高氨氮、高有机物浓度的废水含有大量N、P，会导致水体富营养化；污水渗漏造成地下水的污染；产生的氨、硫化物、甲烷等恶臭有害气体污染大气且危害人体健康。未经处理的畜禽污水是一种典型的高氨氮、高有机浓度的废水。
国外规模化猪场废水的处理主要采用厌氧+好氧+生物净化组合工艺，一般坚持资源化、无害化、减量化的处理原则；国内基本遵循固液分离、干粪制肥、废水处理后排放的原则。由于畜禽养殖属微利行业，废水处理基本得不到保证。笔者采用ABR（厌氧折流板反应器）与改良SBR（序批式反应器）的厌氧-好氧组合工艺对人工模拟污水进行处理，形成一体化处理设备并获得国家实用新型专利（专利号ZL200420029270．7）。在宁河原种猪场进行现场小试、中试，效果良好，得到了用户肯定。该套工艺具有投资省、运行成本低、管理方便等特点，已经向全国推广。
笔者针对改良SBR 单元，优化改良SBR 工艺条件，探索了各因素对氨氮去除率的影响规律。
1 实验废水与装置
1.1 实验废水
研究涉及ABR 与改良SBR 两部分的联用系统，考虑到实际废水水质的波动性和最优条件选择的可控性，采用模拟废水进行研究。模拟废水按营养比COD∶N ∶P =100 ∶5 ∶1 配制，配料为葡萄糖、NH4HCO3、K2HPO4、MgCl2、MnSO4、CuSO4、CoCl2、 FeSO4 等〔1〕。
实验中ABR 系统和改良SBR 系统的启动均采用同步接种驯化方法，ABR 系统启动废水COD 从 1 000～10 000 mg/L 逐步增加，以进水COD 为10 000 mg/L 时去除率达72.0%为ABR 启动完成的标志。
ABR 系统和改良SBR 系统的进、出水主要指标如表 1 所示。
表 1 中，由于ABR 厌氧系统中污泥的引入，导致 ABR 出水NH3-N 高于原水。根据改良SBR 系统进水要求和ABR 出水实际状况，将ABR 出水经适当稀释后作为SBR 进水，以满足脱氮时C/N=3～5 的要求。
1.2 装置
ABR 反应器L=600 mm，B=100 mm，H=600 mm，有效容积30 L。改良SBR 反应器L=500 mm，B= 100 mm，H=500 mm，有效容积20 L。装置见图 1。
图 1 实验装置
改良SBR 连续进水、间歇出水操作，处理量为 2～3 L/h。前端沿池长，距池壁70 mm 及100 mm 两处分别设挡板分隔形成生物选择区（对于ICEAS 则称为预反应区），不曝气，可形成兼氧条件；第二个挡板距池底有20 mm 空隙，来自预反应区的污水从挡板下面的孔或缝隙以0.03～0.05 m/min 低速流至主反应区，而所经的区域为缺氧区。该单元结合ICEAS、 CASS 及IDEA 三种工艺形式，具有如ICEAS 那样较长的停留时间，又具有CASS 缺氧厌氧的生物选择区，还如ICEAS 和IDEA 采用连续进水方式〔2〕，使该工艺具有占地面积小、运行维护简便、处理效果好（特别是脱氮除磷效果）、自动化操作、可靠度高等特点〔3〕。
2 实验部分
2.1 分析方法
COD 采用重铬酸钾法测定；NH3-N 采用纳氏比色法测定；DO 采用膜电极法JPB-607 测定；MLSS 采用重量法测定；pH 采用玻璃电极法测定；SS 采用重量法测定。
2.2 改良SBR 启动
取天津市纪庄子污水处理厂硝化池回流污泥驯化后接种，常温下按表 1 配制模拟废水（COD 约1 000 mg/L）引入反应器，溶解氧控制在0.2 mg/L，pH 为 6.0～9.0，曝气175 min，沉淀60 min，排水5 min 进行操作。每天保证3 个周期，2 d 后COD 去除率达到 87.6%，启动结束。
2.3 实验方法
系统类似于CAST 是变容积运行，连续操作。每个循环周期为4 h，分别由曝气、沉淀、出水组成。通常要求5～10 min 内排水完毕，若沉淀时间太长，由于连续进水，会导致出水恶化。试验将沉淀时间固定为5 min，沉淀时间与曝气时间共235 min。
对沉淀时间、停留时间、回流比、进水基质浓度等各因素进行单因素实验，获得各因素的影响规律；在此基础上，采用正交设计表L9（34），以NH3-N 去除率作为考察指标，通过极差法获得重要性影响顺序与最优参数。
3 结果与讨论
3.1 沉淀时间对氨氮去除率的影响
随着曝气时间的延长，出水NH3-N 下降。曝气时间太短，会使充水比太小而导致SVI 变大，泥水分离效果变差〔4〕。根据同步硝化反硝化理论，保持好氧、缺氧条件同时存在，即DO 保持在0.5～1.5 mg/L 即可〔5, 6〕。研究发现，沉淀时间＞20 min 时，氨氮去除率明显提高。但沉淀时间＞60 min，增大了水力停留时间，从而增大反应器的容积，使大量未经处理的污水进入反应器与上一周期的反应出水混合，降低了处理效果，如图 2 所示。研究结果表明沉淀时间为 30～60 min 时，处理效果较好。
图 2 沉淀时间对氨氮去除率的影响
3.2 回流比对氨氮去除率的影响
按连续进水连续出水方式操作，改良SBR 前端设置生物选择区或称作预反应区。将出水回流至预反应区，可以调节进水，提高系统抗冲击性，同时可在预反应区形成脱氮条件，延长硝化污泥的泥龄，利于脱氮过程的进行。根据反硝化经验，硝化液内回流比＞200%〔5〕。如图 3 所示，回流比为300%时氨氮去除率最高。
图 3 回流比对氨氮去除率的影响
3.3 进水COD 对氨氮去除率的影响
硝化菌是自养型细菌，对环境变化非常敏感，有机底物并不是它的生长限制因素〔7〕。进水COD 为 1 000 mg/L 时，BOD 污泥负荷（Ns）为0.8 kg/（kg·d），超过了一般活性污泥法所要求的经验值〔0.3～0.5 kg/（kg·d）〕〔8〕，影响了氨氮的去除效果。由图 4 可以看出，随着COD 的增大，氨氮去除率单调下降。COD 为700 mg/L 时去除率最高，实际中系统COD 尽量控制在700～1 000 mg/L。
图 4 进水COD 对氨氮去除率的影响
3.4 水力停留时间对氨氮去除率的影响
据HRT=V/Q 知，进水流量的变化影响HRT 的变化，而HRT 的变化又影响Ns，Ns 太大，出水水质差，Ns 太小，处理效率低〔9〕。本课题要求处理量为2～ 3 L/h，为了取得较高的脱氮率，硝化反应历时一般不低于6 h。HRT=10 h 时处理效果存在一个转折点。 HRT=8 h 时，氨氮去除率为55%，HRT=5 h、12 h 时，氨氮去除率低于49%。鉴于1 d 24 h 内可安排3 个周期，HRT 取8 h。
图 5 水力停留时间对氨氮去除率的影响
3.5 正交试验优化
正交试验中沉淀时间、水力停留时间均选择转折点前后，考察转折点处的交互影响。回流比选择200%和500%与没有回流进行对比，污泥泵相应的流量是5 L/h 和12.5 L/h。回流比为200%，NH3-N 去除率从没有回流前的30%增至74%，可见内回流对于改良SBR 是绝对必要的。进水COD 也是影响硝化效果的重要因素，考虑系统整体属于高速反应器，前端ABR 要求改良SBR 具备较大的处理能力，故采用800、1 000、1 200 mg/L。正交试验方案设计及结果分别如表 2、表 3 所示。
由表3 可见，回流比对氨氮去除率影响最大，其次是进水COD，最小的是沉淀时间。同时发现与单因素研究一致的规律是，最佳点出现在进水COD 最小时：800 mg/L。最佳条件下的处理效果为74.02%，相应条件为回流比200% ，循环周期组成曝气 175 min，沉淀时间60 min，排水时间5 min，HRT= 8 h，进水COD 为800 mg/L，出水NH3-N 为24.86 mg/L，可达到GB 8978—1996 中二级排放标准要求。。
4 结论
（1）采用改良SBR 工艺处理模拟高氨氮有机废水，处理效果好（特别是脱氮除磷效果）。
（2）通过正交试验获得各影响因素的重要度排序：回流比＞进水COD＞停留时间＞沉淀时间。
（3）最佳工艺条件：回流比200%，曝气175 min，沉淀时间为60 min，排水时间5 min，HRT=8 h，进水 COD 为800 mg/L。此时NH3-N 去除率为74.02%，出水NH3-N 为24.86 mg/L，达到GB 8978—1996 中的二级排放标准要求。
