1 材料與方法
1.1 材料和儀器
實驗污水：某典型重油加工企業污水場水解酸化裝置出水，實驗期間進水CO
D、T
N、氨氮、硝態氮、有機氮均值分別為379、60、51、6.0、1.5 mg?L−1。
器材及儀器設備：紫外分光光度計，L6，儀電分析儀器有限公司;TN/TOC分析儀，TOC-L，島津;可見分光光度計，7230G，精科儀器有限公司;便攜式水質分析儀，U-50，日本HORIBA;電熱恒溫鼓風干燥箱，101-0A，葉拓。中空纖維膜紡絲機通過膜技術進行水處理，應用于制藥、釀造、餐飲、化工、市政污水回傭、醫院、小區污水會用、造紙等生產生活污水處理。膜分離技術是一種廣泛應用于溶液或氣體物質分離、濃縮和提純的分離技術。膜壁微孔密布，原液在一定壓力下通過膜的一側，溶劑及小分子溶質透過膜壁為濾出液，而大分子溶質被膜截留，達到物質分離及濃縮的目的。膜分離過程為動態過濾過程，大分子溶質被膜壁阻隔，隨濃縮液流出，膜不易被堵塞，可連續長期使用。
1.2 分析項目及方法
COD分析參照GB/T 11914-1989中的方法，NH4+−N分析參照HJ636-2012中的方法，NO3−−N分析參照HJ/T 346-2007中的方法，MLSS和SVI的測定方法參照文獻中的方法。TN采用島津TOC-L分析儀測定，D
O、溫度采用HORIBA U-50分析儀測定。
1.3 實驗條件及方法
實驗工藝及設備：模擬現場硬件設施，根據前期研究成果，構建現場側線實驗工藝，如圖1所示。2段進水A/O反應器總有效容積為2 160 L，各段容積比為VA
1:VO
1:VA
2:VO2=
1:2.
6:1.
4:2.2，其中好氧池均分成3個格室，沉淀池有效容積150 L，BAF池有效容積150 L。3臺隔膜計量泵分別控制進水及污泥回流，空壓機為好氧格室曝氣，機械攪拌器為缺氧區提供攪拌。A1in和A2in分別為反硝化單元的進水采樣點，A1、A2、O12、O13、O22、O23的采樣點均在相應單元出水側液面下10 cm處，O11和O21在出水側距池底20 cm處設置的取樣口采樣。
圖1 2段進水A/O生物脫氮工藝流程圖
實驗裝置啟動及運行：取某重油加工企業污水處理(chǔ lǐ)場CASS池活性污泥1.5 m3，接種到2段進水A/O工藝，控制實驗溫度為 ℃，進水流量720 L?d−1，2段進水A/O反應器水力停留時間72 h，污泥沉淀池停留時間為5 h。中空纖維膜紡絲機外形像纖維狀，具有自支撐作用的膜。它是非對稱膜的一種，其致密層可位于纖維的外表面／如反滲透膜，也可位于纖維的內表面(如微濾膜和超濾膜)。對氣體分離膜來說，致密層位于內表面或外表面均可。按照前期研究成果，2段進水A/O反應器工藝參數：流量分配比系數a1為0.7，a2為0.3，缺氧段采用20 r?min−1低速攪拌控制溶解氧在0.2~0.4 mg?L−1，好氧段控制溶解氧在3.5~4.5 mg?L−1，污泥回流比r值1.0，定期排泥控制泥齡25~30 d，兩級A/O無硝化液回流。裝置運行至第7天，出水水質穩定在總氮質量濃度20~24 mg?L−1，COD質量濃度50 mg?L−1，NH4+−N質量濃度低于1 mg?L−1，完成啟動穩定3 d開始實驗。改變污泥回流比r值，考察不同r值下對系統運行條件及處理效果的影響，每隔7 d改變一次污泥回流比，共計35 d，污泥回流比r值在不考察時以1.0運行。
2 結果與討論
2.1 污泥回流比對運行條件的影響
2.1.1 對各段水力停留時間的影響
不同污泥回流比下各段的HRT變化如表1所示。膜生物反應器在污水處理，水資源再利用領域，MBR又稱膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor ）,是一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理技術。當回流比加大，各段的污水水力停留時間在減少，同時污水的感染物濃度也在稀釋。回流比較低的時候，增加回流比，污水的停留時間可以滿足活性污泥對污染物的去除速率，那么回流比越大，去除效果越好。但是當回流比較高的時候，污水的停留時間過短，污染物還沒有完全降解就會被排出裝置外，所以污泥的回流比存在一個最佳的操作區間。
表1 不同污泥回流比下各單元的水力停留時間的變化
2.1.2 對各段MLSS的影響
污泥回流比對各段MLSS的影響如圖2所示。回流比過低，污泥濃度會偏高，HRT延長，污泥處理負荷會降低，最終導致活性污泥性狀變差;回流比過高，污泥濃度會偏低，HRT縮短，污染物的降解效果會變差。對比第1段和第2段發現，回流比對第1段的活性污泥濃度影響更大。活性污泥回流過高，大量的非反硝化型異養菌（fungus)可能會和反硝化菌在A1段競爭碳源底物，降低反硝化效率;同樣在O1段，大量的異養菌的存在，可能會抑制硝化過程，不利于氨氮的氧化（oxidation)。
圖2 污泥回流比對各段MLSS的影響
2.1.3 對沉淀池活性污泥沉降指數的影響
污泥回流比r值的改變會影響沉淀池水力負荷和污泥負荷。實驗期間活性污泥的SVI在110~125 mL•g−1，考察r值對沉淀池活性污泥沉降指數的影響，結果如圖3所示。r值從0.60增大到1.50，沉淀池活性污泥沉降指數略有小幅升高，但是污泥沉降性能依然良好。這一現象與王偉等在研究（research)污泥回流比對分段進水A/O工藝處理生活污水的影響的過程中得出的結論基本一致，即在系統(system)污泥沉降性能較好時,r值對二沉池泥水分離效果影響不大。
圖3 污泥回流比對活性污泥沉降指數的影響
2.1.4 對反硝化區溶解氧和回流能耗的影響
污泥回流比r值的增加會引起反硝化區A1和A2的溶解氧(Oxygen)濃度的小幅增加。A1區的溶解氧由均值0.22 g?L−1增加到0.31 mg?L−1左右，A2區的溶解氧由均值0.27 g?L−1增加到0.34 mg?L−1左右。分段進水工藝從源頭上避免了硝化液的回流，利于反硝化區域的溶解氧控制。且由于硝化液回流量的減少，相應的電耗也可以得到消減，根據通用的潛水排污泵能耗核算，每減少100 m3的硝化液回流，可以減少約7~11 kWh的電耗。以1個年加工量1 000萬t的煉廠為例，按每加工1 t原油產生污水量0.50 m3計算，如果不回流硝化液1年可以節約電耗35萬~55萬 kWh。
2.2 污泥回流比對處理效果的影響
2.2.1 對COD去除效果的影響
r值的改變對COD去除效果的影響結果見圖4。2段進水A/O工藝對重油加工污水中的有機污染物取得了良好的去除效果，r值的變化對有機污染物的去除最終效果影響較小。第1段A/O單元完成了對70%有機污染物負荷的快速降解，第2段A/O單元完成了剩余30%有機污染物負荷以及降解周期較長的有機污染物的深度降解，裝置出水COD在48~51 mg?L−1。
圖4 污泥回流比對COD去除效果的影響
對比r值變化對第1段和第2段A/O工藝中有機污染物降解的影響，發現r值變化對第1段A/O影響較大。r值越大，A1進水的有機污染物濃度因水量稀釋越低，但是隨著反應的進行，影響越來越小，說明2段進水A/O系統對水量負荷有較好的適應能力。相比于傳統的A/O工藝，無硝化液回流的分段進水工藝，有機污染物的停留時間延長了近50%，利于對重油加工污水中降解周期較長的有機污染物的深度降解。
2.2.2 對TN去除效果的影響
回流比對2段進水A/O工藝的TN去除效果影響見圖5。r值0.60~1.50對應的O13出水TN分別為23.8、20.1、17.7、16.5、18.8 mg?L−1，去除率分別為61.61%、67.58%、71.45%、73.38%、69.67%。r=1.0和r=1.25時，2段進水A/O工藝取得了70%以上的總氮去除率，在未投加碳源和未進行硝化液回流的條件下，脫氮率已經略高于常規的A/O生化脫氮工藝，說明該工藝適用于低碳氮比重油加工污水脫氮。理論核算脫氮率，如果A1和A2單元都實現完全反硝化，r值0.60~1.50對應的脫氮率在80%~88%，與實際脫氮率對比發現，TN去除率還有近20%的提升空間。
圖5 污泥回流比對總氮篩除效果的影響
2.2.3 對氨氮去除效果的影響
污泥回流比對氨氮的處理效果的影響見圖6。在r值由0.60增大到1.50的過程中，2段進水A/O工藝側線中試裝置在短期內基本保障了氨氮的高效（指效能高的）去除，出水氨氮均小于1 mg?L−1，去除率均達到了98%以上。但是，對于各段氨氮出水水質分析發現，回流比過低和回流比過高都不利于對氨氮的去除，r=1.0和r=1.25時，各段的硝化效果較好，且r=1.0的硝化效果略好。
圖6 污泥回流比對氨氮去除效果的影響
分析第1段A/O的脫氨效果，隨著回流比的增加，A1的氨氮濃度因為稀釋原因明顯降低。當r=1.50時，A1的進水氨氮濃度最低，但是隨著O1好氧降解時間的延長，氨氮濃度開始高于回流比為0.75、1.0、1.25條件下的出水氨氮濃度，說明在此條件下，O1的氨氮氧化能力在下降，其原因主要是回流引起的污泥濃度降低和污水停留時間減少所致。當r=0.60時，相同的進水氨氮處理負荷，O1污泥濃度最高，氨氮污染物停留時間最長，但是O1出水氨氮濃度也高于r值為0.75、1.0、1.25條件，表明硝化過程受到了抑制，分析原因可能（maybe)是自養硝化特殊結構：莢膜、鞭毛、菌毛與異養菌存在競爭關系，并處于劣勢。分析第2段A/O的脫氨效果，回流比的增加對第2段氨氮的去除效果影響并不明顯，A2進水的氨氮濃度升高主要是第1段A/O未完全硝化的氨氮所致。
2.2.4 對硝態氮去除效果的影響
如圖7所示，在r值從0.60增大到1.25的過程中，增大回流比有助于提高系統的硝態氮的去除效果。O23在r=1.50時，O23出水硝態氮突然升高，主要原因是回流比過大，導致O13出水存在未完全降解的氨氮，在O23氧化成硝態氮。分析各段出水硝態氮質量濃度發現，回流比過低和回流比過高都不利于對硝態氮的去除，r=1.0和r=1.25時，系統的反硝化效果較好，且r=1.25的反硝化效果最好。
圖7 污泥回流比對硝態氮去除效果的影響
分析第1段A/O的脫硝效果，A1單元在r由0.60增加到1.50的過程中，A1硝態氮去除量在逐漸增加，在r=1.50時達到最大值，為0.75 g?h−1，說明A1的反硝化效能沒有得到充分利用，可以適度增加A1硝酸鹽處理負荷，以充分利用第1段缺氧區反硝化能力。研究（research)還發現，較低的回流比會導致污泥濃度過高，會對反硝化段的碳源產生惡性的競爭(competition)，r=0.60時，A1的CCOD降/CN降為3.69，硝態氮去除量為0.51 g?h−1，而r=1.0時，A1的CCOD降/CN降為3.43，硝態氮去除量為0.62 g?h−1，就證明了這一點。
分析(Analyse)第2段A/O的脫硝效果，A2單元在r值從0.60增大到1.5的過程(guò chéng)中，硝態氮去除量基本沒有變化，出存在殘留硝態氮7.78~11.0 mg?L−1，主要原因是A2反硝化碳源不足。核算A2的CCOD降/CN降，r=0.60時，A2的CCOD降/CN降=3.39;r=1.0時，A2的CCOD降/CN降=3.27。A2單元的CCOD降/CN降的變化趨勢與A1基本一致，表明在A2單元同樣存在碳源競爭。但是相比A1單元，A2的CCOD降/CN降值略低，說明A2單元碳源利用率更高。
3 結論
1)2段進水A/O工藝中,污泥回流比從小增大時，會增加系統的水量負荷，導致污水、污泥、污染物的停留時間縮短，減少系統對進水中污染物的降解時間。
2)在一定范圍內提高污泥回流比，可以提升系統硝化和反硝化效果，尤其是第1段缺氧區氨氮水(Nitric acid)鹽氮去除的量會明顯增加，但當污泥回流比過高時，系統硝化、反硝化效果會明顯降低，最大污泥回流比不宜超過1.25。
3)相對于傳統的A/O工藝，分段進水A/O工藝污染物的停留時間更長，更有利于污水中降解周期較長的有機污染物的去除。
4)為進一步提高2段進水A/O工藝脫總氮效果，可以考慮增加第1段A/O內循環硝化液回流比，補充A2單元所缺碳源。
