陳　嬌，李　冰，張　勇，3，許睿驍

（1.南京師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，江蘇南京210023；2.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇南京210029；3.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210023）

專論與綜述

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

陳嬌1，李冰2，張勇1，3，許睿驍1

（1.南京師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，江蘇南京210023；2.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇南京210029；3.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210023）

重點(diǎn)分析了非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境下廢水生物處理效果，并對其研究發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境營造了良好的硝化/反硝化條件，不僅能顯著提高系統(tǒng)去除有機(jī)物和脫氮的效率，而且能降低曝氣能耗，減少剩余污泥產(chǎn)量，在保證出水水質(zhì)的前提下降低污水處理費(fèi)用。但非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境下如何確定合適的運(yùn)行周期和DO濃度，以減少生物處理過程中溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）和溫室氣體N2O的產(chǎn)生量，將是未來值得探索的研究方向。

非穩(wěn)態(tài)DO環(huán)境；脫氮；曝氣能耗；剩余污泥量

活性污泥法是廢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〔1〕。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〔2〕。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〔3〕。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(dòng)，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〔4〕，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。

筆者在分析反應(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〔5〕；隨后在沉淀及出水的不曝氣階段，DO開始下降，降低到最初缺氧階段的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1.5 mg/L，當(dāng)曝氣停止時(shí)，DO下降到1.5 mg/L以下〔6〕。

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〔7〕。其中，近曝氣點(diǎn)區(qū)域的DO可以達(dá)到2.25 mg/L，遠(yuǎn)離曝氣點(diǎn)區(qū)域DO降至0.5 mg/L以下，甚至為0〔8〕。

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〔9〕。在停曝末，DO較低或?yàn)?，當(dāng)開始曝氣后，DO將以最大速率提高，能夠達(dá)到較高的溶氧水平〔8〕。S. Lochmatter等〔10〕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〔11〕。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〔12〕。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〔13〕。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%〔14〕。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〔15〕。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去除率最高可達(dá)86%〔16〕。G.Yilmaz等〔17〕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〔18〕。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〔19〕，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〔20〕。

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〔21〕。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%〔22〕。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(dòng)力大，溶氧效率高，因此實(shí)際節(jié)省的能耗還會更高〔23-24〕。H.Doan等〔25］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〔26〕。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〔11〕。

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(dòng)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〔27〕。S.J.Jung等〔28〕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〔29〕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〔30〕。J.J.Chang等〔31〕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)〔32〕。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〔33〕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〔34〕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。Zhen Hu等〔35〕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〔36〕。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〔37〕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。Wenming Xie等〔38〕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〔39〕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3 mg/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，最終出水中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。

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Research progress in the biological wastewater treatment under unsteady DO conditions

Chen Jiao1，Li Bing2，Zhang Yong1，3，Xu Ruixiao1
（1.Department of Environmental Science and Engineering，Nanjing Normal University，Nanjing 210023，China；2.Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science，Nanjing 210029，China；3.Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application，Nanjing 210023，China）

The effect of biological wastewater treatment under unsteady DO conditions are analyzed emphatically，and the developing trend of its research is forecast.The unsteady DO condition has constructed an appropriate nitrification/denitrification environment.It can not only increase the removing rates of organic substances and nitrogen significantly，but also reduce the energy consumption for aeration and lessen the residual sludge amount.With the precondition for guaranteeing the effluent water quality，the wastewater treatment cost is reduced.However，how to determine suitable operation cycle and DO concentration under unsteady DO conditions，so as to reduce the production of SMP and greenhouse gas N2O in the process of biological treatment，will be a worthwhile research exploring direction in the future.

unsteady DO conditions；denitrification；energy consumption for aeration；residual sludge amount

X703

A

1005-829X（2016）02-0001-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51208266）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK2012453）；江蘇省環(huán)?？蒲姓n題（2013014）；江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（KF2014007）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（164320H116）

陳嬌（1990—），碩士。電話：18351880292，E-mail：18351880292@163.com。通訊聯(lián)系人：張勇，電話：13952032601，E-mail：zy@njnu.edu.cn。

2015-11-10（修改稿）