用于廢水處理的生物反應器種類繁多且歷史悠久，一體化反應器作為其中一類較新的生物反應器，已有20多年的研究歷史，由于其具有投資少、占地小、管理運行方便等優(yōu)點而備受青睞，在各類廢水處理中獲得了廣泛應用。
1、較早的一體化生物反應器
傳統(tǒng)的廢水處理方法通常由多個單元操作組成，但工藝流程過于復雜，針對此弊端，一體化反應器被提出和逐漸發(fā)展起來.。
1.1 一體化氧化溝
最早的一體化用水設備要數(shù)一體化氧化溝，由Pasveer教授1954年在荷蘭Voorschoten研制成功，當時雖并未提出一體化的概念，但其卻集曝氣、沉淀、泥水分離和污泥回流功能為一 體，并無需建造單獨的二沉池，此后，一體化氧化溝的概念 在20世紀80年代初由美國提出，然后逐漸發(fā)展起來。一體化氧化溝將二沉池建在氧化溝內(nèi)，減少了20%～30%的占地面積；不設污泥回流泵等相關設施，大幅度節(jié)省了基建投資，還可降低能耗和運行費用；管理方便，能承受較大的沖擊負荷。其應用迅速而廣泛，多用于城市污水的處理，截至2001年，美國已建有近百座一體化氧化溝。
1.2 SBR反應器
到了20世紀70年代，序批式反應器SBR（sequencing batchreactor）開始被研究并發(fā)展起來［3］.其最大的特色為只有 一個SBR反應池，不但具有一般曝氣池降解污染物的作用，還可調(diào)節(jié)水質水量和固液分離；另外，它提供了一種在時間上進行各種目的的操作方法.由于無需再另設調(diào)節(jié)池、沉淀池及污泥回流設備，因此簡化了工藝，節(jié)省了占地面積和投資運行費用；另外還能靈活適應水質的變動；具有耐沖擊負荷和反應推動力大、能夠有效地抑制污泥膨脹的發(fā)生、出水水質好等優(yōu)點.被國內(nèi)外廣泛應用于生活污水和各類工業(yè)、農(nóng)業(yè)污水的處理。
1.3 一體式MBR膜生物反應器
一體式MBR膜生物反應器是膜生物反應器MBR（membranebioreactor）中的一類，1989年首先由日本學者Yamamoto開發(fā)出來，它是將MBR膜組件置于MBR膜生物反應器中進行固液分離，以此 代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥法的二沉池.其運行能耗低，能截留大量的生物量，提高處理效率，此外還具有結構緊湊、體積小、活性污泥易于清洗等優(yōu)點.一體化MBR相比于傳統(tǒng)的活性污泥法可 大幅度提高出水水質，硝化能力更強，固液分離效果更 好，較適用于中小規(guī)模的污水處理，廣泛應用于生活污水和工業(yè)廢水的處理，但一體化MBR單位膜的處理能力小，膜的污染較嚴重，透水率較低，在運行穩(wěn)定性、操作管理方面和膜清洗更換上不及分置式MBR。
不難看出，這些早期的一體化生物反應器形式較單一，主要將生物反應與固液分離相結合來實現(xiàn)一體化，主體工藝多為好氧活性污泥法，在脫氮除磷方面效果較差。
社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展導致生活污水及工業(yè)廢水的污染日趨嚴重，由于布局分散、數(shù)量大，特別適合運行成本低、管理操作簡便、占地小的一體化污水生物反應器來處理，因此，結合傳統(tǒng)污水處理工藝，在不斷的改進下，越來越多的一體化MBR膜生物反應器被開發(fā)出來，并得到了廣泛的應用。
2.1 主體工藝的改進
以活性污泥法為主體的一體化反應器，其抗沖擊負荷能力一般較差，能耗大，且有剩余污泥、污泥膨脹等問題，較適合水質水量穩(wěn)定的生活污水等處理.生物膜法采用細胞固定化技術，生物量大大提高，相對于活性污泥法有較強的抗沖擊能力，污泥產(chǎn)量低且沉降性好，動力費用低，管理方便，將其應用在一體化MBR膜生物反應器中具有特有的優(yōu)勢。
2.1.1 以接觸氧化法為主體工藝
現(xiàn)有較多的一體化MBR膜生物反應器采用接觸氧化法作為其生化處理部分，其填料多為組合軟填料，質輕、高強、物理化學性質穩(wěn)定，比表面積大，生物膜附著能力強，污水與生物膜的接觸效率高，處理效果好，無污泥膨脹。
如某機場擴建工程污水處理廠采用的一體化污水處理設備是將一沉池、Ⅰ、Ⅱ級接觸氧化池、 二沉池、污泥池集中一體的設備，可設于地面上，也可埋于地下.其占地面積少，工程投資少，管理、操作簡單，出水水質穩(wěn)定，污泥產(chǎn)量少并易于處理.日污水處理量可達4000t/d，進水COD400mg/L，BOD200mg/L，SS200mg/L， 出水COD120mg/L，BOD30mg/L，SS30mg/L，達到了排放標準。
2.1.2 以生物轉盤為主體工藝
華南理工大學結合傳統(tǒng)的生物轉盤，開發(fā)出新一代集成一體化生物轉筒反應器IBDR（integralbiologicaldrumreactor）.IBDR集篩濾池、流量控制器、生物轉筒反應器和二沉池于一體，其核心生物轉筒反應器利用比表面積大的填料代替?zhèn)鹘y(tǒng)生物轉盤的盤片，可完成污水85%的凈化.IBDR工藝簡單，易于操作；污泥沉淀性能好，不產(chǎn)生污泥膨脹；具有良好的生物固體截留能力和高的微生物濃度；且生物相分級明顯，特別適用于處理對設備的體積、易操作性要求特別苛刻的城市餐飲業(yè)污水,如處理某餐飲業(yè)廢水，進水COD600～1200mg/L，出水COD150～250mg/L，處理效率高達82%，比傳統(tǒng)生物轉盤高出22%左右。
2.1.3 以生物流化床為主體工藝
相比接觸氧化法和生物轉盤，生物流化床污泥濃度更高，耐沖擊負荷能力更強，剩余污泥率更低，且無堵塞，混合均勻，具有較好的脫氮效果，配置形 式也更靈活，楊平和黃鈞等都利用好氧流化床與其他厭氧 工藝相組合，設計出了高效的厭氧好氧一體化反應器，比其他形式的一體化反應器具有更高的有機負荷和更好的適應性。
2.2 單一工藝向組合工藝的改進
單獨好氧法處理廢水時，不但有機負荷較低，且在脫氮除磷方面表現(xiàn)較差，而將其與厭氧/缺氧工藝相組合，如A/O、A2/O等形式，卻能達到理想的效果，且能提高系統(tǒng)負荷，使 COD、BOD降解更為徹底，提高出水水質，一體化生物反 應器也正是向著好氧、厭氧/缺氧多種工藝優(yōu)化組合的方向發(fā)展的。
2.2.1 活性污泥法與厭氧/缺氧工藝的結合
（1）AmOn一體化生物反應器
由同濟大學研究開發(fā)，集反應、沉淀和污泥回流于一體.AmOn中A代表厭氧或缺氧處理，O代表好氧處理，以m、n代表處理的量或程度，A/O可靈活組合，A可在O之前，也可在O之后，亦可多段A、O交替，通過改變運行條件可以靈活地控制反應“程度”，此反應器活性污泥濃度高，耐沖擊負荷能力強，能適合不同進水水質的有機廢水處理，可通過自控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，沿反應進程自動調(diào)節(jié)曝氣量和攪拌程度，根據(jù)要求實現(xiàn)脫氮和除磷. 目前已成功應用于印染廢水的處理。
（2）五箱一體化活性污泥工藝
與AmOn一體化MBR膜生物反應器有相似之處，其主體是一個被分隔成5個單元的矩形反應池，5池間水力相連通，每池都設有曝氣和攪拌系統(tǒng)，交替作為曝氣、攪拌和沉淀池.污水可進入除中間一池以外的任一池，通過各個池子的交替進水和邊池的交替出水，在不同的時間和空間上經(jīng)歷厭氧、缺氧、好氧和沉淀過程，從而實現(xiàn)A2/O工藝的各段功能，具有良好的除磷脫氮效果，同時自動完成污泥回流.此系統(tǒng)布置緊湊，用地節(jié)省，自動化程度高，運行費用低，特別適合城鎮(zhèn)或農(nóng)村地區(qū)中小型污水處理.用其處理醫(yī)院廢水，進水COD160～245mg/L，NH3-N19～28mg/L，TN28～35mg/L，TP1.5～3mg/L，停留時間15h，各指標均能達標排放。
（3）A2/O式一體化氧化溝
早期的一體化氧化溝多只考慮生物處理凈化與固液分離的結合，若將缺氧、厭氧和好氧合理組合，就可使其具備脫氮除磷的功能，四川新都污水處理廠就是這樣一個A2/O形式的一體化氧化溝.其總設計水力停留時間為15h，其中厭氧段為1h，缺氧段為2h，好氧段為12h，厭氧區(qū)利用來自缺氧區(qū)的低硝態(tài)氮回流混合液，創(chuàng)造更加的除磷條件，有利于厭氧區(qū)聚磷菌的釋磷.與傳統(tǒng)A2/O工藝比較，大約可節(jié)省投資20%，占地13%，能耗20%。
（4）厭氧/好氧一體化SBR
SBR也可以與厭氧/好氧工藝結合起來構成一體化MBR膜生物反應器.反應器的上部為好氧反應池，設有曝氣系統(tǒng)和出水堰，采用SBR運行方式，可根據(jù)需要在好氧反應池的底部設計回流縫，以使好氧生物污泥可直接進入?yún)捬鯀^(qū)；下部為厭氧生物濾池，其間歇操作只有進/出水期、反應期兩個步驟，通過折板與好氧反應池相通，折板的上端是氣體收集罩.經(jīng)分析，此一體化SBR是一種經(jīng)濟、高效、靈 活、占地省的污水處理新工藝。
（5）厭氧/好氧一體化MBR
重慶大學研究開發(fā)了一種厭氧/好氧一體化MBR，反應器下部為厭氧區(qū)，接種厭氧顆粒污泥，完成大部分的COD降解；反應器上部為好氧區(qū)，內(nèi)置膜主件和曝氣裝置，接種污水處理廠的活性污泥，通過間歇式曝氣來同時達到硝化和反硝化.兩者由一個帶有中心孔的塞子隔開，厭氧區(qū)產(chǎn)生的甲烷也由此孔進入好氧區(qū)作為其反硝化的碳源.當反應器容積負荷為10.08g（COD）/Ld時，可達到99%的COD總去除率，當氨氮負荷為0.18NH+ 4 -N/ Ld時，可達到100%的去除率。
2.2.2 生物膜法與厭氧/缺氧工藝的結合
（1）好氧接觸法與上流式厭氧污泥床相結合 周琪等人開發(fā)的厭氧好氧一體化污水凈化器，其裝置為圓筒式，內(nèi)筒為上流式厭氧污泥床，外筒
為好氧接觸氧化池及沉淀池，污水 依次流經(jīng)厭氧床、好氧池和沉淀池后，從沉淀池上部出水，而彭宗銀開發(fā)的一體化污水處理裝置，其內(nèi)筒下部為上流式厭 氧污泥床，上部為好氧接觸氧化區(qū)，裝置外筒為沉淀區(qū)，兩者工藝相似，只是結構上稍有差別，上流式厭氧污泥床本來就是一種高效的污水處理裝置，與好氧接觸合理結合后，兩種裝置的處理效果良好，SS和NH+4-N去除率都較高，且投資少、占地小、管理方便。
（2）A/O一體式曝氣生物濾池
曝氣生物濾池由于其在一級強化處理的基礎上將生物氧化與過濾結合在一起，可不設沉淀工序這些突出特點而應用廣泛.劉旭東、張健等人研究開發(fā)的A/O一體式曝氣生物濾池，不但具備上述特點，還將缺氧/好氧工藝有機結合起來，采用聚乙烯懸浮有機填料，通過填料柱中曝氣區(qū)和缺氧區(qū)的合理設計，不但具有很高的SS、 COD、BOD5去除率，還具有良好的硝化、反硝化效果。
（3）好氧生物流化床與厭氧反應器的結合
四川大學開發(fā)了厭氧流化床和好氧外循環(huán)流化床組合的一體化反應器，由3個同軸的圓筒組成，廢水由底部進入內(nèi)筒厭氧區(qū)后溢流至中筒，再在中筒自上而下進入外筒好氧區(qū)底部，然后在好氧曝氣所產(chǎn)生的提升力作用下在外筒中自下而上流動.在以葡萄糖配水的試驗中，系統(tǒng)總進水COD濃度均值3601.8mg/L，總容積負荷高達4.74kg（COD）/m3d，總COD去除率均值達90.6%，適合處理高濃度有機廢水，且具有良好的脫氮能力。
成都研究開發(fā)的厭氧好氧一體化生物反應器，整個裝置也呈圓筒形式，內(nèi)筒為厭氧顆粒污泥膨脹床，外筒為好氧三相流化床，分為升流區(qū)、降流區(qū)和沉降區(qū)，系統(tǒng)運行時從反應器厭氧區(qū)底部進水，厭氧處理后的出水進入好氧區(qū)繼續(xù)降解，然后經(jīng)沉降區(qū)排水.此反應器抗沖擊能力強，可耐受高達9kg（COD）/m3d的有機負荷，在處理有機發(fā)酵廢水時，進水COD1829～4269mg/L，正常運行情況下可達到90%以上的去除率。
（4）其他一體化A/O生物膜反應器
清華大學根據(jù)A/O工藝原理設計了升流式一體化A/O生物膜反應器，裝置呈圓筒式，底部為缺氧區(qū)，采用Φ70mm球形填料，上部為好氧區(qū)，采用半軟性填料.在維持一定的回流比和反應器 內(nèi)適度的堿度可獲得良好而穩(wěn)定的脫氮效果。
大連理工大學設計了另一種形式的一體化A/O生物膜反應器，在好氧區(qū)和缺氧區(qū)之間增加一緩沖區(qū)，不僅保證了缺氧區(qū)較低的DO濃度，而且增強了反應器的抗沖擊能力，此外可在無外加水泵動力條件下實現(xiàn)硝化液的循環(huán)，具有較好的脫氮效果，節(jié)省了電耗和占地面積，DelPozoR等人采用一種一體化厭氧-好氧固定膜反應器處理屠宰場廢水，反應器中的固定填料由1400根長2m內(nèi)徑22mm的PVC豎直波形管道構成，底部有5個分開的曝氣裝置，可以通過控制他們的閉合來確定厭氧與好氧區(qū)的體積比例，由曝氣過渡區(qū)來將厭氧和好氧區(qū)分開.在平均有機負荷為0.77kg（COD）/m3d時，可取得93%的有機物去除率；在平均氮負荷為0.084kg（N）/m3d時，可取得67%的氮的去除率。
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