紡織印染業作為我國重要的經濟產業，在其退漿、煮練、絲光、染色、印花以及水洗等過程中會用到大量的油、酸、堿、纖維雜質、無機鹽、表面活性劑、漿料、染料和化學助劑等，導致所產生的廢水不但量大，且廢水水質變化大、有機物濃度高、色度高、pH高以及可生化性差，屬于難降解的工業廢水之一〔1, 2〕。
為控制太湖流域重點行業排污總量，江蘇省政府在2007年頒布了《太湖地區城鎮污水 處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2007)，將印染廢水的CODCr排放指標由行業標準的80 mg/L提高到50 mg/L，氨氮(NH4+-N)由10 mg/L提高到5 mg/L。對太湖地區的印染行業而言，要達到江蘇省太湖地區排放標準，尤其是CODCr指標和氨氮指標仍有一定的難度。這兩項指標直接導致了該地區印染行業廢水回用率不到50%的結果，這一回用率在全國各行業中水回用率中是較低的〔3〕。
為了能夠實現氨氮的穩定達標排放，目前在工程應用中多利用缺氧-好氧工藝(即A/O生物工藝)進行脫氮。然而，常規A/O工藝存在如下缺陷：(1)硝化與反硝化過程均始終要重復經歷抑制-復蘇-抑制-復蘇的過程。如硝化菌，當其處于缺氧段時，其活性會受到一定的抑制，而當它再次進入硝化段時又需要一段恢復活性的過程，對反硝化菌也同樣如此。這樣的結果就是整個硝化與反硝化過程都要重復經歷抑制階段，從而導致各反應區內的主體反應速度變緩。(2)優勢菌種不明顯。在A/O工藝中，硝化菌與反硝化菌是一個龐雜的混合體。只是在不同的處理階段和不同的外界環境下，菌種的活性表現有所差異。(3)來自好氧池出水的內回流往往含有較高的溶解氧(DO)，使反硝化段難以保持理想的缺氧狀態，從而對缺氧池的反硝化過程產生一定的抑制作用〔2〕。
為此，筆者通過改變泥水回流方式及微生物培養方式，并添加自主專利的新型填料后，形成改良型A/O生物膜工藝，并以預處理后的實際印染廢水為處理對象，對改良型A/O生物膜工藝在脫除有機物及氮磷方面的效果進行了研究，以期為今后的工程應用提供參考與借鑒。
1 實驗裝置與工作原理
實驗裝置采用有機玻璃制作，尺寸為80 cm×40 cm×55 cm，總容積150 L，包括缺氧池(A池)、好氧池(O池)和后續沉淀池3部分。A池與O池的容積比為1∶3。O池底部采用穿孔管曝氣，氣水比為(10~16)∶1。硝化液回流由沉淀池出水通過計量泵回流至A池進水端，回流比為200%。A池與O池內部添加SJ-Ⅲ新型填料，均勻布置于反應器內，填充率約為68%(體積比)。SJ-Ⅲ填料為江蘇蘇凈集團有限公司提供的纖維編織產品，其直徑約5.5 cm，表面粗糙度0.2 μm，1 cm干燥產品質量為1.1 g，膜后質量密度160~240 kg/m3，單絲強力60~80 N，比表面積2 000~3 500 m2/m3。實驗裝置見圖 1。
圖 1 實驗裝置
工藝特征：(1)池體內增設填料后，可以將硝化菌及反硝化菌固定在各自的反應器內，避免抑制過程的發生，提高反應器的脫氮速率及效率;(2)池體內投加填料不但可以加強反應器內所需的微生物菌種數量，而且可以利用填料對其進行分相培養，使其成為所需的優勢菌種，并通過保持反應器內所需的生物環境，使其始終處于最佳的生理狀態;(3)對O池而言，投加填料還能有效提高好氧池內氧的傳遞及利用效率，大大增強系統的穩定性〔4〕;(4)內循環由原來的O池出水回流改為由沉淀池出水回流。如此則有利于保持A池的缺氧狀態，改善反硝化效果。
在該改良型A/O生物膜工藝中，廢水先進入A池，然后再進入O池。由于硝化菌和反硝化菌固定在反應器內的填料上，不但生物量大，且始終處于最佳的生理狀態，因此，能夠對水中的氨氮進行快速硝化與反硝化，達到高效脫氮的目的。
2 實驗過程
2.1 原水水質
實驗所用印染廢水取自杭州市蕭山區某印染廠，該廢水由高濃度脫漿廢水和低濃度染色廢水經物化及厭氧水解工藝預處理后的混合液組成，其中CODCr為615~805 mg/L，可生化性為0.30~0.45，氨氮16.1~30.7 mg/L，總氮31.4~45.7 mg/L，總磷0.68~1.58 mg/L，pH 8~10。
2.2 接種污泥
接種污泥一部分取自杭州市蕭山區某印染廠好氧池內經靜沉后的活性污泥，其TSS 12.6 mg/L，VSS 7.5 mg/L，VSS/TSS=59.5%;另一部分取自污水廠污泥濃縮池中的污泥，其TSS 23.8 mg/L，VSS 16.9 mg/L，VSS/TSS=71.0%。
該填料具有較大的比表面積和粗糙度，易為微生物附著，能夠形成良好的微生物生態圈，正常運行的反應器內微生物質量濃度可達5~8 g/L左右。膜纖維中還穿插有硬質塑料線，使得填料不易變形，抗水流沖擊能力強，抗拉性能好。另外，填料成本低廉，約在4~5元/m，適合各種水量的處理。
2.3 分析指標及方法
CODCr采用快速密閉消解后以重鉻酸鉀法測定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定，TN采用紫外分光光度法測定，硝酸鹽氮采用酚二磺酸分光光度法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定〔5〕，污泥濃度(MLSS)采用烘干稱量法測定，DO采用便攜式DO測定儀測定，pH采用pH計測定，溫度采用溫度計測定。
2.4 實驗運行
首先對反應器進行污泥培養馴化。參照A池與O池反應器體積比，各取濃縮污泥3.75 L和活性污泥11.25 L，分別加入A池與O池反應器內,再加滿待處理印染廢水，控制曝氣量，使泥水充分混合，靜態運行1周，目的是使微生物適應廢水水質，同時使填料上附著盡可能多的微生物。在污泥馴化期內，每隔12 h更新反應器內水樣，每次更新水量占反應器總水量的25%。1周后采用全流量連續進出水，進水量控制在3.5 L/h。馴化1周后可明顯看見填料上均勻布滿大量淡黃色黏性微生物膜。此時CODCr去除率達到50%，表明馴化過程結束。隨后流量調至5.5L/h，連續進出水，每日2次測定反應器進出水各項指標。
3 結果與討論
3.1 CODCr去除效果
反應器正常運行后，每天對進出水CODCr進行檢測，結果如圖 2所示。
從圖 2可以看出，改良型A/O生物膜反應器在培養馴化結束時對CODCr的去除率在50%左右，經連續5周運行后，出水CODCr去除率平均達92.2%。當進水CODCr平均717.7 mg/L時，出水CODCr可穩定在50 mg/L以下，完全達到江蘇省太湖地區排放標準。
圖 2 反應器出水CODCr變化
3.2 氨氮去除效果
對于工業廢水中氨氮的去除，目前采用較多的技術仍然是硝化反硝化技術，即A/O工藝。對常規的A/O工藝來說，內循環比的大小直接決定著脫氮率的高低。根據工程實踐經驗，要保持較高的脫氮率(如70%以上)時，內循環比通常在200%~400%。而如此高的內循環比則意味著反應器容積較大、造價較高，而且循環泵的電耗也非常大。因此，目前大多數工業廢水的生物脫氮率都難以超過70%。
研究通過對傳統A/O工藝在微生物培養方式以及泥水回流方式方面的變化，并增設特殊填料后，期望達到同步脫氮除碳的效果。實驗對進出水氨氮的檢測結果見圖 3。
圖 3 反應器出水氨氮變化
從圖 3可以看出，反應器對氨氮的去除率隨著反應器的運行逐漸升高。在最初的2周內，氨氮去除率只有40%左右。當反應器運行5周后，反應器對氨氮的去除率接近90%，平均去除率達到86.9%，出水氨氮能穩定維持在5 mg/L以下，完全達到江蘇省太湖地區排放標準。
分析認為：氨氮去除率高的原因，與系統添加特殊填料、污泥培養方式以及泥水回流方式等均有直接關系。一方面通過添加填料能使每個反應器內優勢菌種固定下來，使其始終處于最佳的生理狀態，達到高效脫氮的效果;另一方面，填料的特殊結構使得該填料上附著的微生物數量要遠遠多于傳統填料上的微生物量，而微生物量的多少對于有機物及脫氮率有直接的影響。這可能是該新型填料能改善脫氮效果的最重要原因。
而且在O池內，由于生物膜厚度較厚，不同膜層中由于微生物所處的微氧環境不同，微生物種群類型也有差異。處于表層的生物膜主要以異養型的好氧菌(包括硝化菌)為主，中間層的微生物則主要以兼氧型的菌種為主(包括反硝化菌)，而處于膜最深層中的微生物則主要以厭氧型菌種為主。因此，脫氮過程除了A/O工藝本身所帶來的效果之外，在好氧池內也會發生同步硝化反硝化過程。
另外，泥水回流方式也能使缺氧池內的DO始終處于0.5 mg/L以下。而微生物的分相培養則使微生物始終處于最佳的生理狀態。上述幾方面疊加使得該A/O生物膜工藝具有非常高的脫氮效果。
3.3 硝酸鹽氮去除效果
為了進一步考察系統對實際印染廢水中氨氮的硝化效果，以及硝酸鹽在反應器內的積累程度，實驗每隔5 d對反應器中的硝酸鹽含量測定1次，實驗結果如圖 4所示。
圖 4 反應器出水硝酸鹽氮變化
根據圖 3對氨氮的去除率，并結合實驗對出水中硝酸鹽氮含量的監測結果，可知系統脫氮效果明顯，出水硝酸鹽氮的平均質量濃度低于2 mg/L，積累效果不顯著。這是由于不同環境之間連續的傳質過程，使得硝化和反硝化過程變得高效且連續，且在O池內能同時發生硝化與反硝化過程，從而減弱了中間產物如硝酸鹽、亞硝酸鹽等對微生物代謝活動的抑制作用，促進了對水中氨氮的高效去除。
3.4 總氮去除效果
為了考察改良型A/O生物膜工藝對總氮的脫除效果，實驗對系統進出水總氮進行了連續監測，結果如圖 5所示。
圖 5 反應器出水總氮變化
由圖 5可以看出，系統對總氮的去除率在最初的一段時間內呈下降趨勢。隨著污泥性能的穩定并逐漸適應該廢水后，總氮去除率逐漸上升。在運行第5周后，總氮平均去除率達到84.8%，實現了高效脫氮的目的。這進一步證明了系統采用污泥分相培養及增設特殊填料的方法對于改善系統的脫氮性能有著顯著的影響。
然而，實驗也發現，當把內回流比增大到300%后，系統對總氮的脫除效果并沒有明顯增加。分析認為這主要與生物膜的特性有關。因為當生物膜的厚度增大到一定程度后，底物從膜表面滲透到膜內部過程中，會有一定的阻力。回流比的增大能夠加快膜表面的硝化與反硝化反應的進行，但是對于底物的滲透過程則不會有顯著的影響。另外，膜表面與廢水接觸的微生物量的增量遠小于內回流量的增量。因此，當回流比足夠合適時，繼續增大回流比并不能顯著提高脫氮效果。
3.5 總磷去除效果
實驗期間還考察了改良型A/O生物膜法對實際印染廢水中總磷的去除情況，結果見圖 6所示。
圖 6結果顯示，通過前期的預處理，進入到A/O系統中的總磷平均在1.3 mg/L左右。隨著反應器的運行，總磷去除率在后期呈上升趨勢，去除率接近70%，出水總磷保持在0.5 mg/L以下，這個數值對于A/O脫氮系統來說不算太低。這一方面得益于微生物自身的生理需要對磷酸鹽的攝取，另一方面也說明，生物膜中存在聚磷菌的富集，如反硝化聚磷菌等〔6, 7〕。但是聚磷菌從外部環境吸收的磷，只能通過將含磷污泥排出系統達到除磷的目的，因此，如應用于工程實踐時，需要對A/O系統定期排泥。
圖 6 反應器出水總磷變化
然而，對于總磷含量較高的印染廢水，仍然需要設置前置或后置的化學除磷設施，以確保總磷能長期達標排放。
3.6 填料掛膜前后特征
改良型A/O生物膜工藝連續運行5周后，對掛膜前后填料表面特征進行了對比。通過觀察發現，由于填料絲相互纏繞并伸展至水中，使生物膜具有立體結構。反應器中填料表面生物膜分布均勻，反應器中活性污泥大部分附著在填料上，只有極少量的污泥懸浮在反應器中。
其中，A池填料由最初的白色變為灰褐色，填料表面生物膜結構密實，厚度較厚;O池填料外觀為黃褐色，生物膜結構密實，厚度較A池略薄。將填料在水中用力抖動，會有少量污泥脫落。
在該改良型A/O生物膜工藝中，填料上附著的活性生物膜與普通填料產生的生物膜雖無本質區別，但厚度卻有顯著差異。常規填料如立體彈性填料上附著的生物膜厚度多在0.1 mm以下，而研究所采用的填料由于具有獨特的表面結構及較大的比表面積，更易為微生物所附著，因此，生物膜不但形成速度快，厚度也是傳統填料的1~2倍。根據對兩個反應器中污泥濃度MLSS的測定，A池和O池中MLSS分別約為7 251、5 867 mg/L。生物膜越厚，代表單位容積的微生物數量也越大，處理效率和處理速率也越高。
鏡檢發現，A池填料上的生物菌落主要以鞭毛蟲和草履蟲等為主。O池填料上的生物菌落含有少量絲狀菌以及原生動物和后生動物，包括輪蟲、累枝蟲和線蟲等，而鐘蟲難以覓見。這些種類不一、功能繁多的微生物組成了一種相互聯系、相互影響的生態平衡關系，共同促進了對廢水中有機物、氨氮及總磷等的去除，使污水得到凈化。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
4 結論
(1)通過對常規A/O脫氮工藝的泥水回流方式和污泥培養方式進行改變，并添加特殊填料后，形成具有生物膜特征的改良型A/O生物膜脫氮除碳工藝。該工藝能使污泥固定在各自的反應器內進行分相培養，并使其成為優勢菌種，同時使反應器內的微生物始終處于最佳的生理狀態，從而提高常規A/O系統的處理效果。
(2)系統對實際印染廢水的CODCr、氨氮、總氮、總磷的去除效果較好，去除率可分別達到92.2%、86.9%、84.8%、69.6%。系統出水主要指標完全達到《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2007)的排放標準。
(3)系統對預處理后的印染廢水中總磷處理效果較好，出水總磷低于0.5 mg/L。對于總磷含量較高的印染廢水，需要設置前置或后置的化學除磷設施，以確保總磷能長期達標排放。
