非穩(wěn)態(tài)溶解氧環(huán)境下廢水生物處理研究進(jìn)展

非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境：

非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境是指處理過程中反應(yīng)器內(nèi)的DO濃度呈現(xiàn)為不穩(wěn)定狀態(tài)，此環(huán)境可以營造良好的好氧硝化/缺氧反硝化交替過程，在顯著節(jié)能的同時(shí)還可提高系統(tǒng)去除有機(jī)物及脫氮的效果?；钚晕勰喾ㄊ菑U水處理過程中廣泛使用的方法。在傳統(tǒng)的好氧處理中，連續(xù)穩(wěn)定的曝氣可使反應(yīng)器內(nèi)保持穩(wěn)定的溶解氧(DO)環(huán)境，滿足硝化對氧的需求，但不能實(shí)現(xiàn)缺氧反硝化，因此，雖能達(dá)到一定的氨氮去除效果，但總氮去除效果較差。非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境是指處理過程中反應(yīng)器內(nèi)的DO濃度呈現(xiàn)為不穩(wěn)定狀態(tài)，此環(huán)境可以營造良好的好氧硝化/缺氧反硝化交替過程，在顯著節(jié)能的同時(shí)還可提高系統(tǒng)去除有機(jī)物及脫氮的效果。

SBR、氧化溝、混合脈沖等工藝在運(yùn)行中都具有非穩(wěn)定DO環(huán)境的特征。SBR使整個(gè)工作周期呈間歇曝氣方式運(yùn)行，可在同一反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)交替好氧、缺氧環(huán)境。傳統(tǒng)氧化溝工藝的曝氣池是循環(huán)式溝渠，污水和活性污泥混合液在其中流動，利用轉(zhuǎn)刷曝氣提供溶解氧并使混合液處于完全混合狀態(tài);由于曝氣裝置只安裝在氧化溝的一處或幾處，反應(yīng)器內(nèi)DO濃度頻繁變化。脈沖曝氣是在好氧活性污泥法的基礎(chǔ)上將連續(xù)曝氣改為脈沖曝氣，從而實(shí)現(xiàn)高、低DO濃度交替的環(huán)境，提高脫氮除磷的效率。

在分析反應(yīng)器內(nèi)非穩(wěn)態(tài)DO濃度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，綜述了非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境下廢水生物處理效果及研究現(xiàn)狀，并對其研究發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，以期為廢水處理提供一條節(jié)能降耗并達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)處理效果的途徑。

1、 非穩(wěn)態(tài)DO變化規(guī)律

在SBR工藝中，系統(tǒng)進(jìn)水、沉淀期間為缺氧階段，DO較低，當(dāng)開始曝氣反應(yīng)時(shí)，DO上升，但由于污水負(fù)荷較高，DO上升幅度不大;隨著污水中有機(jī)物的降解，微生物的需氧量減少，于是DO上升幅度增大;隨后在沉淀及出水的不曝氣階段，DO開始下降，降低到初缺氧階段的DO濃度，并持續(xù)到下一曝氣階段。正常情況下，曝氣階段DO高于1.5mg/L，當(dāng)曝氣停止時(shí)，DO下降到1.5 mg/L以下。

在傳統(tǒng)氧化溝中，由于采用表曝機(jī)供氧、推流，易于形成DO梯度。近曝氣點(diǎn)區(qū)域DO濃度高，離曝氣點(diǎn)越遠(yuǎn)，DO濃度越低，因此在同一溝渠形成了交替好氧和缺氧的區(qū)域，多溝條件下更明顯。其中，近曝氣點(diǎn)區(qū)域的DO可以達(dá)到2.25mg/L，遠(yuǎn)離曝氣點(diǎn)區(qū)域DO降至0.5 mg/L以下，甚至為0。

在脈沖曝氣方式下，1個(gè)工作周期內(nèi)，曝氣瞬間DO急劇升高，之后穩(wěn)定在某一范圍，此時(shí)系統(tǒng)為好氧狀態(tài);停曝瞬間DO會急劇下降，之后維持在某一較低值，系統(tǒng)處于缺氧或厭氧狀態(tài)。曝氣/停曝頻繁交替強(qiáng)化了系統(tǒng)好氧—缺氧—厭氧環(huán)境的交替變化。在停曝末，DO較低或?yàn)?，當(dāng)開始曝氣后，DO將以大速率提高，能夠達(dá)到較高的溶氧水平。S.Lochmatter等發(fā)現(xiàn)，在脈沖曝氣方式下，曝氣時(shí)，DO迅速上升，可達(dá)到飽和溶解氧的50%，并在曝氣階段維持相對穩(wěn)定;停曝時(shí)，DO迅速下降到0，并持續(xù)到下一周期曝氣開始。

2、 非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境下廢水生物處理效果

2.1 非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境下廢水有機(jī)物的去除及脫氮效果分析

在廢水處理中，連續(xù)穩(wěn)定的曝氣易導(dǎo)致硝化菌長期積累，抑制反硝化作用的發(fā)生。而非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境下的周期性好氧、缺氧、厭氧環(huán)境，可使活性污泥絮體內(nèi)部形成適宜的DO梯度分布。在DO濃度較高的時(shí)段或區(qū)域，硝化細(xì)菌將氨態(tài)氮氧化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，而在DO濃度較低的時(shí)段或區(qū)域，反應(yīng)池內(nèi)處于缺氧狀態(tài)，微生物利用有機(jī)物為氫供體使硝態(tài)氮反硝化，還原成N2或NxOy后排入大氣，從而達(dá)到脫氮目的。同時(shí)在缺氧階段NO3--N以及NO2--N能夠代替分子O2作電子受體，繼續(xù)氧化污水中的有機(jī)污染物，進(jìn)而能夠降低好氧階段的有機(jī)負(fù)荷。在SBR處理屠宰廢水工藝中，當(dāng)曝氣50 min，停曝50 min時(shí)，廢水中COD、TN的去除率可分別達(dá)到97%和94%。通過改變CASS工藝的運(yùn)行方式，采用好氧脈沖曝氣，當(dāng)曝氣、停曝時(shí)間分別為5、5 min時(shí)，有機(jī)物及氮的去除率都能達(dá)到80%以上。此外，通過控制氧化溝DO濃度及分布，可以實(shí)現(xiàn)氧化溝外溝道內(nèi)的同時(shí)硝化反硝化生物脫氮，TN去除率高可達(dá)86%。G. Yilmaz等通過好氧活性污泥實(shí)驗(yàn)研究指出：停曝階段DO迅速降低，導(dǎo)致污泥顆粒絮凝成的緊密污泥床結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)完全缺氧的環(huán)境，因此發(fā)生了停曝階段的反硝化脫氮，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的脫氮效率。采用非穩(wěn)態(tài)的曝氣方式，當(dāng)DO從3.5~5.0 mg/L降低到0.5~1.2 mg/L時(shí)，系統(tǒng)的脫氮率可以達(dá)到94.9%，且無需外加碳源。這是由于反硝化程度取決于缺氧階段有機(jī)碳的供給程度，非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境有利于節(jié)省碳源消耗，使更多的碳源用于反硝化脫氮，從而提高了系統(tǒng)整體脫氮效率。

2.2 非穩(wěn)態(tài)曝氣方式下的系統(tǒng)能耗

近年來的研究表明，非穩(wěn)態(tài)的曝氣方式能夠在出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上節(jié)省大量曝氣能耗，而且該種曝氣方式能很好地運(yùn)用于普通好氧活性污泥法的改造中。與連續(xù)曝氣相比，采用非穩(wěn)態(tài)的曝氣方式縮短了曝氣時(shí)間，其曝氣量可比連續(xù)曝氣節(jié)省33%。另外，非穩(wěn)態(tài)的DO環(huán)境由于存在DO濃度梯度，因而每次曝氣時(shí)氧轉(zhuǎn)移的推動力大，溶氧效率高，因此實(shí)際節(jié)省的能耗還會更高。H. Doan等進(jìn)行了利用非穩(wěn)態(tài)曝氣改造普通的好氧連續(xù)曝氣工藝實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)定一個(gè)適當(dāng)?shù)耐Ｆ?曝氣時(shí)間循環(huán)時(shí)，在一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)過程中，在BOD5完全去除的基礎(chǔ)上，和普通的好氧連續(xù)曝氣相比，非穩(wěn)態(tài)曝氣能夠節(jié)省約27%~58%的能源。

MBR由于能耗較傳統(tǒng)工藝更高，其推廣應(yīng)用受到了限制，而利用脈沖曝氣可以減少M(fèi)BR膜擦洗風(fēng)量，并能通過高、低DO濃度切換降低MBR的能耗。在生物接觸氧化法中，由于連續(xù)曝氣使水中懸浮物和老化生物膜黏附在填料表面，阻礙了水體與生物膜之間的物質(zhì)交換。采用脈沖曝氣，短時(shí)間、高強(qiáng)度的曝氣能有效沖刷生物膜表面，促進(jìn)生物膜更新及物質(zhì)交換，其效果好于傳統(tǒng)的連續(xù)曝氣，可以節(jié)省60%~80%氣量。

2.3 非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境下的剩余污泥量

在大多數(shù)廢水生物處理工藝中，微生物生長產(chǎn)生的大量剩余污泥是廢水處理過程中面臨的重要問題。而非穩(wěn)態(tài)的DO變化可給微生物提供一個(gè)交替好氧和厭氧的環(huán)境，使細(xì)菌在好氧階段所獲ATP不能立即用于合成新的細(xì)胞，而是在厭氧段作為維持細(xì)胞生命活動的能量被消耗，微生物分解和合成代謝相對分離，細(xì)菌的凈合成量降低，進(jìn)而污泥產(chǎn)量減少。S. J. Jung等通過對比試驗(yàn)得出：運(yùn)用非穩(wěn)態(tài)曝氣方式，營造好氧/厭氧的微生物生長環(huán)境，能夠降低剩余污泥量，且曝氣/停曝循環(huán)周期越短，剩余污泥量降低越明顯。黃天寅等研究發(fā)現(xiàn)，在間歇曝氣期間，細(xì)胞靠混合液中硝酸鹽所釋放出的低分子氧進(jìn)行呼吸，由于無機(jī)電子接受體氧化還原電位比氧高，因而在缺氧呼吸中釋放的ATP也較少。

好氧和厭氧的微生物環(huán)境變化導(dǎo)致專性需氧或厭氧微生物的死亡并被其他細(xì)菌所利用，提高了污泥細(xì)胞自身的氧化速率，從而降低了剩余污泥產(chǎn)量。J. J. Chang等的浸入式膜生物反應(yīng)器試驗(yàn)研究結(jié)果表明，與穩(wěn)態(tài)的DO環(huán)境相比，非穩(wěn)態(tài)的DO環(huán)境不僅使細(xì)菌微生物能夠適應(yīng)好氧/缺氧的環(huán)境，而且能夠大大提高污泥中細(xì)菌的數(shù)量，從而增強(qiáng)細(xì)菌自身的氧化和代謝能力，降低剩余污泥產(chǎn)量。

3、 非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境下廢水生物處理研究展望

在廢水生物處理中，硝化和反硝化脫氮過程會產(chǎn)生大量的溫室氣體N2O，其產(chǎn)生量與DO濃度密切相關(guān)。目前，關(guān)于非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境對N2O排放通量的影響尚無明確定論。J.H. Ahn等通過對美國12個(gè)污水處理廠N2O排放通量進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，頻繁交替的好氧/缺氧環(huán)境會提高N2O的排放通量。因?yàn)榉欠€(wěn)態(tài)的DO環(huán)境溶氧效率高，充氧能力強(qiáng)，而較高DO濃度是硝化過程中N2O產(chǎn)生的主要原因。Y.Kimochi等則通過非穩(wěn)態(tài)曝氣處理城鎮(zhèn)污水的試驗(yàn)指出，相對于傳統(tǒng)的持續(xù)曝氣，非穩(wěn)態(tài)曝氣營造的非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境可減少系統(tǒng)中N2O的排放，且好氧階段時(shí)間越短，N2O排放通量越低。ZhenHu等通過研究提出，非穩(wěn)態(tài)曝氣營造的好氧/厭氧環(huán)境有利于節(jié)省碳源的消耗，使缺氧反硝化碳源供應(yīng)較為充足，從而減少N2O的排放。因此，如何控制合適的DO濃度和好氧/缺氧階段的比例是非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境下減少N2O排放通量的關(guān)鍵。

另外，廢水生物處理中存在大量的SMP(溶解性微生物產(chǎn)物)，其生物降解性較差，不僅使系統(tǒng)出水有機(jī)物含量無法達(dá)標(biāo)，而且還會影響活性污泥的性能。目前，關(guān)于非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境對SMP產(chǎn)生量的影響也無明確定論。范吉等通過SBR處理生活污水試驗(yàn)指出，相對于傳統(tǒng)的好氧條件，好氧/缺氧運(yùn)行方式營造的非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境能夠降低出水中SMP產(chǎn)出量，這是因?yàn)槲⑸锾幱诤醚醐h(huán)境的時(shí)間減少，導(dǎo)致了SMP的產(chǎn)生量減少。

等則通過SBR工藝處理合成廢水試驗(yàn)指出，非穩(wěn)態(tài)的DO環(huán)境溶氧效率高，充氧能力強(qiáng)，不僅縮短了缺氧段的反應(yīng)時(shí)間，而且提高了反應(yīng)器內(nèi)的DO水平，較高DO濃度導(dǎo)致了SMP的產(chǎn)生量增加。S.G. Lu等在對MBR工藝的研究中指出，盡管在較低的DO濃度條件下，生物量活性的降低導(dǎo)致SMP的產(chǎn)生量減少，但SMP的生物降解性會降低;當(dāng)DO上升到3mg/L時(shí)，較高的DO濃度使反應(yīng)器內(nèi)微生物代謝活性增強(qiáng)，SMP的產(chǎn)生量必然高于低DO濃度條件下的產(chǎn)生量，但SMP的生物降解性會提高，終出水中SMP的含量將取決于不同DO濃度下SMP產(chǎn)生量與降解量的差值。因此，在非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境下，如何控制合適的DO濃度以及建立非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境下可控的SMP生成與降解模型，以優(yōu)化污水處理效果、保證出水水質(zhì)的研究將顯得越來越重要。