氣提式內循環反應器處理生活污水的試驗研究——畢業論文碩士研究生學位論文新疆大學論文題目(中文)：氣提式內循環反應器處理生活污水的試驗研究論文題目(外文)：ExperimentalStudyonDomesticSewageTreatmentbyanInternal-loopAir-liftBioreactor研究生姓名：學科、專業：環境科學研究方向：環境管理導師姓名職稱：論文答辯日期：2010年5月學位授予日期：年月日摘要氣提式內循環反應器是以傳統生物流化床為基礎的一種新型好氧生物處理工藝，該反應器吸取了化工操作中的流態紊動技術，具有污泥負荷高，抗沖擊負荷能力強，結構緊湊，占地面小等特點。本文對氣提式內循環反應器的工作原理進行了闡述，總結了氣提式內循環反應器的國內外研究現狀及其在污水處理行業中的應用。試驗采用氣提式內循環反應器處理生活污水，利用正交實驗確定反應器的最優參數，研究了反應器對COD、NH4+-N、SS、TN、TP等主要污染物的去除效果，并對反應器的抗沖擊負荷能力以及活性污泥特性進行了研究。試驗研究結果表明：1、通過正交實驗得出氣提式內循環反應器最佳運行參數為HRT10h，QL0.55m3/h，SRT5d，該工況下氣提反應器出水COD、NH4+-N和SS的去除率分別為90.17%、91.45%和91.85%2、試驗過程中，COD進水濃度最小值為229.71mg/L，最大值為595.69mg/L，平均濃度值為375.71mg/L。氣提反應器COD去除率維持在64.24-94.43%，平均去除率為81.24%。COD出水濃度穩定，保持在33.16-96.17mg/L之間，平均出水濃度為63.24mg/L。污泥負荷平均為1.05kgCOD/（kgMLSS·d），高于一般好氧生物處理工藝。3、氣提式內循環反應器對SS的去除率維持在87.72-93.35%之間，平均去除率為89.87%。由正交實驗結果可知，影響氣提反應器出水SS濃度的主次順序為SRT＞QL＞HRT，即泥齡是主要影響因素，其次是曝氣量，影響最小的是水力停留時間。4、氣提式內循環反應器的脫氮除磷能力高于一般生物處理工藝。反應器TN、TP進水幅度分別為58.03-73.54mg/L與5.34-19.19mg/L，平均TN去除率達55.61%，高于一般生物處理工藝的20%-40%，平均TP去除率為57.72%，高于一般生物處理工藝的15%-20%。5、試驗通過人為添加蔗糖的方法考察氣提反應器抗水質沖擊負荷能力，結果表明，在氣提反應器COD平均進水濃度為707.56mg/L的情況下，出水COD濃度保持在77.28-128.65mg/L，平均出水濃度為93.92mg/L，COD去除率保持在84.95-89.66%，平均去除率為86.11%。可見，即使進水COD濃度出現較大幅度的增加，氣提反應器對COD依然保持著較高的去除率。6、氣提式內循環反應器SV與SVI平均值分別為15%、93，試驗還發現，SV曲線與SVI曲線有相似的變化趨勢，隨著時間的推移愈加明顯，表明氣提反應器活性污泥的穩定也得到加強。關鍵詞：氣提式內循環反應器；生活污水；正交實驗；污泥特性AbstractInternal-loopair-liftbioreactorisanewaerobicbiotreatmentreactorbasedontraditionalbio-fluidizedbed,whichabsorbeddisorderlyfluidizationfromchemicalmanipulationwiththecharacterofhighsludgeload,stronganti-shockloadingcapabilityandcompactstructure.Thispapersummarizedtheoperationalprincipleoftheinternal-loopair-liftbioreactoranditsprogressathomeandabroad.Experimentappliedinternal-loopair-liftbioreactortreatingdomesticsewage,andtheresultsrevealedtheoptimalconditionbytheorthogonalmethod.WealsoanalyzedtheremovalefficienciesofCOD、NH4+-N、SS、TNandTPandstudiedtheanti-shockloadingcapabilityandsludgecharacteristicsoftheinternal-loopair-liftbioreactor.Theresultsofexperimentshowedthat:1.Theorthogonalexperimentalresultsrevealedtheoptimalconditions:theHRTwas10h,theQLwas0.55m3/handtheSRTwas5d.TheresultofexperimentunderthoseconditionsshowsthattheaverageremovalrateofCOD,NH4+-NandSSwere90.17%,91.45%and91.85%respectivelywhichisqualifiedonthesecondclassbyDischargestandardofpollutantsformunicipalwastewatertreatmentplant(GB18918-2002).2.ThemaximumandminimuminfluentconcentrationofCODwere229.71mg/Land595.69mg/Lwiththeaverageof375.71mg/L.TheCODremovalratewasbetween64.24%and94.43%withtheaverageof81.24%andtheCODeffluentconcentrationwasbetween33.16mg/Land96.17mg/Lwiththeaverageof63.24mg/L.Resultsshowedthattheinternal-loopair-liftbioreactorhastheaveragesludgeloadof1.05kgCOD/(kgMLSS·d),whichishigherthanthetraditionalbiotreatmentreactor.3.TheSSremovalratewasbetween87.72%and93.35%withtheaverageof89.87%.ItrevealedbyorthogonalexperimentalresultsthatthesequenceoftheeffectoftheparameterstoSSremovalratewasSRT>QL>HRT,thatistosaytheSRTwasthedominantparameter,QLwassecondaryandHRTaffectedleast.4.Theinternal-loopair-liftbioreactorhadhighercapabilityofnitrogenandphosphorusremovalthanthetraditionalbiotreatmentbioreactor.TheTNinfluentconcentrationwasbetween58.03mg/Land73.54mg/Lwiththeaverageremovalrateof55.61%whichwashigherthanthetraditionalbiotreatmentbioreactor(20%-40%).TheTPinfluentconcentrationwasbetween5.34mg/Land19.19mg/Lwiththeaverageremovalrateof57.72%whichwasalsohigherthanthetraditionalbiotreatmentbioreactor(15%-20%).5.Anti-shockloadingcapabilitywasstudiedbyaddingsucrose,andtheresultrevealedthattheCODeffluentconcentrationwasbetween77.28mg/Land128.65mg/LwhiletheaverageCODinfluentconcentrationwas707.56mg/L,andtheCODremovalratewasbetween84.85%and89.66%withtheaverageof86.11%.Theresultalsoshowedthattheinternal-loopair-liftbioreactorremainedhighCODremovalrateinspiteoftheincreaseoftheCODinfluentconcentration.6.TheaverageofSVandSVIwere15%and93respectively.TheexperimentalresultrevealedthattheSVcurveandtheSVIcurvehadthesimilartrend,andwiththetimegoing,thisphenomenonwasmoreobviouswhichindicatedthatthestabilityofactivatedsludgewasenhanced.Keywords：internal-loopair-liftbioreactor;domesticsewage;orthogonalexperiment;sludgecharacteristics目錄摘要 IAbstract III第一章緒論 11.1研究背景 1我國水資源及其利用現狀 1我國水污染狀況 3污水好氧生物處理新技術 51.2課題研究的目的 91.3課題來源及研究內容 9第二章氣提式內循環反應器污水處理技術與理論 112.1氣提反應器的發展及研究現狀 112.2氣提式內循環反應器污水處理原理 142.3氣提式內循環反應器特性 14載體比表面積大 15容積負荷與污泥負荷高 15耐沖擊負荷能力強 16結構緊湊，占地面積小 16第三章試驗材料與方法 173.1試驗裝置與工藝流程 17試驗裝置 17工藝流程 183.2試驗材料 18載體 18試驗菌種及污水來源 20試驗設備與儀器 203.3檢測項目與分析方法 203.4試驗過程設計 21最佳參數的選擇 22抗沖擊負荷試驗 22活性污泥特性研究 22第四章試驗運行過程與數據分析 234.1氣提式內循環反應器的啟動與掛膜 234.2正交實驗因素及水平的選定 244.3最佳運行參數的選擇 284.4氣提式內循環反應器對COD的去除效果 314.5氣提式內循環反應器對SS的去除效果 324.6氣提式內循環反應器的脫氮除磷性能研究 33氣提式內循環反應器的脫氮性能 33氣提式內循環反應器的除磷性能 374.7氣提式內循環反應器抗沖擊負荷分析 40抗水力沖擊負荷 40抗水質沖擊負荷 41氣提式內循環反應器的二次啟動 43第五章氣提式內循環反應器活性污泥特性分析 455.1活性污泥的外觀結構和微生物種群的多樣性分析 455.2活性污泥的MLSS、SV及SVI 505.3活性污泥比耗氧呼吸速率SOUR 53第六章結論與建議 566.1結論 566.2建議 57參考文獻 59攻讀碩士學位期間發表的學術論文 63致謝 64學位論文獨創性聲明 65學位論文知識產權權屬聲明 65第一章緒論1.1研究背景我國水資源及其利用現狀水是地球上分布最廣的物質，是人類最寶貴的自然資源，是地球上一切生命賴以生存不可缺少的基本物質，也是人類生產和生活以及社會可持續發展的物質基礎。從廣義水資源言，全球水資源總量約為13.86×108km3，分別以固態、液態、氣態形式分布在地球表面和大氣圈、巖石圈和生物圈中，覆蓋地球表面積70%以上。其中，約97.5%的水是海水，南極和北極冰封層占水量約不足2%，但都是淡水，全球淡水量約0.35×108km3，僅占全球水量的2.5%，而地表水的一半存在于深度高于800m的地下蓄水層，存在于江河與湖泊的淡水和淺層地表水大約為300×104km3僅占地球總水量的0.2%[1我國是世界上13個貧水國之一，我國淡水人均資源只有2350m3/a，為世界人均量的1/4，居世界第88位。我國不僅水資源短缺，且時空分布不均，開發利用的難度大。長江以北，中國2/5的人口中，人均淡水資源只有700m我國617個城市中，有300個城市缺水，50多個城市嚴重缺水，有180個城市平均日缺水1200×104m3。有些城市嚴重缺水，不僅工農業生產用水得不到保證，連居民生活用水也不得不采取限時、限量的供應。水資源的短缺已嚴重制約了我國某些城市的工業發展，制約了我國國民經濟的持續發展。例如大連市每年因缺水而減少的工業產值在10億元以上。我國國民生產總值因缺水每年減少1200億元[據統計我國目前水資源缺口為400×108m3，僅四川一個省就缺水81×108m3。據預測到2030年我國總人口將達到16億，屆時居民需水量將增加到1340×108m3，工業用水將增加6650×10我國本來就十分短缺的淡水資源，又面臨著非常嚴重的浪費現象。在2000年我國的年取水量就達6000×108目前我國農業用水的利用率僅40%-50%，不少地區的種植業采用大水漫灌，用水定額高達10555m3/（hm2·a），水的浪費驚人。例如，西北地區缺水用水定額高達16500m3/（hm2·a），最高甚至達32500m3/（hm2·a）；東北地區達12000m3/（hm2·a），而采用噴灌技術，耗水量只有3000-3150m3/（hm2·a），滴灌耗水量僅為2042m3/（hm2·a）[4]。我國農業用水量十分可觀，約占全國總用水量的73%，由于大多采用漫灌的方式，致使水電損失率達60%左右。我國城市用水量也很大，居民家庭用水無節制，據統計，我國平均每人每天用水量達100-400L。我國工業用水，重復利用率低，僅20-40%，單位產品用水定額高于發達國家的10倍以上。先進國家的工業水重復利用率為70-80%，甚至到達90%。我國的海水資源的利用率也很低，只有85水是人類賴以生存的基本資源，必須得到有效的保護。我國政府目前已十分重視提高水利用率的問題，為此制定了《新水法》并從2002年10月1日開始執行。《新水法》明確規定，對用水實行有償使用和超定額累進加價的制度，以前直接從江河湖泊取水的用水單位享受到是“免費午餐”，今后這種現象將不復存在。按照《新水法》規定，直接從江河湖泊或者地下取用水資源的單位和個人，應按規定向水行政主管部門或者流域管理機構申請領用取水許可證，并繳納水資源費。《新水法》的實施為我國建立合理的用水機制創造了條件。今后，國家將根據“取之于水，用之于水”的原則，從水資源費、超計劃加價水費等收費中提取一定比例的資金，用于工業節水關鍵技術的推廣和技術改造等。為了緩解我國北方地區嚴重缺水情況，國家已經投資了5000億人民幣實施“南水北調”的水利工程。其中東線工程投資的650億人民幣中，有260億人民幣是用于污水處理工程。可見我國政府部門不僅關注缺水問題，而且對污水的治理和再利用也十分重視。我國水污染狀況我國長期以來的低用水率，不僅浪費了大量有限的水資源，同時也造成了有限水資源的嚴重污染，使我國優質水資源日趨短缺和銳減，嚴重影響了人民生活的質量和身體健康。我國的七大水系長江、黃河、珠江、淮河、松花江、海河、遼河，其中遼河的污染最為嚴重，由于遼河沿岸重工業城市多，加上水資源的短缺，遼河的污染還在加重。長江的流域面積達108×104km3，年徑流量為1×1012t，但每年沿岸向它排放的污水多達200×108t，長江的干流形成了長達800km的污染帶，排放的污水還在以2%-3%的速度逐年增快。據測定，長江的污染物有酚類和氰化物1800×104t，重金屬（砷、汞、鉻、鎘、鉛）1630×104t，石油類污染物近萬噸。淮河，每年排入的污水達21×10調查表明，全國七大水系和110個重點河段，其水源符合地面水環境質量指標一類和二類標準的僅占32%，三類的占29%，四類和五類的占39%，全國有近1.7億人的飲用水受到不同程度的污染。經對全國532條河流的檢測表明，其中432條河流受到污染，污染率占82%。對全國37個主要湖泊檢測的結果表明，每天排入的污水量為600×104我國的海域污染也很嚴重。渤海、黃海、東海、南海四大海域主要受到無機氮、磷酸鹽、高錳酸鹽和石油類產品的污染，而且無機氮、磷的指數還在呈逐年增加的趨勢。我國僅沿海工廠和城市直接排入海中的污水每年就高達86×108t，其中主要的有害物質就高達146×104t。海洋幾乎成了人們的大垃圾場。如渤海，每年向渤海排入的各種廢水達28×108t，1995年污染超標面積就已達4.3×104總的來說，目前我國的水體污染中氮、磷已逐年上升為主要污染物。現有1/3的水不適宜魚類等水生物的生存。據統計1997年我國的廢水總量就達416×108t，工業廢水就達227×108t，工業廢水的處理率為18.9%，達標率為54.4%。我國的生活廢水的處理率只有20%，也就是說全國約有1/3的工業廢水和4/5的生活污水未經處理就直接排入了江、河、湖和海，從而使水環境遭受到了嚴重的污染，致使許多地方守著江河沒水喝，致使一些海域成為無生物的海洋荒漠。改革開放以來，我國鄉鎮經濟迅速發展，其污水不僅分散且污水濃度高，處理效率低，其污水量約占全國廢水排放量的8.5%，而達標率僅為14.8%。一定程度上加劇了水體的污染。我國農業灌溉污水中有70%-80%的污水未達到農業灌溉水質的要求就直接進行灌溉，這也是我國水體污染帶一大要素。嚴重的水污染不僅造成了我國相當可觀的直接經濟損失和間接經濟損失，嚴重制約了我國國民經濟的可持續發展，而且危害了環境的生態平衡，造成對人民生活健康的威脅，甚至是對人民基本生活、生存條件的破壞。我們只有一個地球，地球的資源和環境遭破壞以后，往往沒有十幾年、幾十年，甚至上百年的時間是很難恢復的，有的甚至是永遠也無法恢復的。因此我們在發展經濟的同時也應該保護我們賴以生存的水資源。針對我國水資源短缺和水污染嚴重的現狀，我國政府已制定了新的“污水排放收費新法規”，并已于2003年7月1日起正式執行。“污水排放收費新法規”的執行，一些污水嚴重超標排放的企業將受到制約。任何一個企業如果想犧牲環境和資源作為代價來換取自身經濟上的暫時發展，都將會受到嚴厲的懲罰；未來企業的競爭重要一點就在于是否破壞環境。從企業自身的存在和長遠發展目標來看，任何企業對環境問題的疏忽大意必將給企業的經營和發展甚至生存帶來致命打擊。污水好氧生物處理新技術廢水生物處理是利用自然界中廣泛存在的大量依靠有機物生活的微生物氧化降解廢水中污染物的方法。根據參與廢水處理中微生物代謝的類型，廢水的生物處理技術可分為好氧生物處理和厭氧生物處理兩大類[5]。其中，在好氧生物處理工藝中，需要提供足夠的空氣以滿足好氧微生物有足夠的氧來完成有機物的降解和硝化任務，而厭氧生物處理過程中，因參與有機物降解的微生物進行無氧呼吸而應嚴格控制污水中氧的含量。由于好氧生物處理效率高、適應廣，因而成為一種主導的污水生物處理技術，廣泛的應用于多種有機廢水的處理。廢水的好氧生物處理，根據微生物在廢水中所處的狀態或存在的形式，又可分為懸浮生長型和附著生長型兩大類。其中活性污泥法是典型的懸浮生長型，而生物膜法則是目前典型的附著生長型。目前，隨著污水生物處理技術的不斷發展和對污水處理要求的日益提高，在對傳統好氧生物處理工藝不斷開展研究的基礎上，環保工作者提出了多種具有不同功能和滿足特定處理要求的新型好氧生物處理技術。.1氧化溝氧化溝（Oxidationditch）又名氧化渠，因其構筑物呈封閉的溝渠形而得名，實際上它是活性污泥法的一種變型。世界上第一座氧化溝污水處理廠于1954年在荷蘭Voorshoper市建成，是服務人口僅360人的小規模的間歇運行的氧化溝，曝氣、沉淀和污泥的穩定過程都在一個構筑物內完成。自上世紀60年代以來，特別是近20年來，氧化溝技術不斷發展與改進，從最初小規模間歇運行發展到目前可大規模，連續運行并有更高處理能力的不同類型的氧化溝。氧化溝在污水處理方面應用越來越廣泛的一個重要原因是氧化技術和設備都有了突破性的進展。這主要表現在3個方面：一是概念方面的突破，突破了氧化溝是屬于延時活性污泥法的概念；二是對氧化溝水力學和構筑物的研究有了重大進展；三是研究開發了各類氧化溝的全套設備，保證了各類氧化溝的高校運行。目前在普通氧化溝工藝技術的基礎上，開發了多種類型氧化溝新工藝，如奧貝爾（Orbal）型氧化溝、卡魯塞爾（Carrousel）式氧化溝，交替工作型氧化溝、一體化氧化溝等。.2AB兩段活性污泥法AB法系吸附生物降解法（AdsorptionBio-degradation）的簡稱，是聯邦德國亞琛大學B.Bohnke教授于20世紀70年代開發的一種兩段活性污泥新工藝。AB兩段活性污泥法是將活性污泥系統分為兩個階段，即A段和B段。它的工作原理充分利用了微生物的特性，為其創造適宜的環境，使不同的生物種群都得到良好增殖，通過生化作用來處理污水。污水進入污水處理廠，經格柵和沉砂池去除污水中粗大漂浮物和砂子，然后進入A段曝氣池。污水經A段曝氣池后的中間沉淀池泥水分離后，再進入B段曝氣池。污水經過B段曝氣池進入二沉池，固液分離后排出，二沉池沉淀物你部分回流至B段曝氣池，剩余污泥排至污泥處理系統。與傳統活性污泥法相比，AB法的主要特點是一般不設初沉池，處理效率高，出水水質好，A段污泥負荷高，抗沖擊負荷能力強。AB法的弱點是產泥量較高，給污泥處置和出路增加了難度。.3序批式活性污泥法序批式活性污泥法（SequencingBatchActivatedSludgeProcess）是活性污泥法的一種。在序批式反應器（SequencingBatchReactor，簡稱SBR）中完成進水、反應、沉淀、潷水和閑置等工序。與其他活性污泥法相比，SBR法處理構筑物少，處理工藝流程大大簡化。SBR法是活性污泥法的先驅。早在1916年Arden和Lockett首次提出的活性污泥法的操作方式就是間歇式的，當時稱為充水-排水處理法。但由于受到當時的自動控制技術水平和監測水平的限制，這種間歇式操作方式只適用小規模的污水處理，使其未能得到發展和應用。近年來，隨著監控與測試技術的飛速發展，大量新設備被研制出來，如電動閥、氣動閥、電磁閥、水位計、泥位計、自動計時器，特別是計算機自動控制系統的應用，使監控手段更趨于自動化，由此也給序批式活性污泥法帶來了新的活力。20世紀70年代初，美國的Natredame大學Irvine教授對SBR進行了較為系統的研究。繼Irvine之后，澳大利亞、日本等國也都進行了研究，隨著SBR工藝在工程中的應用，其技術也得到長足的進步和發展，目前已在普通SBR工藝技術的基礎上，發展出多種SBR變形的新工藝，如CAST、CASS、DAT-IAT、UNITANK等。.4好氧生物流化床依靠流體的流動作用使固體顆粒懸浮在流體中隨流體一起流動的過程稱為流態化。流態化技術開發于20世紀30年代，隨著工業生產的發展和科學技術的進步，流態化技術被廣泛應用于冶金和化工的多種過程，并取得了良好的效果。在20世紀80年代，污水生物處理領域將這一技術引入，并使其成為污水好氧生物處理中的一種工藝。好氧生物流化床以砂粒、活性炭、焦炭等一類較小的惰性顆粒為載體，污水和空氣以一定的流速從下向上流動，使載體處于流花狀態。當污水通過附著生長有生物膜的載體時，污水中的基質在同均勻分散的生物膜相接觸而得到降解去除。生物流化床內附著有生物膜的載體能夠均勻分布在床內，同上升水流接觸條件良好，兼具活性污泥法，具有接觸所形成的高效率和生物膜發能承受負荷沖擊的雙重優點。在流態化運行過程中，附著生長在載體上的微生物能夠充分混合，強化了微生物、污水、氧氣間的三相傳質過程，加上氣、液、固定剪切作用，加速了生物膜的更新代謝，控制了生物膜的厚度，提高了微生物的活性，因此好氧生物流化床具有良好的處理效果。.5曝氣生物濾池曝氣生物濾池（BiologicalAeratedFilter簡稱BAF）是20世紀80年代末90年代初在普通生物濾池的基礎上，借鑒給水濾池工藝而開發出的污水處理新工藝，最初用于污水的三級處理，后發展為直接用于二級處理。自80年代在歐洲建成第一座曝氣生物濾池污水處理廠后，曝氣生物濾池已在歐美和日本等發達國家廣為流行，目前全世界已有數百座大大小小的污水處理廠采用了這種技術。盡管曝氣生物濾池的類型以及運行方式多種多樣，各有特點，但其基本原理都是以過濾為主體的賞花處理工藝，通常由配水系統、曝氣系統、填料、出水、反沖洗水收集系統以及自控系統等組成。曝氣生物濾池實質是一種生物膜法，在曝氣池中填充生物填料，利用填料表面附著生長的生物膜來降解水中的污染物。由于所選填料的自身特點，填料表面很容易附著生物膜。生物膜表面生長著眾多種屬和數量的微生物，既有好氧菌，也有兼氧菌和厭氧菌，所以曝氣生物濾池對污水中的各種有機物都有一個很好的去除作用，同時對氨氮也有很高的去除效果。同步生物脫氮除磷效能較低一直是曝氣生物濾池的缺點之一，因此在這方面取得突破是今后研究的重要方向。1.2課題研究的目的國內現行生活污水處理工藝主要為活性污泥法，而傳統活性污泥法的缺陷日益暴露出來：(1)耐水質、水量沖擊負荷能力差，運行不夠穩定；(2)易產生污泥膨脹；(3)污泥產量大；(4)基建和運行費用高，占地面積大等。為適應污水處理發展的要求，國內外學者不斷地改進傳統活性污泥法，開發了許多新型污水處理工藝。氣提式內循環反應器就是在好氧生物流化床的基礎上開發的一種新型污水處理工藝，其設計旨在改進傳統活性污泥的不足。本課題采用氣提式內循環反應器處理生活污水，豐富了國內氣提式內循環反應器的研究，課題研究的目的在于：1、保證生活污水處理效果的同時更有效的提高氣提反應器的三相分離效果，強化出水SS達標排放；2、通過試驗數據對自行設計的氣提反應器的各種運行參數進行試驗驗證及優化，以確定最佳工況條件，為工程設計提供參考數據；3、研究氣提式內循環反應器的除磷脫氮效果。1.3課題來源及研究內容本課題由新疆維吾爾自治區重點試驗室綠洲生態試驗室開放課題《螺旋流氣提反應器設計》（040079）以及新疆大學“國家大學生創新性試驗計劃”項目《螺旋流三相分離器強化氣提反應器效能試驗研究》（081075508）資助。課題研究的主要內容包括：1、氣提式內循環反應器機理研究；2、氣提式內循環反應器的控制因素研究(HRT、污泥齡、DO、有機負荷、填料體積、曝氣量等)；3、氣提式內循環反應器的生物脫氮除磷機理研究；4、氣提式內循環反應器的活性污泥相、載體微生物相研究。

第二章氣提式內循環反應器污水處理技術與理論2.1氣提反應器的發展及研究現狀氣提反應器應用于污水處理的研究已有20多年的歷史[6]，它是將傳統活性污泥法與生物膜法相結合并引入化工流態技術的一種污水生物處理裝置。而氣提反應器是由好氧生物流化床發展而來的一種新型污水處理工藝，依據反應器內流體循環的方式不同可將其分為氣提式內循環反應器和氣提式外循環反應器，如圖所示。其中氣提式內循環反應器因升流區和降流區組合在一起而結構更緊湊，占地面積更小，因此，氣提式內循環反應器越來越引起人們的廣泛興趣。圖2-1氣提反應器類型Fig2-1typesofail-liftbioreactor氣提式內循環反應器以好氧生物流化床為基礎，吸取了化工操作中的流態紊動技術，成為了一種新型好氧生物處理反應器，它與傳統好氧生物流化床不同之處在于反應器的反應區部分被分成了升流區和降流區，當在升流區進行曝氣充氧時，由于升流區和降流區的密度差，使得廢水、載體及氣泡在升流區和降流區之間循環流動，整個反應器內載體受到的剪切與摩擦力基本均勻一致，因此不會出現傳統好氧生物流化床內因生物膜增厚、載體變輕而在床內分層的現象，同時由于床內水力摩擦、剪切較為劇烈，故過厚的生物膜會自行脫落，從而達到控制膜厚的目的。氣提式內循環反應器在國外已廣泛應用于生化過程(發酵、酶反應)、化學工業、環境工程、冶金及煤的液化和加工等領域。國外科技工作者較為注重氣提反應器的機理研究，運用各種數學模型來解釋氣提反應器的氣液固三相傳質特性以及反應器的流體動力學性質。L.Tijhuis和B.Hijman[7]運用層次建模方法來研究氣提反應器升流區和降流區氣液界面的傳質特性，模型考慮到氣固兩相在反應器內垂直擴散作用，相關參數采用的是平均速度和有效擴散；A.Laszuk[8]研究出一種適用于氣提反應器的擴散模型，用以解釋反應器氣液及液固兩相之間的傳質特性，該模型還可以用于解釋氣相中的活性物質（氧氣）分別在氣相和液相中的擴散作用。具體到環境工程領域，斯洛伐克的M.Jurascik和M.Hucik等[9]在容積為40L的氣提式內循環反應器中進行試驗，用以研究反應器中的存在的微生物對整個反應器的循環速率及氣含率的影響，對于氣液兩相，作者分別采用了氣體模型和液體模型，并將該試驗數據和氣液兩相的氣提反應器數據做比較，研究表明：在特定的試驗條件下，氣提反應器中微生物的存在對整個反應器的循環速率可以忽略不計，但是，提高微生物濃度將導致反應器的氣含率下降；韓國的Jeong-SookKim等[10]在氣提式內循環反應器中添加了特定菌種糞產堿菌，用來強化反應器的生物脫氮效率，研究表明，相比傳統的活性污泥法，氣提式內循環反應器具有更高生物脫氮能力，同時還能有效抑制溫室氣體N2O的排放；美國俄亥俄大學的FengwuBai和DarinRidgway等[11]研究了氣提反應器氧氣的傳遞，研究表明，當液體粘度從1.38×10-3PaS增加到3.43×10-3PaS時，相應的氧傳遞系數將下降20%；日本的ToshiakiKimura和NobuhikoYoshikawa等[12]在氣提式內循環反應器中添加光催化劑二氧化鈦，研究在不同的紫外強度下反應器對非離子型表面活性劑SanonicSS-90的去除效果，結果表明，SanonicSS-90的去除效果只與光催化劑的表面積大小和照射的紫外強度有關，而與SanonicSS-90的初始濃度無關；西班牙的LorenaCarvallo等[13]通過測定氣提反應器的耗氧速率OUR來研究反應器的硝化過程，結果表明，反應器的最大氨氧化速率為0.079gNH4+gVSS-d-,氨氮的抑制濃度為3300mg/L，最大硝化速率為0.082gNO2-gVSS-d-。在國內，氣提式內循環反應器的應用研究日益廣泛，已從冷模試驗擴展到實際反應物系的研究，物料性質(如液體粘度、固體顆粒的性質等)對氣提式反應器性能的影響及反應器設計放大已顯得日益重要。劉建飛[14]分別運用容積為50L的氣提式內循環反應器處理青霉素厭氧出水和啤酒廢水的厭氧出水，研究表明，用氣提反應器處理青霉素厭氧出水時容積負荷可達5.0kgCOD/（m3·d），COD去除率為80.1%，處理啤酒廢水厭氧出水時的容積負荷為6.7kgCOD/（m3·d），COD去除率為88.7%；欒金義[15]通過實驗結果表明，HRT、DO為影響好氧生物流化床處理污水的顯著因子；叢威等[16]在容積為6L的氣提反應器中進行固定化酶載體顆粒對反應器混合時間與循環時間的影響研究，發現液體混合時間與循環時間隨通氣量的增加而減少，顆粒粒度與固含量對循環時間影響較小，對混合時間影響較大，高通氣量時，固含量幾乎不影響循環時間。在反應器尺寸方面，劉永強等[17]研究了高徑比對外環流氣升式反應器性能的影響，結果類似于文獻，也存在一個最佳的高徑比12.5。較多研究結果表明氣升式環流反應器的最佳高徑比在10-14左右。在反應器氣體分布器方面，劉永強等比較了2mm、4mm單孔噴嘴與1mm十孔分布器對氣含率與傳質的影響，認為從液體體積傳質系數來看，多孔分布器優于單孔噴嘴。在氣提反應器填料方面，四川大學的方佩珍等[18]以及北京科技大學的王慧麗等[19]分別采用低密度多孔顆粒載體和磁鐵礦樹脂復合材料載體進行過研究。國內科研工作者除將氣提反應器應用于環保領域外，還將其應用于冶金、發酵等工藝。如趙兵等[20]設計的氣升式吸附塔在煤金團聚(CGA)工藝中的應用。經過試驗室小試、間歇擴大試驗、連續流動試驗表明：氣升式吸附塔完全可用于CGA工藝提金，其放大性能良好，達到日處理30-50t金礦石；李穩宏等[21]將外環流氣升式反應器用于蘇云金桿菌的發酵，選擇合適的反應條件不僅能耗低，操作方便，控溫精度高，且比普通的機械攪拌發酵罐發酵周期縮短9h，發酵水平提高35%。2.2氣提式內循環反應器污水處理原理氣提式內循環反應器又稱內循環三相生物流化床是近十年來發展起來的一種新型好氧流化床反應器，反應器的反應區分成升流區和降流區，由于升降區的密度差，廢水在升降流區之間循環流動，反應器內載體受到的剪切與摩擦力基本均勻一致，不會出現因生物膜增厚、載體變輕而在床內分層的現象，同時床內水力摩擦、剪切較為劇烈，故過厚的生物膜會自行脫落，從而達到控制膜厚的目的。迄今為止，國內外已廣泛應用于生化過程(發酵、酶反應)、化學工業、環境工程、冶金及煤的液化和加工。國內外學者對氣提式內循環反應器進行了大量的試驗研究，使這項技術日趨成熟。本文利用內循環三相生物流化床裝置，對生活污水進行了試驗研究，取得了令人滿意的結果。氣提式內循環反應器處理污水的基本原理是：在反應器內投加生物載體，污水和空氣從底部進入中心提升管，在升流區底部設有曝氣裝置，通入壓縮空氣，被提升的氣（空氣）、液（污水）、固（生物載體）三相進行強烈攪動接觸，并上升到頂部，通過下降區回到底部，含有微小氣泡的污水與載體混合物則流入降流區，由于水中氣體的外溢其密度變大，升流區與降流區混合液的密度差是內外筒循環流化的動力。載體處于循環流化狀態，大大加快了微生物和廢水之間的相對運動，強化了傳質作用，同時又可有效地控制生物膜的厚度，使其保持較高的生物活性[22-23]。2.3氣提式內循環反應器特性氣提式內循環反應器在生物、化工、冶金等行業應用較多，但在環境領域的大型工業裝置目前采用的還比較少，尚有巨大的開發潛力。由于氣提反應器污水的進水方向與壓縮空氣的進入方向是一致的，這樣反應不會產生紊流現象，在降流區接近于推流式，而升流區接近于完全混合式，整個反應器可以模擬為一個推流式和一個完全混合式的串聯；反應器內投加量填料，使得氣提式內循環反應器具備了活性污泥法與生物膜法的雙重特點。載體比表面積大由于采用了小粒徑固體或高強度中空材料作為載體并且載體呈流化狀態，提供了巨大的表面積，因此氣提式內循環反應器的比表面積比一般生物膜法大得多，幾種生物膜法比表面積見表2-1[24][25]。比表面積大是生物流化床具有高負荷、高去除率的根本原因。表2-1幾種生物膜法的比表面積Tab.2-1SurfaceAreaofseveralbiofilmmethods處理工藝比表面積（m2/m3）普通生物濾池40-120生物轉盤120-180塔式生物濾池80-160接觸氧化130-1600氣提式內循環反應器1000-3000容積負荷與污泥負荷高氣提式內循環反應器具有很高的容積負荷α和污泥負荷β值，由表2-2可以看出氣提式內循環反應器的容積負荷α值是普通活性污泥法的13倍以上，階段曝氣池的10倍以上，生物濾池的38倍以上[26]，因此在相同進水濃度下，采用生物流化床處理污水，可以使反應裝置的容積大量減小，從而顯著地降低占地面積及工程投資。表2-2不同處理工藝的α，β值比較Tab.2-2thecompareofαandβindifferentunits工藝名稱α(kgBOD/m3?d)β(kgBOD/kgVSS?d)普通活性污泥法0.264-0.7200.216-0.456階段曝氣法0.360-1.2720.192-0.360生物濾池0.090-0.360--氣提式內循環反應器3.635-9.1920.204-4.320耐沖擊負荷能力強氣提反應器的降流區接近于推流式，升流區接近于完全混合式，整個反應器可以模擬為一個推流式和一個完全混合式的串聯；而反應器內投加量填料，使得氣提式內循環反應器具備了活性污泥法與生物膜法的雙重特點[27]。載體與混合污泥的流化狀態提高了有機物和氧氣的傳質效果并保持流化床內良好的混臺流態，使污水一旦進入反應器內，就能很快得到混合、稀釋，從而對負荷突然變化的影響起到緩沖作用，這是普通活性污泥法和生物膜法所不及之處。結構緊湊，占地面積小氣提式內循環反應器升流區和降流區之間的密度差，使得廢水、載體及氣泡在升流區和降流區之間循環流動，整個反應器內載體受到的剪切與摩擦力基本均勻一致，因此不會出現生物膜增厚的現象，從而達到控制膜厚的目的，而無須另外設置專門的脫膜設備；另外，氣提式內循環反應器無需污泥回流，降低了污水處理的運行成本，而立式的一體化設計又節省了因二沉池建設所需要的基建費用和土地資源[28]。

第三章試驗材料與方法3.1試驗裝置與工藝流程試驗裝置氣提式內循環反應器為不銹鋼制，反應區有效容積為60L，脫氣沉淀區有效容積為25L，反應器各部位尺寸如圖所示。圖3-1氣提式內循環反應器結構圖Fig.3-1theschematicdiagramofspiralflowinternal-loopair-liftbioreactor工藝流程氣提式內循環反應器的工藝流程圖如圖所示。試驗用原水經恒流泵提升后進入反應器底部，其流量通過轉子流量計觀測；反應器的曝氣量由空氣泵提供，空氣流量由氣體轉子流量計觀測；在升流區進行曝氣充氧時，空氣，污水，載體在高壓空氣的推動下被提升，由于升流區和降流區的密度差和高壓氣體的推動作用，使得氣、液、固三相在升流區和降流區之間循環流動，加快了微生物和污水之間的相對運動，強化了傳質作用。升流區的載體在三相分離器外擋板及導流板的作用下，在降流區沉淀至反應器底部。圖3-2氣提式內循環反應器試驗裝置圖Fig.3-2theschematicdiagramofexperimentalset-up3.2試驗材料載體填料是氣提式內循環反應器的核心，是微生物得以生長的載體。因此，對填料的要求應注意以下幾個方面：（1）生物膜生成、固著性能良好，有利于微生物的附著生長；（2）比表面積較大，可以附著較大的生物量；（3）其構型應利于形成氣相、液相的高湍流程度，以保證氣液相、固液相和氣固相之間的傳質，這是提高氣提反應器處理效率的重要保證；（4）化學及生物學的穩定性強，不溶出有毒有害物質，無有害成分，不影響生物轉化過程；（5）形狀規范、尺寸均一，布氣、布水均勻，避免形成堵塞，影響氣、液、固之間的傳質過程；（6）重量輕，比重與水接近，不使水中構筑物承擔過大的荷載，具有一定的強度，堅固耐用；（7）價格便宜，供應充分，易于購買，便于安裝和運輸[29]。本試驗所用載體為大連生源水處理設備發展有限公司生產的BM-2型號生源生物膜載體，規格為直徑10mm、高10mm的懸浮填料，該填料為中空圓柱體，內部有十字撐面，如圖所示，材質為再生資源材料，親水性材料和生物酶促進劑配方，比表面積為1200m2/m3，密度為(1.05-1.15)×103kg/m3，該填料的生物膜厚度較小（10-300μm），催化活性高，傳質、傳氧效率高。圖3-3BM-2填料照片Fig.3-3thepictureoffillerBM-2試驗菌種及污水來源試驗菌種為烏魯木齊市虹橋污水處理廠A段沉淀池活性污泥；試驗用原水取自新疆大學學生生活區16號公寓樓旁的下水匯水干管，主要匯水區包括食堂、學生宿舍樓、試驗樓、教師生活區及其他片區，水質為典型生活污水。表3-1原水水質Tab.3-1Scenicwaterquality項目COD(mg/L)NH4+-N(mg/L)TN(mg/L)TP(mg/L)SS(mg/L)數值229.71-595.6927.21-77.7458.03-73.545.34-19.19193-412試驗設備與儀器試驗設備與儀器如表3-2所示：表3-2試驗設備與儀器一覽表Tab.3-2thelistoftestequipmentandapparatus儀器名稱型號規格數量廠家潛水泵SP-7800Q=3000L/Hr，H=3.5m，P=75W1深圳市興日升實業有限公司多通道恒流泵BT100-2Q=2×(0.3-5000)mL/h，壓力≥2.5kg/cm21上海滬西分析儀器廠有限公司電磁式空氣泵ACO-004Q=75L/min，壓力=28KPa，P=58W1廣東日生集團有限公司轉子流量計(水)LZB-41.6-16L1上海榮華儀表廠轉子流量計(氣)LZB-10250-2500L1上海榮華儀表廠3.3檢測項目與分析方法試驗部分是本課題的主體，對氣提式內循環反應器的控制因素進行調整，通過試驗分析并及時校合，實時觀察相應階段的污泥相、生物相形態變化，以便更深入的對其進行研究。本試驗的分析項目主要包括COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP、TN、SS、DO、SV、MLSS、SOUR等指標，各指標的分析方法詳見表3-3。表3-3分析方法匯總表Tab.3-3theanalyticalmethodsformeasurementsintheexperiments序號項目方法1COD重鉻酸鉀法2NH4+-N納氏試劑分光光度法3NO2--NN-（1-萘基）-乙二胺光度法4NO3--N紫外分光光度法5TN過硫酸鉀消解法6TP過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法7SS重量法8SV量筒法9MLSS重量法10SOUR溶解氧電極法11DOHANNA便攜式溶氧儀試驗分析項目所需儀器如表3-4所示。表3-4試驗分析所需儀器匯總表Tab.3-4thelistoftestanalyseapparatus儀器名稱型號廠家備注電子天秤AL204MettlerToledo便攜式溶氧儀HI98186HANNA鼓風干燥箱DHG-9140A上海一恒科技有限公司手提式壓力蒸汽消毒器GMSX-280北京市永光明醫療儀器廠雙光束紫外可見光光度計760CRT上海棱光技術有限公司配電腦，P4，windows98磁力攪拌器DF101S天津天巴儀器廠3.4試驗過程設計為了更科學有效地進行試驗，有必要做好試驗安排，明確試驗內容。正交實驗部分分為9個階段，每個階段歷時14d，共126d。活性污泥的顯微鏡觀察分別在氣提反應器的培菌啟動階段和穩定運行階段各進行一次。試驗過程中的水質指標COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、TP等為每兩天測一次，SS、MLSS、SV、SVI以及SOUR為每個正交實驗階段測兩次。最佳參數的選擇試驗原水處理目標參照2002年12月24日國家環境保護總局和國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布，2003年7月1日正式實施的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中規定的二級標準，在這一標準中CODcr的最高允許排放濃度為100mg/L，NH4+-N的最高允許排放濃度為25mg/L，SS的最高允許排放濃度為30mg/L。本試驗中，將利用正交實驗方法來確定滿足以上標準的氣提反應器處理生活污水的最佳參數組合。抗沖擊負荷試驗氣提式內循環反應器的降流區接近于推流式，升流區接近于完全混合式，整個反應器可以模擬為一個推流式和一個完全混合式的串聯；而反應器內投加量填料，使得氣提式內循環反應器具備了活性污泥法與生物膜法的雙重特點。載體與混合污泥的流化狀態提高了有機物和氧氣的傳質效果并保持流化床內良好的混臺流態，使污水一旦進入反應器內，就能很快得到混合、稀釋，因此，氣提式內循環反應器具有很好的抗沖擊負荷能力，為了對其進行驗證，本試驗將對氣提式內循環反應器抗水量、水質沖擊負荷進行研究，并探討了反應器的二次啟動問題。活性污泥特性研究污水生物處理中的污泥主要由微生物構成，而微生物又是污水生物處理的關鍵，因此有必要對氣提式內循環反應器的污泥部分進行相關研究，本文將考察活性污泥的外觀結構和微生物種群的多樣性，并通過監測污泥的SV、MLSS和比耗氧速率SOUR來分析氣提式內循環反應器的污泥特性。

第四章試驗運行過程與數據分析4.1氣提式內循環反應器的啟動與掛膜所有的新投產污水處理工藝都需要經歷一個微生物的培菌過程，使新投產的污水生化處理系統從無到有，培育適合該污水想適合的菌種。污水生化處理系統的培菌通常分為兩種，即接種培菌和自培菌[30]。（1）接種培菌概要性的講，接種培菌就是將相近的污水處理廠的活性污泥或脫水后的污泥運到準備啟動的污水處理現場，在經過一系列培菌步驟完成對整個污水生化處理系統的啟動。接種培菌在新投產的污水生化處理系統中比較常用，主要是因為培菌耗時較短，有利于整個污水處理系統的盡快啟動。為此，對能量的消耗就比較少，因為過度的延長培菌時間會消耗掉過多的資源，特別是電能方面。而其缺點主要表現在軍中的適應性方面，因為接種過來的菌種對新的污水是不適應的，為此培菌過后的一段時間內仍有菌種會不斷的優化。在這種優化的過程的，由于形成優勢菌種需要時間，對去除率和系統穩定性方面存在一定的影響。（2）自培菌自培菌的過程是先讓待處理污水進入生化處理系統，同時需控制好進入系統的污水濃度和進水量，一般進水濃度控制在正常值的20%，然后開始進行悶曝階段。由于自培菌階段微生物啟動的基礎很差，啟動初期需要投加大量的甲醇、蔗糖等易降解的碳氫化合物，所以較接種培菌的耗時來說會更長，這是在培菌啟動階段需要注意到地方，其培菌開始到進水正常運行的耗時需要有計劃性的準備。自培菌的優點是針對性強，因為自培菌是在污水的特定成分條件下培養微生物，因此自培菌的微生物對污水的有機降解效率要高于接種污泥的去除效率。本試驗采用接種培菌法，活性污泥取自烏魯木齊市虹橋污水處理廠A段沉淀池。氣提式內循環反應器中生物膜的培養和形成是反應器能否正常運行的關鍵。試驗伊始向反應器中投加6L經沉淀后的活性污泥菌種以及6L填料，再向反應器中加入生活污水至反應區與脫氣沉淀區交界處(約60L)，在此采用2.0m3/h的空氣量進行悶曝10d，此時填料大部分處于懸浮狀態，填料掛膜后沉淀，載體上的生物膜呈淺黃色且透明但厚度不均勻，當曝氣量為0.41m3/h時填料從三相分離器開孔溢出。之后采用0.6m3/h的曝氣量，加水至滿繼續悶曝3d后改用以6L4.2正交實驗因素及水平的選定正交實驗設計是研究多因素多水平的一種試驗設計方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表的點進行試驗，這些有代表的點具備了均勻分散，齊整可比的特點，正交實驗設計是一種高效率、快速、經濟的試驗設計方法。做正交實驗首先要選定試驗所用因素及因素水平，影響氣提式內循環反應器運行效果的因素很多，如填料體積、曝氣量、水力停留時間、泥齡、COD負荷等。（1）填料體積氣提式內循環反應器的微生物量主要取決于兩個因素：一是懸浮的活性微生物量，而是載體生物膜中生長的微生物量。填料載體的多少就是影響載體中物膜量的重要因素，載體上生長的微生物數量不受反應器排泥的影響，填料體積是氣提式內循環反應器可控制的因素之一。因填料掛膜期間，微生物的生長需要時間，這使得填料體積因素不適合被納入正交實驗，所以在氣提反應器成功啟動以后，就進行填料體積的單因素分析[31]。試驗過程中考察的固定因素為水力停留時間HRT=10h，曝氣量QA=0.6m3/h，污泥齡=5d；控制因素填料體積分別為6L、12L、15L圖4-1不同填料體積下系統COD的去除效果Fig.4-1theefficiencyofCODremovalunderdifferentfillervolume圖中橫坐標為反應器系統運行的時間，主縱坐標為試驗進出水COD的濃度，次縱坐標為COD去除率。試驗分三個階段，向反應器投加的填料分別為6L、12L和15L，從圖中可以看出，隨著填料體積的增加，系統對COD的去除效率有所增高。第一階段進水COD濃度變化不大，平均濃度為243.5mg/L，出水COD濃度保持在90-119mg/L，平均值為101.0mg/L，COD平均去除率為58.1%。第二、三階段進水COD濃度平均值分別為340.4mg/L和428.5mg/L，出水COD濃度分別為85.8mg/L和65.3mg/L，去除率分別為73.3%和83.3%。從試驗結果可以看出，氣提反應器整體上保持著較高的COD去除率，填料體積的增加有利于系統中COD的去除，但第二階段和第三階段中COD的去除率變化范圍較小，且其出水COD濃度都符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）二級標準。因此本試驗中，填料體積選取12L。（2）曝氣量氣提式內循環反應器是一種好氧生物處理發，有機物的降解以及微生物有機體的合成都需要氧的參與。沒有充足的溶解氧，好氧微生物就不能生存，更不能發揮氧化分解作用。同時，氣提反應器作為一種改進的好氧流化床處理工藝，還必須得使懸浮活性污泥、載體、污水以及氧充分接觸，因此，混合、攪拌作用也是不可缺少的。通過曝氣可實現充氧和混合這兩個目的[32]。本試驗中，氣提反應器的曝氣方式采用的穿孔曝氣。由反應器的清水測試階段可知，當曝氣量QL為0.41m3/h時，反應器內的載體填料從三相分離器開孔溢出；另外，在反應器填料體積的單因素試驗中，測得反應器出水DO均值高達5.0mg/L，表明0.6m3/h的曝氣量過高。據此，我們選取曝氣量的三個水平值分別為0.35m3/h、0.45（3）水力停留時間水力停留時間（hydraulicresidencetime，簡稱HRT），顧名思義就是污水在曝氣池的停留時間，在污水生物處理工藝中，當曝氣區容積一定時，水力停留時間HRT和進水流量Q呈線性對應關系，二者關系如下：HRT=（4-1）式中：V—氣提反應器反應區容積，L；Q—進水流量，L/h。在實際操作過程中，通過調節恒流泵的轉速來改變進水流量Q，從而達到控制水力停留時間HRT的目的。通常活性污泥系統的水力停留時間，對城市污水來講，為4-6h[33]。本試驗，進水流量Q我們選取的三個水平值分別為6L/h、10L/h、15L/h，氣提反應器反應區容積為60L，由此可以得出對應的水力停留時間HRT三個水平值分別為10h、6h、4h。（4）COD污泥負荷COD污泥負荷N即單位活性污泥在單位時間內去除的有機物的量。為了更形象的解釋COD污泥負荷，有點教科書將其稱之為食微比F/M，其中把F值比做食物，把M值比做微生物。M值即MLSS，是活性污泥濃度的意思，就是活性污泥存在的數量；F值指微生物的食物，也就是微生物待分解的有機物。COD污泥負荷N的計算方法如下：（4-2）式中：Q—進水流量，L/h；S—進水有機物COD濃度，mg/L；X—反應器污泥濃度MLSS，mg/L；V—氣提反應器反應區容積，L。由于本試驗中，進水原水為未經任何處理的生活污水，COD濃度不易控制，因此正交實驗中將不考慮COD污泥負荷N，而是在后續的氣提反應器抗沖擊負荷試驗中對其進行研究。（5）泥齡活性污泥法最初使用的控制參數是曝氣池污水水力停留時間和單位池容積單位時間的處理量（即容積負荷），它們反映不出生化過程的內在聯系。為了更好的從微生物學方面考慮污水的有機物代謝過程，改用污泥負荷F/M作為活性污泥法的控制參數。污泥負荷F/M即單位活性污泥在單位時間內去除的有機物的量。污泥負荷將曝氣區微生物的量與有機物的去除率直接聯系起來，客服了單純經驗數據的片面性，多年來在工程設計中一直廣泛采用。但作為控制參數，在實際運轉中需要測定分析的項目多，周期長，難以準確達到控制的目的，故國內外環保工作者又提出以泥齡法作為設計和控制參數的新方法[34]。所謂泥齡是指曝氣池中工作的活性污泥總量與每日排放的剩余污泥的比值，在穩定運行時，剩余污泥量就是新增長點活性量。因此，污泥齡SRT也是新增長的活性污泥在曝氣池中的平均停留時間，或者理解為活性污泥總量增長一倍所需要的時間。因為泥齡是一個比值，所以，需要考慮活性污泥總量和排泥量的關系。活性污泥濃度決定了活性污泥總量的可變性，而活性污泥的外排量又決定了泥齡的可控性。下面就本試驗泥齡的計算公式加以說明：（4-3）式中：SRT—泥齡，d；V—反應器反應區體積，L；X—反應器污泥濃度MLSS，mg/L；q—日排泥量，以活性污泥量計，mg；qe—反應器出水每天帶走的活性污泥量，mg。一般來說，泥齡短時活性污泥具有較高的活性，其體內的含磷水平也較高，這是縮短泥齡可提高除磷效率的原因之一。若系統的負荷不變，縮短泥齡可增加污泥的排放量。若系統的泥齡過長，則會使污泥的活性降低，污泥的含磷量下降，使得去除單位重量的磷需消耗的碳源增加。此外，由于泥齡過長，污泥將趨于老化，可通過自身的氧化而是體內的磷釋放回水中；同時剩余污泥量減少也導致了除磷量的降低。較長的泥齡還會導致系統內糖原累積非聚磷微生物的增長而使系統的除磷效率大幅降低。因此，本試驗中，泥齡的最大值選取為14d，另外兩個水平值分別為5d和2d。泥齡的最小值取2d的理由有二：一是雖然理論上硝化細菌的世代周期為3天左右，但這僅為理論值，實際在3天左右都可以發生硝化反應。二是因為我們的反應器投加了填料，附著在填料上的部分微生物在低泥齡的情況下也完全可以完成硝化任務[35]。綜上所述，本文選取水力停留時間HRT、曝氣量QL以及泥齡SRT三個因素做正交實驗分析，各因素及所選取的水平值如下表所示：表4-1正交實驗參數及其水平值Tab.4-1Parametersandlevelsoftheorthogonalmethod參數水平水力停留時間HRT（h）曝氣量QL（m3/h）泥齡SRT（d）水平1100.3514水平260.455水平340.5524.3最佳運行參數的選擇本試驗選取影響氣提式內循環反應器處理污水效率的3個指標進行分析，COD去除率用以描述反應器對有機物的降解，反應器的硝化能力用NH4+-N去除率來衡量，三相分離器的分離效果用SS去除率加以評價，并采用正交表L9（33）安排試驗，結果如表4-2所示。對于評價正交實驗結果的指標，我們選取出水水質COD、NH4+-N和SS的去除率，并將其做等權重考慮，取三者之和為評價正交實驗結果的綜合指標。表4-2正交實驗結果Tab.4-2Resultsoftheorthogonalmethod試驗號HRT（h）QL（m3/h）SRT（d）COD去除率（%）NH4+-N去除率（%）SS去除率（%）綜合指標11(10)1(0.35)1(14)74.5765.3489.03228.9421(10)2(0.45)2(5)80.7483.4590.25254.4431(10)3(0.55)3(2)89.5390.4391.77271.7342(6)1(0.35)2(5)81.5769.8692.48243.9152(6)2(0.45)3(2)75.6879.5787.72242.9762(6)3(0.55)1(14)86.8686.2985