充聚氨酯填料，填充率80%．采用移动床
厌氧区和好氧区投加改性聚乙复合生物系统时，
烯填料作为生物载体，填充率40%．两种填料具
将好氧区和出体性能参数见表1．膜出水方式下，
水区隔板开孔联通，出水区增设膜组件和曝气头，
2
通过蠕动泵抽真空出水，膜组件有效表面积0．2m，
1
1．1
实验装置及材料
实验装置
反应器结构及原理示意图如图1所示，由生
生化区由导流板分为曝气区化区和出水区组成，
和非曝气区，曝气区设空气扩散装置，非曝气区设
进水管，两区内可设固定或移动填料，出水区可采用沉淀出水或膜组件过滤出水．运行方式上，采用间歇进水、连续出水方式，使反应器液位始终在高液位和低液位之间变化，实现曝气区和非曝气区混合液的周期变换．
曝气区主要进行好氧硝化反
图1一体化反应器构造原理
表1
截留孔径0．1～0．2μm．
填料载体性能参数
尺寸/mm长30，宽15，高15高7，直径10
孔隙率/%
9784
比表面积/（m2·m－3）
5000～35000
1100
填料聚氨酯改性聚乙烯
形状、结构
长方体，状泡沫网状结构圆柱体，内部十字支撑
表2
实验阶段Ⅰ
工艺形式固定床生物膜－
沉淀出水移动床复合生物系统－沉淀出水移动床复合生物系统－膜出水
HRT/h
反应器运行条件
交换周期
进水指标/（mg·L－1）
COD285～366
NH4+-N37．6～49．9
PO43－-P15．3～21．8
30
345min、不交换、140min、连续交换390min、260min、
连续交换185min
Ⅱ24285～36637．6～49．915．3～21．8
Ⅲ22456～82144．8～105．715．3～21．8
1．2进水水质和运行条件
实验采用模拟生活污水，主要由蔗糖、
1．3分析方法
NH4Cl、KH2PO4配制而成，小苏打、同时投加MgSO4、MnSO4、FeSO4、KCl、CaCl2等，提供微生物生长所需微量元素．反应器运行期间水温20～25℃，不同实验阶段反应器运行条件如表2所示．
主要化学指标分析方法参照《水和废水监测
［14］+
N采用纳氏试剂分光光度分析方法》：NH4-NO3－-N采用酚二磺酸光度法，NO2－-N采用法，
N-（1-萘基）-乙二胺光度法，碱度采用酸碱指示剂COD采用微波消解滴定法，PO4滴定法，
3－
-P采用
钼锑抗光度法，混合液悬浮固定浓度MLSS采用重量法．DO使用HANNAHI9147型溶解氧仪测ORP、pH使用HANNAHI8424NEW型酸碱度/定，
氧化还原电位计测定．由于原水和出水中基本不TN浓度按NH4+-N、NO3－-N和NO2－-含有机氮，
N浓度之和计．
如图3所示．单个周期内运行条件为：0～55min—
55～80min—进水、80～进水、出水，交换和出水，160min—交换和出水，160～345min—出水．从图反应器在空间和时间上具有明显的推可以看出，
流流态，厌氧区和好氧区基质浓度明显不同，且在一个交换周期内呈规律变化．一个交换周期内，在前55min进水阶段，厌氧区DO浓度为0．3～0．4mg/L，COD浓度由42提高氧化还原电位ORP-350mV，
NO3－-N浓度在0．2mg/L以下，至87mg/L，该生化环境为聚磷菌释放磷创造了条件；在55～160min
－
N回的交换阶段，好氧区硝化反应产生的NO3-
2
2．1
结果与讨论
固定床生物膜－沉淀出水方式处理效果
实验阶段Ⅰ优先考察了固定床生物膜系统、
沉淀出水方式处理效果．采用固定生物膜系统，可以在不同分区固定优势微生物，好氧区的生物膜始终处于好氧环境，利于硝化菌的增殖，而厌氧区生物膜始终处于厌氧－缺氧交替的环境，有利于
固定生物膜系统出水反硝化聚磷菌的增殖；此外，
中悬浮污泥较少，出水水质较活性污泥法不易受
沉淀池沉淀效果的影响，且无需设置膜组件和污泥回流，生化区能保持较高的生物量．该工艺形式下，考察了不同混合液交换周期条件下反应器处理效果和单个交换周期内各污染指标变化．其中，不同交换条件下反应器进出水中的氮浓度变化如图2所示．从图可以看出，由于生物膜经过间歇曝反应器运行后即表现出良好的硝化气培养驯化，
+
N低于5mg/L．好氧区和厌氧区性能，出水NH4-－
N无混合液交换时，反硝化效果差，出水中NO3-浓度达到20mg/L；混合液交换后，硝化产生的
NO3－-N回流至厌氧区被反硝化去除，出水NO3－-N浓度降低．反硝化效果随着交换周期的
缩短而改善，连续交换时TN去除最佳．其中，交换周期为140min时TN去除率为78．7%
．
图2
固定床生物膜-沉淀出水方式下反
应器进、出水氮及TN去除率变化
根据反应器设计原理，采用间歇交换模式主
要是为反硝化聚磷菌增殖创造条件．在交换周期为345min时对反应器内主要指标进行跟踪监测，
图3
单个交换周期反应器厌氧区和好氧区各指标变化
－
N浓度提高至4．8mg/L，流至厌氧区，使厌氧区NO3-COD浓度在而DO浓度维持在0．3～0．7mg/L，
微生物量总体不足
．
该生化环境交换后15min即降至50mg/L以下，
采为反硝化和反硝化聚磷创造了条件．可以看出，用间歇交换的模式能够创造反硝化聚磷菌所需的
厌氧/缺氧交替环境，有利于聚磷菌的增殖．本实验中，反应器运行一个月后除磷效果仅有10%左右．分析其原因，一是反硝化聚磷菌培养时间可能不够长，二是无法对固定生物膜系统进行有效排
采用在厌氧区泥．实验中自然脱落的生物膜很少，
外加循环水泵定期水力冲刷效果同样不明显．
2．2移动床复合生物系统－沉淀出水方式处理
效果
基于固定生物膜系统在除磷方面存在的问题，在实验阶段Ⅱ考察了移动床复合生物系统－沉淀出水工艺形式下的处理效果．复合生物系统
以生物膜形兼具生物膜法和活性污泥法的优点，
式存在的微生物被截留至厌氧区和好氧区内，有
反硝化聚磷菌在厌氧区，硝化菌在利于反硝化菌、
好氧区的增殖；另一方面，以活性污泥形式存在的
微生物可以在厌氧区和好氧区周期交换，有利于常规聚磷菌的增殖，而且通过定期排放剩余污泥能够有效控制污泥龄．采用移动床复合生物系统为保证厌氧区良好的混合状态设搅拌装置，但时，
所用聚氨酯填料质地柔软，容易缠绕搅拌器，且造成填料破碎．所以改用改性聚乙烯填料作为生物
在进行间歇曝气培养驯化后加入反应器．为载体，
保持生化区生物量，在沉淀区和厌氧区设蠕动泵，将沉淀的悬浮污泥回流，回流比200%．该工艺形式下，不同交换条件下反应器进、出水中氮浓度变化如图4所示．从图可以看出，在不
+
N浓度同混合液交换条件下，反应器出水NH4-
图4
移动床复合生物系统－沉淀出水方式
反应器进、出水氮及TN去除率变化
2．3
移动床复合生物系统－膜出水方式处理效果实验阶段Ⅲ改为膜出水方式后，不仅增加了
好氧区容积，而且提高了生化系统内的悬浮生物量，当反应器各区MLSS增至一定浓度后对脱氮除磷效果进行监测，如图5和图6所示．从图5可以看出，调整为膜组件出水后，反应器脱氮效果优在保持进水COD/异．为考察反应器脱氮能力，NH4+-N比基本不变的前提下，梯度提高进水NH4+-N浓度和COD浓度．在进水平均COD浓度由456．5mg/L提高至653．7mg/L、进水平均NH4+-N浓度由46．8mg/L梯度提高至70．6mg/L的过程中，反应器出水COD浓度始终低于30mg/L，
+
N浓度在0．6mg/L以下，NO3－-N和出水NH4-NO2－-N浓度分别在6．8和0．1mg/L以下，TN去
+
N除率达到89．5%；进一步提高进水COD和NH4-－
N浓度至821．3和102．5mg/L时，出水中NO3-提高至12．9mg/L，但TN去除率仍达到81．1%
．
N浓度而NO3-保持在12．5～13．7mg/L之间，
为1～2．4mg/L，硝化反应是反应器脱氮的限制步骤．交换周期由390min缩短为260min时，反
TN去除硝化效果由于混合液交换量增多而改善，进水中有机碳源率为66．9%．连续交换条件下，
在好氧区过多消耗，反硝化效果略变差．对进、出水PO4
-P的监测表明，运行25d后，移动床复合生物系统除磷率稳定至30%左右，除磷效果较
3－
－
图5
移动床复合生物系统-膜出水方式反
应器进、出水氮及TN去除率变化
固定床生物膜系统有所改善，但仍达不到预期．对
生物量的监测表明，厌氧区、好氧区的MLSS只有1100～1300mg/L，其原因是污泥沉降效果差、沉淀区沉淀面积偏小，回流污泥量少使得生化区
从图6可以看出，反应器初期悬浮生物量达
之后通过定期排泥，悬浮污泥生物到7600mg/L，
量稳定至4300mg/L，污泥龄SRT约为17．在反
应器运行前20d，系统的除磷效率在40%以下，
3－
P之后不断提高，至第33d后，在进水平均PO4-
3－
P浓度浓度为21．3mg/L的条件下，出水PO4-降至1．2mg/L，除磷效率达到94．4%．除磷效果
3结论
跟踪监测了单个周期内反应器厌氧区和稳定后，
3－
P浓度变化，如图7所示．该好氧区混合液PO4-20～周期运行条件为：0～20min—进水、出水，
85min—进水、85～145min—交换和交换和出水，145～185min—出水．进水条件为COD出水，
828．6mg/L、NH4+-N102．6mg/L、PO43－-P21．8mg/L．
3－
P浓从图可以看出，进水初，厌氧区混合液PO4-55min进水结束后即增加至度仅有1．1mg/L，
本文提出了一种新型的气升间歇内循环一体
进行了反应器的构建和启动，考察了三化反应器，
种工艺形式下污染物去除效能和去除特性，得出
以下结论：
（1）气升间歇内循环反应器利用曝气动力可以实现混合液在厌氧区和好氧区的有效循环，采用变液位间歇交换模式能够在厌氧区创造厌氧/缺氧交替环境，有利于反硝化聚磷菌的增殖；（2）采固定床生物膜－沉淀出水工艺形式，可以实现良好脱氮，而因无法有效排泥造成除磷效果较差．采用移动床复合生物系统－沉淀出水工艺形式，可以加强以活性污泥形式存在的常规除磷效果改善，但生物量受污泥沉聚磷菌的作用，
淀效果的影响浓度较低，造成氮、磷去除率较低；（3）采用移动床复合生物系统－膜出水工艺形式，能保持较高浓度的生物量并能有效排泥，在HRT为22h、间歇交换周期为185min、保持SRTNH4+-N和PO43－-P浓为17d条件下，进水COD、
102．5和21．3mg/L时94．4%，度分别为821．3、
TN和PO43－-P去除率分别达到反应器对COD、
91．8%、84．8%和94．4%．参考文献：
［1］FERMANDEZ-POLANCOF，REALFJ．Behaviorofan
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［2］HAIYANGUO，JITIZHOU，JIANGSU，etal．Integration
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22．9mg/L．由于进水量仅有厌氧区体积的1/4，所以磷浓度的升高主要是由于聚磷菌进行厌氧释
磷造成的．在20～85min进水、交换阶段，厌氧区
3－PO43－-P浓度降低了6．3mg/L，P而好氧区PO4-3－
P基浓度增加了7．2mg/L，该阶段反应器PO4-本无去除．在85～145min交换、无进水阶段，好
氧区PO4氧区PO4
3－3－
-P被聚磷菌过量吸收而降至0，而厌-P浓度降至1mg/L．厌氧区磷的去除
更一方面是来自好氧区混合液的物理稀释作用，
主要是反硝化聚磷菌生物去除，对厌氧区生物膜和活性污泥的聚磷活性测定也证明了这一点（数据未显示）
．
图6
移动床复合生物系统-膜出水方式反
3－
P
变化应器生物量及进、出水PO4-
BiochemicalEngineeringJournal，2005，23：57-62．［3］LILIZHANG，YUNTAOGUAN，WANWANZHAO，et
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［5］CHANGQINGLIU，YALEIZHANG，JIANFUZHAO，et
al．TestofAmOnintegrativebioreactorforwastewater
图7单个交换周期反应器厌氧区和好氧区PO4
3－
-P变化
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DevelopmentofIntegratedReactorwithAlternateCirculationDrivenbyAerationPower
GUOHai-yan，LIYun，LINJing，CHENJian-dong，ZHANGShou-tong
（SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering，DalianJiaotongUniversity，Dalian116028，China）
Abstract：Anewairliftintermittentcirculationmembranebioreactorwasdevelopedusingmixedliquidcircula-tionbetweenanaerobicandoxiczonesbyaerationpower，alternateanaerobic/anoxicbiologicalenvironmentbyliquidlevelvariation，andsimultaneousnitrogenandphosphorusremovalthroughstrengtheneddenitrifyingphosphorusremovalprocess．Pollutantremovalperformanceandmechanismsofthereactorunderthreeprocessnitrogencompositionformswerestudied．Theexperimentresultsindicatethatwithfixedbiofilm-settingprocess，removalefficiencyissatisfied，andthebiologicalenvironmentfordenitrifyingphosphorusremovalofthefixedfilmintheanaerobiczoneiscreatedwithpoorphosphorusremovalduetobiofilmdischargeproblem．Inmovingbedbiofilm-settingprocess，phosphorusremovalefficiencyisimprovedundertheeffectofconventionalphos-phorusremovalmicroorganismsintheactivatedsludge，butnitrogenandphosphorusremovalsareunsatisfiedhigherbiomassquantityisobtained，andduetoinadequatebiomass．Inmovingbedbiofilm-membraneprocess，excesssludgecanbedischargedeffectively．UndertheinfluentconditionofCODconcentrationof821．3mg/L，TN（totalnitrogen）of102．5mg/LandPO43－-Pof21．3mg/Lforthehydraulicresidencetime（HRT）of22handintermittentcirculationtime（ICT）of3h，averageremovalefficienciesofCOD，TNandPO43－-Pcometo91．8%，84．8%and94．3%，respectively．
Keywords：nitrogenandphosphorusremoval；denitrifyingphosphorusremoval；integratedreactor；alternatecir-culation
第34卷第3期2013年6月
文章编号：1673-9590（2013）03-0090-06
大连交通
JOURNALOFDALIAN大学学报
JIAOTONGUNIVERSITYVol．34No．3Jun．2013
气升间歇内循环一体化反应器的开发
郭海燕，李芸，林静，陈建冬，张寿通
（大连交通大学环境与化学工程学院，辽宁大连116028）*
摘
要：提出了一种新型的气升间歇内循环一体化反应器，利用曝气动力实现混合液在厌氧区和好氧区的
循环，采用变液位间歇交换模式在厌氧区创造厌氧/缺氧交替环境，通过强化反硝化除磷过程实现污水同步脱氮除磷．考察了三种工艺形式下污染物的去除效能和去除特性，实验结果表明：采用固定床生物膜－沉淀出水工艺形式，可以实现良好脱氮，厌氧区固定生物膜微生物具备反硝化除磷环境，但因无法有效排泥造成除磷效果较差；采用移动床复合生物系统－沉淀出水工艺形式，可以加强以活性污泥形式存在的常规聚磷菌的作用，除磷效果改善，但生物量受污泥沉淀效果的影响而偏低造成氮、磷去除率较低；采用移动床复合生物系统－膜出水工艺形式，能保持较高浓度的生物量并能有效排泥．在水力停留时间（HRT）为22h、NH4+-N和PO43－-P浓度分别为间歇交换周期为185min、污泥龄（SRT）为17d的条件下，进水COD、821．3、102．5和21．3mg/L时，TN和PO43－-P去除率分别达到91.8%、84．8%和94．4%．反应器对COD、关键词：脱氮除磷；反硝化除磷；一体化反应器；间歇内循环文献标识码：A
0引言
了各种外置的回流设备，但液体在反应器内的流态容易从平推流转变成完全混合流，导致不完全脱氮．截至目前，有关一体化新型反应器的研究报告仍有不断问世，且偏重于各项工艺技术，如膜技术，各种生物膜技术的集成优化
［7-10］
在我国小城镇发展过程中，污水排放量逐年
增加，由氮、磷引起的水体富营养化现象日益突出，这其中一个重要原因就是中小城镇经济能力较弱，而现行的大多污水处理工艺和设备的投资及运行费用相对较高，难以在经济水平低、缺少技术管理人员的小城镇推广应用．一体化反应器基于传统脱氮除磷原理，通过不同溶解氧环境在空间上的分区优化而实现单体反应器内脱氮或除磷，近年来受到许多研究者的关注．根据微生物存在状态可分为一体化生物膜法和一体化活性污泥
［1］
法，前者如缺氧－好氧流化床反应器、一体化A/O生物膜反应器等［2-4］，具有结构紧凑、适应性强、污泥产量小、不需污泥回流等优点，但其脱氮过程类似于前置反硝化工艺，需外加动力进行硝化液回流，且生物膜始终处于同一溶氧环境下，无法实现磷的有效脱除；后者如AmOn污水处理装置
［6］
、气升式活性污泥反应器等，利用了水流喷射动力或曝气动力来实现混合液的循环，节省［5］
．其中，生物
膜与活性污泥法相比具有更复杂的生态系统和空间结构，采用生物膜法除磷也表现出一定的优势
［11-13］
．但总体上，以上研发的一体化工艺仍未
能有效解决脱氮和除磷微生物对碳源的竞争以及两者的泥龄矛盾，无法实现良好的同步脱氮除磷效果．
针对以上问题，本文提出了一种新型的气升间歇内循环一体化反应器（专利号：ZL[1**********]5．0）：采用生物膜法分区固定不同生化环境需求微生物，利用曝气动力实现混合采用变液位运行方式实现混合液在各区液回流，
间的周期交换，在空间和时间上实现脱氮、除磷微生物所需的不同生化环境的，通过强化反硝化除磷过程实现污水中氮、磷的同步去除．基于以上反
*
收稿日期：2012-12-03
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50908028）；环境与化学工程学院大学生科技创新基金资助项目（201103）作者简介：郭海燕（1977－），女，副教授，博士，主要从事水污染控制工程的研究E-mail：ghy2721@sina．com．
应器的设计思想，本文进行了反应器的构建和微
生物培养驯化，考察了三种基本工艺形式下污染为该工艺的进一步开发物去除效能和去除特性，提供理论依据．
应，而非曝气区则处于厌氧和缺氧交替环境，无混合液循环时进行厌氧释磷，有混合液循环时进行反从而实现污水中碳、氮、磷污染物的去除．硝化吸磷，
实际构建的一体化反应器由有机玻璃制成，总有效容积26L．非曝气区（称为厌氧区）、曝气区（称为好氧区）和出水区有效容积分别为7．7、7．7和10．6L．厌氧区和好氧区均投加填料载体，出水区可作为沉淀池出水，或作为曝气区设置膜组件过滤出水．反应器进水由高低液位探头控制，通过调整高低液位探头位置可实现厌氧区和好氧区混合液不同的交换模式和交换周期．
实验考察了三种工艺形式：固定床生物膜系统－沉淀出水方式、移动床复合生物系统－沉淀出水方式和移动床复合生物系统－膜出水方式的处理效果．采用固定床生物膜系统时，厌氧区和好氧区填充聚氨酯填料，填充率80%．采用移动床
厌氧区和好氧区投加改性聚乙复合生物系统时，
烯填料作为生物载体，填充率40%．两种填料具
将好氧区和出体性能参数见表1．膜出水方式下，
水区隔板开孔联通，出水区增设膜组件和曝气头，
2
通过蠕动泵抽真空出水，膜组件有效表面积0．2m，
1
1．1
实验装置及材料
实验装置
反应器结构及原理示意图如图1所示，由生
生化区由导流板分为曝气区化区和出水区组成，
和非曝气区，曝气区设空气扩散装置，非曝气区设
进水管，两区内可设固定或移动填料，出水区可采用沉淀出水或膜组件过滤出水．运行方式上，采用间歇进水、连续出水方式，使反应器液位始终在高液位和低液位之间变化，实现曝气区和非曝气区混合液的周期变换．
曝气区主要进行好氧硝化反
图1一体化反应器构造原理
表1
截留孔径0．1～0．2μm．
填料载体性能参数
尺寸/mm长30，宽15，高15高7，直径10
孔隙率/%
9784
比表面积/（m2·m－3）
5000～35000
1100
填料聚氨酯改性聚乙烯
形状、结构
长方体，状泡沫网状结构圆柱体，内部十字支撑
表2
实验阶段Ⅰ
工艺形式固定床生物膜－
沉淀出水移动床复合生物系统－沉淀出水移动床复合生物系统－膜出水
HRT/h
反应器运行条件
交换周期
进水指标/（mg·L－1）
COD285～366
NH4+-N37．6～49．9
PO43－-P15．3～21．8
30
345min、不交换、140min、连续交换390min、260min、
连续交换185min
Ⅱ24285～36637．6～49．915．3～21．8
Ⅲ22456～82144．8～105．715．3～21．8
1．2进水水质和运行条件
实验采用模拟生活污水，主要由蔗糖、
1．3分析方法
NH4Cl、KH2PO4配制而成，小苏打、同时投加MgSO4、MnSO4、FeSO4、KCl、CaCl2等，提供微生物生长所需微量元素．反应器运行期间水温20～25℃，不同实验阶段反应器运行条件如表2所示．
主要化学指标分析方法参照《水和废水监测
［14］+
N采用纳氏试剂分光光度分析方法》：NH4-NO3－-N采用酚二磺酸光度法，NO2－-N采用法，
N-（1-萘基）-乙二胺光度法，碱度采用酸碱指示剂COD采用微波消解滴定法，PO4滴定法，
3－
-P采用
钼锑抗光度法，混合液悬浮固定浓度MLSS采用重量法．DO使用HANNAHI9147型溶解氧仪测ORP、pH使用HANNAHI8424NEW型酸碱度/定，
氧化还原电位计测定．由于原水和出水中基本不TN浓度按NH4+-N、NO3－-N和NO2－-含有机氮，
N浓度之和计．
如图3所示．单个周期内运行条件为：0～55min—
55～80min—进水、80～进水、出水，交换和出水，160min—交换和出水，160～345min—出水．从图反应器在空间和时间上具有明显的推可以看出，
流流态，厌氧区和好氧区基质浓度明显不同，且在一个交换周期内呈规律变化．一个交换周期内，在前55min进水阶段，厌氧区DO浓度为0．3～0．4mg/L，COD浓度由42提高氧化还原电位ORP-350mV，
NO3－-N浓度在0．2mg/L以下，至87mg/L，该生化环境为聚磷菌释放磷创造了条件；在55～160min
－
N回的交换阶段，好氧区硝化反应产生的NO3-
2
2．1
结果与讨论
固定床生物膜－沉淀出水方式处理效果
实验阶段Ⅰ优先考察了固定床生物膜系统、
沉淀出水方式处理效果．采用固定生物膜系统，可以在不同分区固定优势微生物，好氧区的生物膜始终处于好氧环境，利于硝化菌的增殖，而厌氧区生物膜始终处于厌氧－缺氧交替的环境，有利于
固定生物膜系统出水反硝化聚磷菌的增殖；此外，
中悬浮污泥较少，出水水质较活性污泥法不易受
沉淀池沉淀效果的影响，且无需设置膜组件和污泥回流，生化区能保持较高的生物量．该工艺形式下，考察了不同混合液交换周期条件下反应器处理效果和单个交换周期内各污染指标变化．其中，不同交换条件下反应器进出水中的氮浓度变化如图2所示．从图可以看出，由于生物膜经过间歇曝反应器运行后即表现出良好的硝化气培养驯化，
+
N低于5mg/L．好氧区和厌氧区性能，出水NH4-－
N无混合液交换时，反硝化效果差，出水中NO3-浓度达到20mg/L；混合液交换后，硝化产生的
NO3－-N回流至厌氧区被反硝化去除，出水NO3－-N浓度降低．反硝化效果随着交换周期的
缩短而改善，连续交换时TN去除最佳．其中，交换周期为140min时TN去除率为78．7%
．
图2
固定床生物膜-沉淀出水方式下反
应器进、出水氮及TN去除率变化
根据反应器设计原理，采用间歇交换模式主
要是为反硝化聚磷菌增殖创造条件．在交换周期为345min时对反应器内主要指标进行跟踪监测，
图3
单个交换周期反应器厌氧区和好氧区各指标变化
－
N浓度提高至4．8mg/L，流至厌氧区，使厌氧区NO3-COD浓度在而DO浓度维持在0．3～0．7mg/L，
微生物量总体不足
．
该生化环境交换后15min即降至50mg/L以下，
采为反硝化和反硝化聚磷创造了条件．可以看出，用间歇交换的模式能够创造反硝化聚磷菌所需的
厌氧/缺氧交替环境，有利于聚磷菌的增殖．本实验中，反应器运行一个月后除磷效果仅有10%左右．分析其原因，一是反硝化聚磷菌培养时间可能不够长，二是无法对固定生物膜系统进行有效排
采用在厌氧区泥．实验中自然脱落的生物膜很少，
外加循环水泵定期水力冲刷效果同样不明显．
2．2移动床复合生物系统－沉淀出水方式处理
效果
基于固定生物膜系统在除磷方面存在的问题，在实验阶段Ⅱ考察了移动床复合生物系统－沉淀出水工艺形式下的处理效果．复合生物系统
以生物膜形兼具生物膜法和活性污泥法的优点，
式存在的微生物被截留至厌氧区和好氧区内，有
反硝化聚磷菌在厌氧区，硝化菌在利于反硝化菌、
好氧区的增殖；另一方面，以活性污泥形式存在的
微生物可以在厌氧区和好氧区周期交换，有利于常规聚磷菌的增殖，而且通过定期排放剩余污泥能够有效控制污泥龄．采用移动床复合生物系统为保证厌氧区良好的混合状态设搅拌装置，但时，
所用聚氨酯填料质地柔软，容易缠绕搅拌器，且造成填料破碎．所以改用改性聚乙烯填料作为生物
在进行间歇曝气培养驯化后加入反应器．为载体，
保持生化区生物量，在沉淀区和厌氧区设蠕动泵，将沉淀的悬浮污泥回流，回流比200%．该工艺形式下，不同交换条件下反应器进、出水中氮浓度变化如图4所示．从图可以看出，在不
+
N浓度同混合液交换条件下，反应器出水NH4-
图4
移动床复合生物系统－沉淀出水方式
反应器进、出水氮及TN去除率变化
2．3
移动床复合生物系统－膜出水方式处理效果实验阶段Ⅲ改为膜出水方式后，不仅增加了
好氧区容积，而且提高了生化系统内的悬浮生物量，当反应器各区MLSS增至一定浓度后对脱氮除磷效果进行监测，如图5和图6所示．从图5可以看出，调整为膜组件出水后，反应器脱氮效果优在保持进水COD/异．为考察反应器脱氮能力，NH4+-N比基本不变的前提下，梯度提高进水NH4+-N浓度和COD浓度．在进水平均COD浓度由456．5mg/L提高至653．7mg/L、进水平均NH4+-N浓度由46．8mg/L梯度提高至70．6mg/L的过程中，反应器出水COD浓度始终低于30mg/L，
+
N浓度在0．6mg/L以下，NO3－-N和出水NH4-NO2－-N浓度分别在6．8和0．1mg/L以下，TN去
+
N除率达到89．5%；进一步提高进水COD和NH4-－
N浓度至821．3和102．5mg/L时，出水中NO3-提高至12．9mg/L，但TN去除率仍达到81．1%
．
N浓度而NO3-保持在12．5～13．7mg/L之间，
为1～2．4mg/L，硝化反应是反应器脱氮的限制步骤．交换周期由390min缩短为260min时，反
TN去除硝化效果由于混合液交换量增多而改善，进水中有机碳源率为66．9%．连续交换条件下，
在好氧区过多消耗，反硝化效果略变差．对进、出水PO4
-P的监测表明，运行25d后，移动床复合生物系统除磷率稳定至30%左右，除磷效果较
3－
－
图5
移动床复合生物系统-膜出水方式反
应器进、出水氮及TN去除率变化
固定床生物膜系统有所改善，但仍达不到预期．对
生物量的监测表明，厌氧区、好氧区的MLSS只有1100～1300mg/L，其原因是污泥沉降效果差、沉淀区沉淀面积偏小，回流污泥量少使得生化区
从图6可以看出，反应器初期悬浮生物量达
之后通过定期排泥，悬浮污泥生物到7600mg/L，
量稳定至4300mg/L，污泥龄SRT约为17．在反
应器运行前20d，系统的除磷效率在40%以下，
3－
P之后不断提高，至第33d后，在进水平均PO4-
3－
P浓度浓度为21．3mg/L的条件下，出水PO4-降至1．2mg/L，除磷效率达到94．4%．除磷效果
3结论
跟踪监测了单个周期内反应器厌氧区和稳定后，
3－
P浓度变化，如图7所示．该好氧区混合液PO4-20～周期运行条件为：0～20min—进水、出水，
85min—进水、85～145min—交换和交换和出水，145～185min—出水．进水条件为COD出水，
828．6mg/L、NH4+-N102．6mg/L、PO43－-P21．8mg/L．
3－
P浓从图可以看出，进水初，厌氧区混合液PO4-55min进水结束后即增加至度仅有1．1mg/L，
本文提出了一种新型的气升间歇内循环一体
进行了反应器的构建和启动，考察了三化反应器，
种工艺形式下污染物去除效能和去除特性，得出
以下结论：
（1）气升间歇内循环反应器利用曝气动力可以实现混合液在厌氧区和好氧区的有效循环，采用变液位间歇交换模式能够在厌氧区创造厌氧/缺氧交替环境，有利于反硝化聚磷菌的增殖；（2）采固定床生物膜－沉淀出水工艺形式，可以实现良好脱氮，而因无法有效排泥造成除磷效果较差．采用移动床复合生物系统－沉淀出水工艺形式，可以加强以活性污泥形式存在的常规除磷效果改善，但生物量受污泥沉聚磷菌的作用，
淀效果的影响浓度较低，造成氮、磷去除率较低；（3）采用移动床复合生物系统－膜出水工艺形式，能保持较高浓度的生物量并能有效排泥，在HRT为22h、间歇交换周期为185min、保持SRTNH4+-N和PO43－-P浓为17d条件下，进水COD、
102．5和21．3mg/L时94．4%，度分别为821．3、
TN和PO43－-P去除率分别达到反应器对COD、
91．8%、84．8%和94．4%．参考文献：
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22．9mg/L．由于进水量仅有厌氧区体积的1/4，所以磷浓度的升高主要是由于聚磷菌进行厌氧释
磷造成的．在20～85min进水、交换阶段，厌氧区
3－PO43－-P浓度降低了6．3mg/L，P而好氧区PO4-3－
P基浓度增加了7．2mg/L，该阶段反应器PO4-本无去除．在85～145min交换、无进水阶段，好
氧区PO4氧区PO4
3－3－
-P被聚磷菌过量吸收而降至0，而厌-P浓度降至1mg/L．厌氧区磷的去除
更一方面是来自好氧区混合液的物理稀释作用，
主要是反硝化聚磷菌生物去除，对厌氧区生物膜和活性污泥的聚磷活性测定也证明了这一点（数据未显示）
．
图6
移动床复合生物系统-膜出水方式反
3－
P
变化应器生物量及进、出水PO4-
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图7单个交换周期反应器厌氧区和好氧区PO4
3－
-P变化
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DevelopmentofIntegratedReactorwithAlternateCirculationDrivenbyAerationPower
GUOHai-yan，LIYun，LINJing，CHENJian-dong，ZHANGShou-tong
（SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering，DalianJiaotongUniversity，Dalian116028，China）
Abstract：Anewairliftintermittentcirculationmembranebioreactorwasdevelopedusingmixedliquidcircula-tionbetweenanaerobicandoxiczonesbyaerationpower，alternateanaerobic/anoxicbiologicalenvironmentbyliquidlevelvariation，andsimultaneousnitrogenandphosphorusremovalthroughstrengtheneddenitrifyingphosphorusremovalprocess．Pollutantremovalperformanceandmechanismsofthereactorunderthreeprocessnitrogencompositionformswerestudied．Theexperimentresultsindicatethatwithfixedbiofilm-settingprocess，removalefficiencyissatisfied，andthebiologicalenvironmentfordenitrifyingphosphorusremovalofthefixedfilmintheanaerobiczoneiscreatedwithpoorphosphorusremovalduetobiofilmdischargeproblem．Inmovingbedbiofilm-settingprocess，phosphorusremovalefficiencyisimprovedundertheeffectofconventionalphos-phorusremovalmicroorganismsintheactivatedsludge，butnitrogenandphosphorusremovalsareunsatisfiedhigherbiomassquantityisobtained，andduetoinadequatebiomass．Inmovingbedbiofilm-membraneprocess，excesssludgecanbedischargedeffectively．UndertheinfluentconditionofCODconcentrationof821．3mg/L，TN（totalnitrogen）of102．5mg/LandPO43－-Pof21．3mg/Lforthehydraulicresidencetime（HRT）of22handintermittentcirculationtime（ICT）of3h，averageremovalefficienciesofCOD，TNandPO43－-Pcometo91．8%，84．8%and94．3%，respectively．
Keywords：nitrogenandphosphorusremoval；denitrifyingphosphorusremoval；integratedreactor；alternatecir-culation