氮和磷是导致水体富营养化的主要物质，其中磷是控制水体富营养化的重要限制因素。随着含氮、磷污水所带来的环境污染问题的日趋严重，对污水中营养负荷的削减需求越来越强烈。生活污水中氮、磷含量丰富，据统计，目前全国每年产生农村生活污水约80多亿吨，其中96%的农村生活污水未经处理直接排放〔1〕，成为我国水体污染的主要污染源之一。为此，废水脱氮除磷工艺的开发倍受关注。笔者结合ABR反应器所具有的能有效去除有机污染物和悬浮物、能耗低、效率高等优点〔2〕，将ABR反应器和好氧工艺进行优化组合用于废水的脱氮除磷，该组合工艺利用收集曝气气体的提升作用取代混合液回流泵实现混合液的回流，降低了动力能耗。本研究在该工艺成功启动前提下，对其在不同运行条件下的运行效果进行了深入研究，探寻了工艺最优生物脱氮除磷的运行条件，以期开发出能耗低、占地少、运行维护简单并且处理效果优良的污水处理工艺。
1 材料和方法
1.1 实验水质
反应器进水为模拟污水 与某高校生活污水（混合体积比为1∶1）的混合液。模拟污水以葡萄糖（540 mg/L）为主要碳源，氯化铵（115 mg/L）为主要氮源，另外添加尿素（4 mg/L）、蛋白胨（150 mg/L）及乙酸、丙酸、丁酸、戊酸（乙酸、丙酸、丁酸、戊酸各0.01 mL/L）。投加NaHCO3（300 mg/L），以保持溶液具有一定的缓冲能力，使其碱度约为COD的0.8倍〔3〕。模拟污水中含有的营养盐和微量元素〔4〕分别为H3BO3 30 mg/L、ZnCl2 25 mg/L、CuCl2 25 mg/L、AlCl3 25 mg/L、NiCl2 25 mg/L、EDTA 40 mg/L、CaCll2 30 mg/L；Na2SeO3·5H2O 25 mg/L、K2HPO4·3H2O 25 mg/L、FeCl3·6H2O 25 mg/L、MgSO4·7H2O 30 mg/L、CoCl2·6H2O 25 mg/L、MnSO4·H2O 25 mg/L、NaMoO4·2H2O 25 mg/L。苏州某高校生活区的污水水质：COD 232~459 mg/L，NH4+-N 20~46 mg/L，TN 25~56 mg/L，TP 1~7 mg/L。
1.2 污泥驯化与接种
接种污泥取自苏州市某城市污水处理厂重力浓缩池。污泥静置1 周后，加入适量葡萄糖，再静置 2 d，然后均匀移入ABR 各隔室，总接种泥量约为各隔室有效体积的3/5。用配制的生活污水填满各隔室，闲置1 d后开始连续进水。启动时，ABR 反应器各隔室MLSS约为28 g/L，MLVSS/MLSS 约为0. 45。将取自苏州某污水处理厂氧化沟的活性污泥注入好氧池，投入量占好氧池有效体积的1/2，MLSS 约为7.5 g/L。
1.3 复合工艺
本实验所采用的实验装置由3 隔室ABR反应器和2个好氧池组合而成，为及时和定性观察反应器内的运行情况，反应器均由透明有机玻璃加工制作。ABR反应器、好氧池1和好氧池2的有效容积分别为60 、20 、40 L。实验装置如图 1 所示。
图 1 实验装置示意
好氧池底部布设穿孔曝气管，曝气量可由空气流量计调节，DO控制在2 mg/L左右，总水力停留时间为10 h。通过调节混合液出口高度控制回流比R1为100％左右，R2为50%。利用收集曝气气体的提升作用取代混合液回流泵，将泥水混合液提升至厌氧区，实现泥、水的回流。在ABR内实现反硝化及反硝化除磷脱氮，同时基于厌氧反硝化脱氮以及厌氧释磷、好氧吸磷等特性，最终通过沉淀区排泥来实现磷的去除。部分污泥由沉淀区下方的斜板回流至好氧区。
为探寻工艺最优生物脱氮除磷的运行条件，设计了8个运行工况，如表 1所示。
1.4 实验方案和监测方法
本实验在工艺成功启动后，在进水温度为25 ℃左右，pH为6.5~8.5的条件下对不同运行条件下该组合工艺的运行效果进行研究。COD、NH4+-N、TN、TP、MLSS、MLVSS等均采用国家标准方法进行测定。
2 结果与讨论
2.1 不同运行条件下COD的去除效果法
不同运行条件下的COD去除效果如图 2所示。
图 2 不同运行条件下的COD去除效果
由图 2可知，当DO为2 mg/L，R1为200%时，HRT越小，出水COD越大。当DO为2 mg/L，HRT为7.5 h时，R1增大，出水COD略有减小，这可能与回流量增加，微生物能与基质接触更充分有关。当HRT为7.5 h、R1为200%时，系统出水COD随DO的增大而减小。总体而言，系统COD去除效果良好，COD去除率高于80%。除HRT为5 h条件外，其他条件下的系统出水COD均低于50 mg/L。实验结果表明，当HRT为7.5 h，R1为200%，DO为3 mg/L时，ABR出水COD为101 mg/L，COD去除率为75%，大部分COD在ABR内被消耗；好氧池COD去除率为15%，总COD去除率达到90%。
2.2 不同运行条件下NH4+-N的去除效果
不同运行条件下的NH4+-N去除效果如图 3所示。
图 3 不同运行条件下的NH4+-N去除效果
由图 3可知，当DO为2 mg/L，HRT为10 h或7.5 h时，系统出水NH4+-N﹤3.5 mg/L。当HRT为7.5 h时，R1增大，出水NH4+-N略有降低，回流量增大，导致硝化区有机物浓度因稀释而减小，有利于自养型硝化细菌在生物群落中进一步繁殖富集，硝化作用增强。当HRT为7.5 h，R1为200%时，出水NH4+-N随DO的增大明显减小。当HRT为7.5 h，R1为200%，DO≥3 mg/L时，出水NH4+-N较低。总体而言，组合工艺对NH4+-N的去除效果非常理想，NH4+-N去除率＞81%。
2.3 不同运行条件下TN的去除效果
不同运行条件下的TN去除效果如图 4所示。
图 4 不同运行条件下的TN去除效果
由图 4可知，当DO为2 mg/L，R1相同时，随HRT的减小，系统出水TN略有增大。HRT大，反硝化菌就有充足的时间将硝态氮经反硝化去除。当DO为2 mg/L，HRT为7.5 h时，R1为200%的系统出水平均TN（14.1 mg/L）小于R1为100%时的系统出水平均TN（15.3 mg/L），TN去除率为72%； 相比于R1为200%，R1为100%时，硝化液回流量减小，因而TN去除率降低。当DO为2 mg/L，HRT为5 h时，系统出水平均TN随R1的增大而增加，出水平均TN＞15 mg/L；HRT太小，微生物与基质接触不充分，不利于硝化和反硝化反应的充分进行，并且硝化液的过度回流影响了反硝化效果，导致出水TN增加。当HRT为7.5 h，R1为200%时，DO为3 mg/L的系统出水平均TN（12.1 mg/L）略小于DO为2 mg/L时的系统出水平均TN，这是由于DO是决定硝化效果好坏的关键因素〔5〕，增加DO，好氧硝化作用更加充分，更多的硝态氮可经反硝化作用得以去除，从而提高了TN去除率。但当DO增加到4 mg/L时，系统出水TN增大，这是由于DO过大，破坏了反硝化所需的缺氧环境，影响了反硝化脱氮效果，从而降低了TN去除率。实验结果表明，当HRT 为7.5 h，R1 为200%，DO为3 mg/L时，该组合工艺对TN的去除效果较好。
2.4 不同运行条件下TP的去除效果
不同运行条件下的TP去除效果如图 5所示。
图 5 不同运行条件下的TP去除效果
由图 5可知，当DO为2 mg/L，HRT为7.5 h时，R1为200%的系统出水平均TP （0.69 mg/L）明显小于R1为100%时的系统出水平均TP（1.16 mg/L）， TP去除率达82%；R1增大，系统污泥循环量增加，更多的聚磷菌参与厌氧释磷和好氧吸磷，出水TP降低。当DO为2 mg/L，HRT为5 h时，系统出水平均TP随R1的增大而显著增加，出水平均TP＞0.6 mg/L；HRT太短，并且过多的硝酸盐回流到ABR厌氧区，大部分有机物优先用于反硝化脱氮过程，致使厌氧释磷不完全，以致后续吸磷能力降低〔6〕，最终导致出水TP偏高。当DO为2 mg/L，R1为100%时，系统出水平均TP随HRT的减小而显著降低，这是因为随HRT的减小，各池水流上升速率增大，更多的污泥在反应器内循环，从而有更多的聚磷菌进行厌氧释磷和好氧吸磷过程，使得出水TP降低。当HRT为7.5 h，R1为200%时，DO为3 mg/L或4 mg/L的系统出水平均TP小于DO为2 mg/L时的系统出水平均TP；增加DO，使得聚磷菌好氧吸磷更加充分，从而降低了出水TP。与DO为3 mg/L时相比，DO为4 mg/L的系统出水平均TP略有增大，这可能是由于DO过高，减弱了聚磷菌厌氧释磷效果，从而降低了聚磷菌的吸磷量，使出水TP有所增加。实验结果表明，当控制HRT为7.5 h，R1为200%，DO为3 mg/L时，出水TP最低。
2.5 脱氮除磷机理分析
综上所述，工艺的最佳运行条件：HRT为 7.5 h，R1为 200%，DO为 3 mg/L。在最佳运行条件下，对工艺各单元的运行情况进行了检测，结果如表 2所示。
由表 2可知，由于硝化液回流ABR1隔室中NH4+-N迅速下降，而ABR2隔室中的NH4+-N略高于ABR3隔室，这与厌氧条件下，有机含氮污染物通过厌氧微生物作用转化的氨多于厌氧微生物利用氨作为氮源同化作用合成生命物质氨基酸所需的氨有关；另外，厌氧反硝化过程也能够将NO3--N通过同化作用还原成NH4+-N，造成ABR2隔室中NH4+-N略有升高。好氧池1内NH4+-N急剧减少，表明好氧池1内微生物硝化能力较强。在好氧池1内没有去除的NH4+-N，在好氧池2内可进一步去除。ABR内NO3--N大幅下降表明，反应器内反硝化菌的反硝化脱氮能力较强。系统出水NO3--N比ABR3隔室增加8.6 mg/L，但是比NH4+-N的减少量（18.8 mg/L）低约10.2 mg/L，说明好氧池内存在同步硝化反硝化过程，由同步硝化反硝化作用去除的氮占19%。ABR出水没有检测到NO3--N，且系统出水NH4+-N低至0.7 mg/L，可判断工艺中硝化和反硝化2个过程达到动态平衡，反硝化脱氮效果良好。生物脱氮主要发生在ABR内，ABR内TN去除率为52%，好氧池TN去除率为24%，系统TN去除率为76%。
此外，实验结果表明，ABR1隔室首先保证了回流的硝化液与原水混合以快速地完成反硝化过程，由于ABR1隔室硝态氮降低到了一定浓度，随即发生了释磷现象。ABR2隔室聚磷菌释磷量增强，TP达12.86 mg/L。ABR3隔室反硝化除磷菌吸磷现象明显，TP降低至6.73 mg/L。好氧池1 TP显著降低，说明聚磷菌能过量吸磷，TP降至1.05 mg/L。在好氧池2进一步吸磷后，出水TP降低至0.51 mg/L，系统TP去除率达87％。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
以ABR-好氧复合工艺处理生活污水能有效节能降耗，同时可获得良好的出水水质。综合考虑其对COD、NH4+-N、TN和TP的去除效果，可以确定工艺的最佳运行条件：HRT为7.5 h，回流比R1为200%，DO为3 mg/L。此运行条件下，系统出水水质良好，出水COD、NH4+-N、TN和TP平均分别为38、0.7、12.1、0.51 mg/L，COD、NH4+-N、TN和TP去除率分别为90%、97%、76%和87%。其中，ABR内TN去除率为52%，好氧池同步硝化反硝化强化了脱氮效果，TN去除率达19%。ABR2隔室聚磷菌过度释磷能力强，ABR3隔室反硝化除磷菌能有效吸磷，好氧池聚磷菌进一步大量吸磷，使TP最终通过排泥得到有效去除。
