用于廢水處理的生物反應(yīng)器種類繁多且歷史悠久，一體化反應(yīng)器作為其中一類較新的生物反應(yīng)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(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞，在各類廢水處理中獲得了廣泛應(yīng)用。
1、較早的一體化生物反應(yīng)器
傳統(tǒng)的廢水處理方法通常由多個(gè)單元操作組成，但工藝流程過于復(fù)雜，針對(duì)此弊端，一體化反應(yīng)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(shè)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(dāng)時(shí)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(dú)的二沉池，此后，一體化氧化溝的概念 在20世紀(jì)80年代初由美國(guó)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(shè)污泥回流泵等相關(guān)設(shè)施，大幅度節(jié)省了基建投資，還可降低能耗和運(yùn)行費(fèi)用；管理方便，能承受較大的沖擊負(fù)荷。其應(yīng)用迅速而廣泛，多用于城市污水的處理，截至2001年，美國(guó)已建有近百座一體化氧化溝。
1.2 SBR反應(yīng)器
到了20世紀(jì)70年代，序批式反應(yīng)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(gè)SBR反應(yīng)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(zhì)水量和固液分離；另外，它提供了一種在時(shí)間上進(jìn)行各種目的的操作方法.由于無需再另設(shè)調(diào)節(jié)池、沉淀池及污泥回流設(shè)備，因此簡(jiǎn)化了工藝，節(jié)省了占地面積和投資運(yùn)行費(fèi)用；另外還能靈活適應(yīng)水質(zhì)的變動(dòng)；具有耐沖擊負(fù)荷和反應(yīng)推動(dòng)力大、能夠有效地抑制污泥膨脹的發(fā)生、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn).被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)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(yīng)器
一體式MBR膜生物反應(yīng)器是膜生物反應(yīng)器MBR（membranebioreactor）中的一類，1989年首先由日本學(xué)者Yamamoto開發(fā)出來，它是將MBR膜組件置于MBR膜生物反應(yīng)器中進(jìn)行固液分離，以此 代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥法的二沉池.其運(yùn)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(jié)構(gòu)緊湊、體積小、活性污泥易于清洗等優(yōu)點(diǎn).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(zhì)，硝化能力更強(qiáng)，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(yīng)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(yán)重，透水率較低，在運(yùn)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(yīng)器形式較單一，主要將生物反應(yīng)與固液分離相結(jié)合來實(shí)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(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展導(dǎo)致生活污水及工業(yè)廢水的污染日趨嚴(yán)重，由于布局分散、數(shù)量大，特別適合運(yùn)行成本低、管理操作簡(jiǎn)便、占地小的一體化污水生物反應(yīng)器來處理，因此，結(jié)合傳統(tǒng)污水處理工藝，在不斷的改進(jìn)下，越來越多的一體化MBR膜生物反應(yīng)器被開發(fā)出來，并得到了廣泛的應(yīng)用。
2.1 主體工藝的改進(jìn)
以活性污泥法為主體的一體化反應(yīng)器，其抗沖擊負(fù)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(zhì)水量穩(wěn)定的生活污水等處理.生物膜法采用細(xì)胞固定化技術(shù)，生物量大大提高，相對(duì)于活性污泥法有較強(qiáng)的抗沖擊能力，污泥產(chǎn)量低且沉降性好，動(dòng)力費(fèi)用低，管理方便，將其應(yīng)用在一體化MBR膜生物反應(yīng)器中具有特有的優(yōu)勢(shì)。
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(yīng)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(zhì)輕、高強(qiáng)、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，比表面積大，生物膜附著能力強(qiáng)，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(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程污水處理廠采用的一體化污水處理設(shè)備是將一沉池、Ⅰ、Ⅱ級(jí)接觸氧化池、 二沉池、污泥池集中一體的設(shè)備，可設(shè)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(jiǎn)單，出水水質(zhì)穩(wěn)定，污泥產(chǎn)量少并易于處理.日污水處理量可達(dá)4000t/d，進(jìn)水COD400mg/L，BOD200mg/L，SS200mg/L， 出水COD120mg/L，BOD30mg/L，SS30mg/L，達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)。
2.1.2 以生物轉(zhuǎn)盤為主體工藝
華南理工大學(xué)結(jié)合傳統(tǒng)的生物轉(zhuǎn)盤，開發(fā)出新一代集成一體化生物轉(zhuǎn)筒反應(yīng)器IBDR（integralbiologicaldrumreactor）.IBDR集篩濾池、流量控制器、生物轉(zhuǎn)筒反應(yīng)器和二沉池于一體，其核心生物轉(zhuǎn)筒反應(yīng)器利用比表面積大的填料代替?zhèn)鹘y(tǒng)生物轉(zhuǎn)盤的盤片，可完成污水85%的凈化.IBDR工藝簡(jiǎn)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(jí)明顯，特別適用于處理對(duì)設(shè)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(jìn)水COD600～1200mg/L，出水COD150～250mg/L，處理效率高達(dá)82%，比傳統(tǒng)生物轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤，生物流化床污泥濃度更高，耐沖擊負(fù)荷能力更強(qiáng)，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(shè)計(jì)出了高效的厭氧好氧一體化反應(yīng)器，比其他形式的一體化反應(yīng)器具有更高的有機(jī)負(fù)荷和更好的適應(yīng)性。
2.2 單一工藝向組合工藝的改進(jìn)
單獨(dú)好氧法處理廢水時(shí)，不但有機(jī)負(fù)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(dá)到理想的效果，且能提高系統(tǒng)負(fù)荷，使 COD、BOD降解更為徹底，提高出水水質(zhì)，一體化生物反 應(yīng)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(jié)合
（1）AmOn一體化生物反應(yīng)器
由同濟(jì)大學(xué)研究開發(fā)，集反應(yīng)、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(yùn)行條件可以靈活地控制反應(yīng)“程度”，此反應(yīng)器活性污泥濃度高，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，能適合不同進(jìn)水水質(zhì)的有機(jī)廢水處理，可通過自控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，沿反應(yīng)進(jìn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)曝氣量和攪拌程度，根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)脫氮和除磷. 目前已成功應(yīng)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(yīng)器有相似之處，其主體是一個(gè)被分隔成5個(gè)單元的矩形反應(yīng)池，5池間水力相連通，每池都設(shè)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(jìn)入除中間一池以外的任一池，通過各個(gè)池子的交替進(jìn)水和邊池的交替出水，在不同的時(shí)間和空間上經(jīng)歷厭氧、缺氧、好氧和沉淀過程，從而實(shí)現(xiàn)A2/O工藝的各段功能，具有良好的除磷脫氮效果，同時(shí)自動(dòng)完成污泥回流.此系統(tǒng)布置緊湊，用地節(jié)省，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行費(fèi)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(jìn)水COD160～245mg/L，NH3-N19～28mg/L，TN28～35mg/L，TP1.5～3mg/L，停留時(shí)間15h，各指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)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(jié)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(gè)A2/O形式的一體化氧化溝.其總設(shè)計(jì)水力停留時(shí)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(jié)合起來構(gòu)成一體化MBR膜生物反應(yīng)器.反應(yīng)器的上部為好氧反應(yīng)池，設(shè)有曝氣系統(tǒng)和出水堰，采用SBR運(yùn)行方式，可根據(jù)需要在好氧反應(yīng)池的底部設(shè)計(jì)回流縫，以使好氧生物污泥可直接進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)；下部為厭氧生物濾池，其間歇操作只有進(jìn)/出水期、反應(yīng)期兩個(gè)步驟，通過折板與好氧反應(yīng)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(jì)、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(xué)研究開發(fā)了一種厭氧/好氧一體化MBR，反應(yīng)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(yīng)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(shí)達(dá)到硝化和反硝化.兩者由一個(gè)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(jìn)入好氧區(qū)作為其反硝化的碳源.當(dāng)反應(yīng)器容積負(fù)荷為10.08g（COD）/Ld時(shí)，可達(dá)到99%的COD總?cè)コ�，�?dāng)氨氮負(fù)荷為0.18NH+ 4 -N/ Ld時(shí)，可達(dá)到100%的去除率。
2.2.2 生物膜法與厭氧/缺氧工藝的結(jié)合
（1）好氧接觸法與上流式厭氧污泥床相結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jí)強(qiáng)化處理的基礎(chǔ)上將生物氧化與過濾結(jié)合在一起，可不設(shè)沉淀工序這些突出特點(diǎn)而應(yīng)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(diǎn)，還將缺氧/好氧工藝有機(jī)結(jié)合起來，采用聚乙烯懸浮有機(jī)填料，通過填料柱中曝氣區(qū)和缺氧區(qū)的合理設(shè)計(jì)，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(yīng)器的結(jié)合
四川大學(xué)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(yīng)器，由3個(gè)同軸的圓筒組成，廢水由底部進(jìn)入內(nèi)筒厭氧區(qū)后溢流至中筒，再在中筒自上而下進(jìn)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(dòng).在以葡萄糖配水的試驗(yàn)中，系統(tǒng)總進(jìn)水COD濃度均值3601.8mg/L，總?cè)莘e負(fù)荷高達(dá)4.74kg（COD）/m3d，總COD去除率均值達(dá)90.6%，適合處理高濃度有機(jī)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(yīng)器，整個(gè)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(yùn)行時(shí)從反應(yīng)器厭氧區(qū)底部進(jìn)水，厭氧處理后的出水進(jìn)入好氧區(qū)繼續(xù)降解，然后經(jīng)沉降區(qū)排水.此反應(yīng)器抗沖擊能力強(qiáng)，可耐受高達(dá)9kg（COD）/m3d的有機(jī)負(fù)荷，在處理有機(jī)發(fā)酵廢水時(shí)，進(jìn)水COD1829～4269mg/L，正常運(yùn)行情況下可達(dá)到90%以上的去除率。
（4）其他一體化A/O生物膜反應(yīng)器
清華大學(xué)根據(jù)A/O工藝原理設(shè)計(jì)了升流式一體化A/O生物膜反應(yīng)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(yīng)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(xué)設(shè)計(jì)了另一種形式的一體化A/O生物膜反應(yīng)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(qiáng)了反應(yīng)器的抗沖擊能力，此外可在無外加水泵動(dòng)力條件下實(shí)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(yīng)器處理屠宰場(chǎng)廢水，反應(yīng)器中的固定填料由1400根長(zhǎng)2m內(nèi)徑22mm的PVC豎直波形管道構(gòu)成，底部有5個(gè)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(jī)負(fù)荷為0.77kg（COD）/m3d時(shí)，可取得93%的有機(jī)物去除率；在平均氮負(fù)荷為0.084kg（N）/m3d時(shí)，可取得67%的氮的去除率。
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