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1、引言
随着城市的发展和城镇开发区的建设，生活污水的比重不断增大，生活污水源日益分散，大规模集中污水处理厂的建设明显滞后，为此，研究和开发处理效率高、投资省、占地少、见效快的生活污水处理技术和设备，对一部分生活污水就地处理，对加快我国城市污水处理步伐具有重要的意义。
常规的城市污水生物处理工艺由于传统供氧方式的供氧能力有限，氧转移率不高(一般为5%-15%)，生物反应速率受到供氧的限制，处理设备庞大。加压生物接触氧化法以简单易行的“加压"手段，突破了生物处理中供氧受限制的问题，从而可大大提高生物氧化池内微生物的活性，增大活性微生物的量，提高生物反应速率，缩短生物反应时间，为小型生活污水处理成套设施的建设开辟一条新的途径。
2、试验概况
2.1 试验水质
试验用生活污水取自湖南大学职工生活区下水道污水，试验期间污水水温为24℃-26℃，PH值为6.5-7.5，CODCr为149.4-496.6mg/l，BOD5为74.81-236.8mg/l，SS为118.0-249.6mg/l，NH3-N为25.7-38.7mg/l。
2.2 试验工艺流程及方法
试验工艺流程如图1所示，加压生物接触氧化反应柱为一不锈钢管，内经为80mm，有效高度1.92m，有效容积9.6升，内挂一根直径约为70mm的组合式生物填料。气体流量计和液体流量计均为LZB-4型玻璃转子流量计，空压机为ZB0.1/8型空压机。
图1 试验流程示意图
1.贮是槽 2.压力水贮罐 3.流量计
4.压力生物接触氧化柱 5.空压机 6.泥水分离器
试验时填料先在常压下培养挂膜，用污水处理厂二沉池的剩余活性污泥接种，并根据镜检生物相的变化控制挂膜条件，经7天培养后，生物膜呈黄褐色，镜检可见菌胶团质密、色泽透明，有大量钟虫，并已有一定的有机物去除率，说明生物膜已基本成熟，随即将生物填料转入压力生化柱内，加压开始正常运行，并按照《水和废水监测分析方法》中的标准方法定期取样测定CODcr、BOD5、SS、NH3-N等指标，共累计了稳定运行2个多月的试验数据进行结果分析，每一数据均为12次以上测定结果的平均值。
3、结果与讨论
3.1 压力对污染物去除效果的影响
在进水量为6l/h，水力停留时间t=1.6h，曝气强度(即气水比)为4：1的条件下，考察了不同压力对污水中CODcr、BOD5、SS去除率的影响及压力生化柱内溶解氧(DO)浓度的变化情况，试验结果见表1。
表1 不同压力(表压)下污染物去除率及反应器内溶解氧浓度
由表1可看出，在气水比和停留时间相同的条件下，污水中CODcr、BOD5、SS等污染物的去除率随着压力的增加而增加，与此同时，反应柱内溶解氧浓度也随之升高。
对于一定浓度的污水而言，有机物降解速率主要受生物动力学氧化速率及氧浓度控制，处理可生化性较好的生活污水，其生物动力学氧化速率主要取决于活性微生物量。加压生物接触氧化法通过“加压"方式提高了污水中溶解氧浓度，增大了氧向生物膜内转移的推动力，使溶解氧通过细菌细胞膜的速度加快，向生物膜内渗透深度增加，因而好氧生物膜增厚，生物膜活性提高，活性微生物量增多，有机物降解速率得以提高。在常压生物接触氧化法中，活性生物膜厚一般为2mm左右，加压生物接触氧化法活性生物膜厚可达5mm而不脱落。可见压力升高后，污水中污染物去除率提高的关键原因在于加压接触氧化法能有效提高污水中的溶解氧浓度和生物膜活性，增加活性微生物量。
表1还可看出，在不同的压力范围内，污染物的去除率随压力增加而增加的速率是不同的，在压力由低向高变化的过程中，污染物去除率增加的速率逐渐减小。对生活污水，当压力由0.2Mpa(表压)增加至0.3Mpa时，污染物去除率已增加不大。考虑到高压对反应设备带来的高要求以及高压引起的能耗增加因素，可将压力定为0.2Mpa。
与常压相比，当压力为0.2Mpa时，污染物去除率提高了10%-18%，生物反应装置内溶解氧浓度也大大提高，由2.1mg/l上升到5.5mg/l。
3.2 气水比及溶解氧对污染物去除率影响
在一定压力下，气水比的大小直接影响了污水中溶解氧浓度的高低，从而影响处理效果。试验考察了在水力停留时间t=1.6h，压力分别为0.2Mpa和0.3Mpa条件下，不同气水比时反应器内溶解氧浓度的变化及污染物的去除效果，试验结果见表2、表3。
表2 压力为0.2Mpa时，不同气水比时反应器内溶解氧浓度及污染物去除率
表3 压力为0.3Mpa时，不同气水比时反应器内浓度溶解氧及污染物去除率
由表2、表3可看出，在相同的压力下，随着气水比的升高，反应器内溶解氧浓度升高，污染物去除率也随之升高；在不同的压力条件下，为使污染物达到一定的去除率，使处理出水中COD、BOD、SS等主要污染物达到污水综合排放一级标准，所需气水比是不同的，压力越高，所要求的气水比就越小。试验表明，气水比的选择主要由反应器内溶解氧浓度决定，当溶解氧浓度达到某一值(4.5mg/l以上)以后，再加大气水比，污染物的去除率增加不多，而当气水比过小时(如当压力P=0.2Mpa，气水比为2.5：1时)，反应器内溶解氧浓度及污染物去除率都会明显下降，这再一次说明压力生物反应器能提高生活污水中污染物去除效果的关键之一在于溶解氧浓度的提高。因此，实际应用中应根据水质情况，综合考虑运转费用和处理效果，以溶解氧作为控制参数来选择合适的工作压力和气水比，运行中也可通过调节压力和气水比来满足生物氧化对溶解氧的要求。所以，这种压力生物接触氧化装置能适应水质、水量的变化，耐冲击负荷。试验表明，在压力为0.2-0.3Mpa范围内，采用气水比为3-4：1时，能使反应器内溶解氧浓度维持在4.5mg/l以上，经生化处理后水中主要污染物可达到污水综合排放一级标准。
3.3 停留时间对污染物去除效果的影响
在压力为P=0.2Mpa，气水比为4：1的条件下，考察了不同水力停留时间对污染物去除率的影响，结果见表4。
表4 不同停留时间下污染物的去除率
表4表明，污水中污染物去除率随着停留时间的延长而增加，但其增加的速度逐渐减小，当停留时间为t=1.6以后，再延长停留时间，处理水中COD、BOD、SS的去除率的变化不大，因为此时污水中的有机物浓度已相当低。在压力为0.2Mpa时，压力生物接触氧化装置处理生活污水只需0.8小时停留时间就能使处理出水的COD、BOD、SS等污染物达到一级排放标准，为常规生物处理法停留时间的1/3-1/4，从而大大节省了生化池容积。但当进水氨氮浓度较高时，使处理出水氨氮达标(不超过15m g/l)所需停留时间要长些，本试验为2.4小时，这是因为硝化反应要求很低的F/M，且异养菌的最大比生长速率比自养硝化菌要大得多，只有当有机物浓度很低以后，硝化菌的比生长速率与异养菌相比足够大时，硝化反应才能进行。
4、结论
(1)加压生物接触氧化法通过简单的“加压"方式提高了污水中污染物去除率，缩短了生化反应时间。其高效高速的关键原因在于有效提高了污水中的溶解氧浓度，增大了氧向生物膜内转移的推动力和向生物膜内渗透深度，使生物膜活性提高，活性微生物量增多，有机物降解速率得以提高。而且可通过调节压力和气水比使加压生物接触氧化装置内保持较高的溶解氧浓度来适应水质、水量的变化，耐冲击负荷。
(2)研究表明，加压生物接触氧化法处理生活污水，采用压力为0.2Mpa(表压)，停留时间为0.8小时，气水比为3-4：1时，可使处理出水的COD、BOD5、SS等污染物浓度达到一级排放标准。与常压法相比，在相同的停留时间内污染物去除率可提高10%-18%，获得相同的处理效果(达到一级排放标准)停留时间仅为常规生物处理法的1/3-1/4。因此，该法具有处理效果好、占地少、适用性强、耐冲击负荷的特点，特别适合城镇小区小型生活污水处理成套设施的建设，对高浓度有机废水的处理也有较好的应用前景。
(3)与常压法相比，加压接触氧化法的不同点是使用了压缩空气，在压力条件下操作，由此增加了进水和进气的能耗，但这部分多的能量在处理过程中可得到回收利用。生化柱顶部尾气可引入前面的沉砂池或调节池进行预曝气，生化柱出水溶有气体，可采用气浮进行固液分离，做到对空气一次加压多次使用。
* 本研究为湖南省建设厅资助项目，编号为：9901-15。
