纺织印染业作为我国重要的经济产业，在其退浆、煮练、丝光、染色、印花以及水洗等过程中会用到大量的油、酸、碱、纤维杂质、无机盐、表面活性剂、浆料、染料和化学助剂等，导致所产生的废水不但量大，且废水水质变化大、有机物浓度高、色度高、pH高以及可生化性差，属于难降解的工业废水之一〔1, 2〕。
为控制太湖流域重点行业排污总量，江苏省政府在2007年颁布了《太湖地区城镇污水 处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2007)，将印染废水的CODCr排放指标由行业标准的80 mg/L提高到50 mg/L，氨氮(NH4+-N)由10 mg/L提高到5 mg/L。对太湖地区的印染行业而言，要达到江苏省太湖地区排放标准，尤其是CODCr指标和氨氮指标仍有一定的难度。这两项指标直接导致了该地区印染行业废水回用率不到50%的结果，这一回用率在全国各行业中水回用率中是较低的〔3〕。
为了能够实现氨氮的稳定达标排放，目前在工程应用中多利用缺氧-好氧工艺(即A/O生物工艺)进行脱氮。然而，常规A/O工艺存在如下缺陷：(1)硝化与反硝化过程均始终要重复经历抑制-复苏-抑制-复苏的过程。如硝化菌，当其处于缺氧段时，其活性会受到一定的抑制，而当它再次进入硝化段时又需要一段恢复活性的过程，对反硝化菌也同样如此。这样的结果就是整个硝化与反硝化过程都要重复经历抑制阶段，从而导致各反应区内的主体反应速度变缓。(2)优势菌种不明显。在A/O工艺中，硝化菌与反硝化菌是一个庞杂的混合体。只是在不同的处理阶段和不同的外界环境下，菌种的活性表现有所差异。(3)来自好氧池出水的内回流往往含有较高的溶解氧(DO)，使反硝化段难以保持理想的缺氧状态，从而对缺氧池的反硝化过程产生一定的抑制作用〔2〕。
为此，笔者通过改变泥水回流方式及微生物培养方式，并添加自主专利的新型填料后，形成改良型A/O生物膜工艺，并以预处理后的实际印染废水为处理对象，对改良型A/O生物膜工艺在脱除有机物及氮磷方面的效果进行了研究，以期为今后的工程应用提供参考与借鉴。
1 实验装置与工作原理
实验装置采用有机玻璃制作，尺寸为80 cm×40 cm×55 cm，总容积150 L，包括缺氧池(A池)、好氧池(O池)和后续沉淀池3部分。A池与O池的容积比为1∶3。O池底部采用穿孔管曝气，气水比为(10~16)∶1。硝化液回流由沉淀池出水通过计量泵回流至A池进水端，回流比为200%。A池与O池内部添加SJ-Ⅲ新型填料，均匀布置于反应器内，填充率约为68%(体积比)。SJ-Ⅲ填料为江苏苏净集团有限公司提供的纤维编织产品，其直径约5.5 cm，表面粗糙度0.2 μm，1 cm干燥产品质量为1.1 g，膜后质量密度160~240 kg/m3，单丝强力60~80 N，比表面积2 000~3 500 m2/m3。实验装置见图 1。
图 1 实验装置
工艺特征：(1)池体内增设填料后，可以将硝化菌及反硝化菌固定在各自的反应器内，避免抑制过程的发生，提高反应器的脱氮速率及效率;(2)池体内投加填料不但可以加强反应器内所需的微生物菌种数量，而且可以利用填料对其进行分相培养，使其成为所需的优势菌种，并通过保持反应器内所需的生物环境，使其始终处于最佳的生理状态;(3)对O池而言，投加填料还能有效提高好氧池内氧的传递及利用效率，大大增强系统的稳定性〔4〕;(4)内循环由原来的O池出水回流改为由沉淀池出水回流。如此则有利于保持A池的缺氧状态，改善反硝化效果。
在该改良型A/O生物膜工艺中，废水先进入A池，然后再进入O池。由于硝化菌和反硝化菌固定在反应器内的填料上，不但生物量大，且始终处于最佳的生理状态，因此，能够对水中的氨氮进行快速硝化与反硝化，达到高效脱氮的目的。
2 实验过程
2.1 原水水质
实验所用印染废水取自杭州市萧山区某印染厂，该废水由高浓度脱浆废水和低浓度染色废水经物化及厌氧水解工艺预处理后的混合液组成，其中CODCr为615~805 mg/L，可生化性为0.30~0.45，氨氮16.1~30.7 mg/L，总氮31.4~45.7 mg/L，总磷0.68~1.58 mg/L，pH 8~10。
2.2 接种污泥
接种污泥一部分取自杭州市萧山区某印染厂好氧池内经静沉后的活性污泥，其TSS 12.6 mg/L，VSS 7.5 mg/L，VSS/TSS=59.5%;另一部分取自污水厂污泥浓缩池中的污泥，其TSS 23.8 mg/L，VSS 16.9 mg/L，VSS/TSS=71.0%。
该填料具有较大的比表面积和粗糙度，易为微生物附着，能够形成良好的微生物生态圈，正常运行的反应器内微生物质量浓度可达5~8 g/L左右。膜纤维中还穿插有硬质塑料线，使得填料不易变形，抗水流冲击能力强，抗拉性能好。另外，填料成本低廉，约在4~5元/m，适合各种水量的处理。
2.3 分析指标及方法
CODCr采用快速密闭消解后以重铬酸钾法测定，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定，TN采用紫外分光光度法测定，硝酸盐氮采用酚二磺酸分光光度法测定，TP采用钼酸铵分光光度法测定〔5〕，污泥浓度(MLSS)采用烘干称量法测定，DO采用便携式DO测定仪测定，pH采用pH计测定，温度采用温度计测定。
2.4 实验运行
首先对反应器进行污泥培养驯化。参照A池与O池反应器体积比，各取浓缩污泥3.75 L和活性污泥11.25 L，分别加入A池与O池反应器内,再加满待处理印染废水，控制曝气量，使泥水充分混合，静态运行1周，目的是使微生物适应废水水质，同时使填料上附着尽可能多的微生物。在污泥驯化期内，每隔12 h更新反应器内水样，每次更新水量占反应器总水量的25%。1周后采用全流量连续进出水，进水量控制在3.5 L/h。驯化1周后可明显看见填料上均匀布满大量淡黄色黏性微生物膜。此时CODCr去除率达到50%，表明驯化过程结束。随后流量调至5.5L/h，连续进出水，每日2次测定反应器进出水各项指标。
3 结果与讨论
3.1 CODCr去除效果
反应器正常运行后，每天对进出水CODCr进行检测，结果如图 2所示。
从图 2可以看出，改良型A/O生物膜反应器在培养驯化结束时对CODCr的去除率在50%左右，经连续5周运行后，出水CODCr去除率平均达92.2%。当进水CODCr平均717.7 mg/L时，出水CODCr可稳定在50 mg/L以下，完全达到江苏省太湖地区排放标准。
图 2 反应器出水CODCr变化
3.2 氨氮去除效果
对于工业废水中氨氮的去除，目前采用较多的技术仍然是硝化反硝化技术，即A/O工艺。对常规的A/O工艺来说，内循环比的大小直接决定着脱氮率的高低。根据工程实践经验，要保持较高的脱氮率(如70%以上)时，内循环比通常在200%~400%。而如此高的内循环比则意味着反应器容积较大、造价较高，而且循环泵的电耗也非常大。因此，目前大多数工业废水的生物脱氮率都难以超过70%。
研究通过对传统A/O工艺在微生物培养方式以及泥水回流方式方面的变化，并增设特殊填料后，期望达到同步脱氮除碳的效果。实验对进出水氨氮的检测结果见图 3。
图 3 反应器出水氨氮变化
从图 3可以看出，反应器对氨氮的去除率随着反应器的运行逐渐升高。在最初的2周内，氨氮去除率只有40%左右。当反应器运行5周后，反应器对氨氮的去除率接近90%，平均去除率达到86.9%，出水氨氮能稳定维持在5 mg/L以下，完全达到江苏省太湖地区排放标准。
分析认为：氨氮去除率高的原因，与系统添加特殊填料、污泥培养方式以及泥水回流方式等均有直接关系。一方面通过添加填料能使每个反应器内优势菌种固定下来，使其始终处于最佳的生理状态，达到高效脱氮的效果;另一方面，填料的特殊结构使得该填料上附着的微生物数量要远远多于传统填料上的微生物量，而微生物量的多少对于有机物及脱氮率有直接的影响。这可能是该新型填料能改善脱氮效果的最重要原因。
而且在O池内，由于生物膜厚度较厚，不同膜层中由于微生物所处的微氧环境不同，微生物种群类型也有差异。处于表层的生物膜主要以异养型的好氧菌(包括硝化菌)为主，中间层的微生物则主要以兼氧型的菌种为主(包括反硝化菌)，而处于膜最深层中的微生物则主要以厌氧型菌种为主。因此，脱氮过程除了A/O工艺本身所带来的效果之外，在好氧池内也会发生同步硝化反硝化过程。
另外，泥水回流方式也能使缺氧池内的DO始终处于0.5 mg/L以下。而微生物的分相培养则使微生物始终处于最佳的生理状态。上述几方面叠加使得该A/O生物膜工艺具有非常高的脱氮效果。
3.3 硝酸盐氮去除效果
为了进一步考察系统对实际印染废水中氨氮的硝化效果，以及硝酸盐在反应器内的积累程度，实验每隔5 d对反应器中的硝酸盐含量测定1次，实验结果如图 4所示。
图 4 反应器出水硝酸盐氮变化
根据图 3对氨氮的去除率，并结合实验对出水中硝酸盐氮含量的监测结果，可知系统脱氮效果明显，出水硝酸盐氮的平均质量浓度低于2 mg/L，积累效果不显著。这是由于不同环境之间连续的传质过程，使得硝化和反硝化过程变得高效且连续，且在O池内能同时发生硝化与反硝化过程，从而减弱了中间产物如硝酸盐、亚硝酸盐等对微生物代谢活动的抑制作用，促进了对水中氨氮的高效去除。
3.4 总氮去除效果
为了考察改良型A/O生物膜工艺对总氮的脱除效果，实验对系统进出水总氮进行了连续监测，结果如图 5所示。
图 5 反应器出水总氮变化
由图 5可以看出，系统对总氮的去除率在最初的一段时间内呈下降趋势。随着污泥性能的稳定并逐渐适应该废水后，总氮去除率逐渐上升。在运行第5周后，总氮平均去除率达到84.8%，实现了高效脱氮的目的。这进一步证明了系统采用污泥分相培养及增设特殊填料的方法对于改善系统的脱氮性能有着显著的影响。
然而，实验也发现，当把内回流比增大到300%后，系统对总氮的脱除效果并没有明显增加。分析认为这主要与生物膜的特性有关。因为当生物膜的厚度增大到一定程度后，底物从膜表面渗透到膜内部过程中，会有一定的阻力。回流比的增大能够加快膜表面的硝化与反硝化反应的进行，但是对于底物的渗透过程则不会有显著的影响。另外，膜表面与废水接触的微生物量的增量远小于内回流量的增量。因此，当回流比足够合适时，继续增大回流比并不能显著提高脱氮效果。
3.5 总磷去除效果
实验期间还考察了改良型A/O生物膜法对实际印染废水中总磷的去除情况，结果见图 6所示。
图 6结果显示，通过前期的预处理，进入到A/O系统中的总磷平均在1.3 mg/L左右。随着反应器的运行，总磷去除率在后期呈上升趋势，去除率接近70%，出水总磷保持在0.5 mg/L以下，这个数值对于A/O脱氮系统来说不算太低。这一方面得益于微生物自身的生理需要对磷酸盐的摄取，另一方面也说明，生物膜中存在聚磷菌的富集，如反硝化聚磷菌等〔6, 7〕。但是聚磷菌从外部环境吸收的磷，只能通过将含磷污泥排出系统达到除磷的目的，因此，如应用于工程实践时，需要对A/O系统定期排泥。
图 6 反应器出水总磷变化
然而，对于总磷含量较高的印染废水，仍然需要设置前置或后置的化学除磷设施，以确保总磷能长期达标排放。
3.6 填料挂膜前后特征
改良型A/O生物膜工艺连续运行5周后，对挂膜前后填料表面特征进行了对比。通过观察发现，由于填料丝相互缠绕并伸展至水中，使生物膜具有立体结构。反应器中填料表面生物膜分布均匀，反应器中活性污泥大部分附着在填料上，只有极少量的污泥悬浮在反应器中。
其中，A池填料由最初的白色变为灰褐色，填料表面生物膜结构密实，厚度较厚;O池填料外观为黄褐色，生物膜结构密实，厚度较A池略薄。将填料在水中用力抖动，会有少量污泥脱落。
在该改良型A/O生物膜工艺中，填料上附着的活性生物膜与普通填料产生的生物膜虽无本质区别，但厚度却有显著差异。常规填料如立体弹性填料上附着的生物膜厚度多在0.1 mm以下，而研究所采用的填料由于具有独特的表面结构及较大的比表面积，更易为微生物所附着，因此，生物膜不但形成速度快，厚度也是传统填料的1~2倍。根据对两个反应器中污泥浓度MLSS的测定，A池和O池中MLSS分别约为7 251、5 867 mg/L。生物膜越厚，代表单位容积的微生物数量也越大，处理效率和处理速率也越高。
镜检发现，A池填料上的生物菌落主要以鞭毛虫和草履虫等为主。O池填料上的生物菌落含有少量丝状菌以及原生动物和后生动物，包括轮虫、累枝虫和线虫等，而钟虫难以觅见。这些种类不一、功能繁多的微生物组成了一种相互联系、相互影响的生态平衡关系，共同促进了对废水中有机物、氨氮及总磷等的去除，使污水得到净化。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
4 结论
(1)通过对常规A/O脱氮工艺的泥水回流方式和污泥培养方式进行改变，并添加特殊填料后，形成具有生物膜特征的改良型A/O生物膜脱氮除碳工艺。该工艺能使污泥固定在各自的反应器内进行分相培养，并使其成为优势菌种，同时使反应器内的微生物始终处于最佳的生理状态，从而提高常规A/O系统的处理效果。
(2)系统对实际印染废水的CODCr、氨氮、总氮、总磷的去除效果较好，去除率可分别达到92.2%、86.9%、84.8%、69.6%。系统出水主要指标完全达到《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2007)的排放标准。
(3)系统对预处理后的印染废水中总磷处理效果较好，出水总磷低于0.5 mg/L。对于总磷含量较高的印染废水，需要设置前置或后置的化学除磷设施，以确保总磷能长期达标排放。