微氣泡通常是指直徑為10 - 50 μm的微小氣泡，其在氣液傳質(zhì)及有機污染物去除方面表現(xiàn)出潛在優(yōu)勢，在廢水處理領(lǐng)域逐漸受到關(guān)注。已有研究證實微氣泡曝氣對臭氧傳質(zhì)具有強化作用，并大幅提高臭氧氧化效率和臭氧利用率;同時，微氣泡曝氣中氣含率遠大于傳統(tǒng)氣泡曝氣，在廢水處理中，能夠提高氧傳質(zhì)速率及污染物去除效果。
在廢水生物處理中，SPG ( Shirasu Porous Glass)膜微氣泡曝氣技術(shù)已成功應(yīng)用于生物膜反應(yīng)器，氧利用率可接近100 %，顯著高于傳統(tǒng)曝氣方式。然而，SPG膜在應(yīng)用中存在膜污染現(xiàn)象，對微氣泡產(chǎn)生及氧傳質(zhì)過程具有不利影響。 OHR( Original Hydrodynamic Reaction)寧昆合器微氣泡曝氣系統(tǒng)具有不堵塞、無污染、免維護、壽命長及適用于規(guī)�；瘧�(yīng)用等優(yōu)點，在廢水生物處理中具有更好的適用性。
目前，微氣泡曝氣裝置仍然存在能耗較高的問題，因此，在保證系統(tǒng)處理效果和運行穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上降低曝氣能耗是工藝改進的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化曝氣方式對于反應(yīng)器的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性具有重要作用，采用間歇曝氣能夠降低曝氣能耗，達到降低運行成本的目的。同時，間歇曝氣可以使反應(yīng)器內(nèi)微生物處于好氧/缺氧環(huán)境交替的狀態(tài)，有利于總氮(TN)的去除。有研究證實，在反應(yīng)器內(nèi)采用生物膜法與間歇曝氣結(jié)合的方式可以實現(xiàn)對碳氮的有效去除。
本研究采用OHR混合器微氣泡曝氣生物膜反應(yīng)器，處理模擬生活廢水，考察了連續(xù)曝氣和間歇曝氣方式下處理系統(tǒng)對污染物的去除效果，以及能耗變化，分析了微氣泡曝氣方式對生物膜反應(yīng)器運行性能的影響，以期為OHR混合器微氣泡曝氣在廢水好氧生物處理中的實際應(yīng)用及性能評價提供參考。
1實驗部分
1. 1實驗裝置與材料
微氣泡曝氣一生物膜反應(yīng)器處理系統(tǒng)如圖1所示。處理系統(tǒng)采用OHR混合器( MX-F8 , OHR LaboratoryCorporation , Japan)微氣泡發(fā)生裝置進行微氣泡曝氣，并控制曝氣時間和停曝時間以改變曝氣方式。反應(yīng)器為固定床生物膜反應(yīng)器，直徑為30 cm，反應(yīng)區(qū)高度為100 cm，有效容積70 L。反應(yīng)器內(nèi)采用聚丙烯懸浮球組合填料(直徑80 mm，球內(nèi)填充聚氨酷多孔填料)，多孔填料平均孔徑為0. 5一1 mm ,填充率(以多孔填料體積計)約為20%。反應(yīng)器采用底部連續(xù)進水、頂部溢流出水的方式運行。
1. 2實驗過程
反應(yīng)器接種城市污水處理廠二沉池回流污泥，初始污泥濃度(MLSS )約為0. 4 g / L 。悶曝24 h后排掉懸浮污泥，連續(xù)加入模擬生活污水，水力停留時間為12h，以促進填料上生物膜的形成。掛膜完成后，反應(yīng)器進入連續(xù)穩(wěn)定運行。穩(wěn)定運行過程分為4個階段，分別采用不同的曝氣方式(改變曝氣時間/停曝時間)，曝氣量均控制在0. 8 L /min，以保證穩(wěn)定的微氣泡曝氣狀態(tài)。各階段運行條件如表1所示。穩(wěn)定運行過程亦處理模擬生活污水，平均進水COD濃度為407. 7 mg / L ,氨氮(NH3-N)濃度為42. 4 mg/ L , TN濃度為52. 5 mg / L 。反應(yīng)器在室溫條件下運行。運行過程中，測定進出水溶解氧(DO),COD,NH3-N,TN、硝酸鹽、亞硝酸鹽濃度變化以及電能消耗，以評價反應(yīng)器運行性能。
表1 運行條件
1. 3檢測方法
COD、NH3-N、硝酸鹽和亞硝酸鹽均采用國標(biāo)方法測定 ; TN采用TOC分析儀(TOC-Vcpn，島津，日本)測定;DO采用便攜式溶解氧測定儀(WTW cellOx 325 , WTW，德國)測定，連續(xù)曝氣每日測定4次，間歇曝氣每日測定4個曝氣周期最大DO濃度(停曝前)和最小DO濃度(曝氣前)，均取平均值作為日均DO濃度;測定生物膜耗氧速率(OUR)以反映其生物活性，包括碳氧化活性和硝化活性;電能消耗采用單相電子式電能表(D D S607，德力西，中國)測定。
1. 4統(tǒng)計分析
本研究使用SPSS statistics 19軟件進行相關(guān)性分析，考察不同參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。R值表示變量間的相關(guān)關(guān)系程度和方向。R=-1表明變量之間完全負(fù)相關(guān)，R=1表明變量之間完全正相關(guān)，而R =0表明沒有相關(guān)關(guān)系。P值表示相關(guān)性系數(shù)檢驗的統(tǒng)計量顯著性概率，當(dāng)P < 0. 05時，表明相關(guān)性顯著，P<0. 0 1時，表明相關(guān)性非常顯著;當(dāng)P > 0. 05時，表明無顯著相關(guān)關(guān)系。
2結(jié)果與討論
2. 1不同曝氣方式下DO濃度變化
不同曝氣方式下反應(yīng)器內(nèi)DO濃度變化如圖2所示�？梢钥吹�，采用間歇曝氣方式，隨著停曝時間的延長，反應(yīng)器內(nèi)DO濃度明顯下降，階段1至階段4反應(yīng)器內(nèi)DO平均濃度分別為2. 47 、 1. 05、0. 54和0. 60mg / L。采用間歇曝氣的階段2一階段4，反應(yīng)器內(nèi)DO濃度在一個曝氣周期內(nèi)波動明顯，如圖3所示。階段2一階段4平均波動范圍分別為0. 65 - 1. 44 、0. 42 - 0. 65和0. 15 - 1. 22 mg / L 。和階段3相比，階段4同時延長曝氣時間和停曝時間，DO濃度波動范圍也隨之明顯增大。DO濃度變化直接影響有機物的好氧降解、硝化和反硝化過程的進行，進而對生物膜反應(yīng)器的運行性能產(chǎn)生影響。
2. 2不同曝氣方式下COD的去除性能
不同曝氣方式下反應(yīng)器進出水COD濃度、COD去除率和COD去除負(fù)荷如圖4和5所示:階段1一階段4，平均出水COD濃度分別為51. 1 ,47.1 ,95. 8和67. 8 mg / L ;平均COD去除率分別為88.5%,87.8% ,75. 3%和82. 0%;平均COD去除負(fù)荷分別為1.60,1.35,1.24和1. 29 kg / ( m3·d)。同時，DO濃度與COD的去除負(fù)荷存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(R =0. 995,P <0.01 )。因此，隨著間歇曝氣中停曝時間的延長，DO濃度下降是反應(yīng)器COD去除性能逐漸下降的主要原因。階段4 DO濃度相對階段3較高，COD的去除效果也略優(yōu)。
2. 3不同曝氣方式下氨氮的去除性能
不同曝氣方式下反應(yīng)器進出水氨氮濃度、氨氮去除率和氨氮去除負(fù)荷如圖6和7所示。階段1一階段4，平均氨氮出水濃度分別為19.6,32.9,34.7和32.9 mg / L;平均氨氮去除率分別為53. 4% ,24.8%,18.5%和20.0%;平均氨氮去除負(fù)荷分別為0. 089 , 0. 043 , 0. 031和0. 034 kg / ( m3 · d)�？梢�，階段1一階段4隨著停曝時間的增加，DO濃度下降，硝化活性受到抑制，氨氮的去除效果降低，DO濃度與氨氮去除負(fù)荷存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.997 ,P <0.01)。階段4氨氮去除效果略優(yōu)于階段3，可能由于階段4曝氣周期DO濃度波動(0. 15一1.22mg/L)大于階段3(0.42一0. 65 mg / L)，能夠出現(xiàn)較高DO濃度環(huán)境，且平均DO濃度略高，硝化活性抑制相對較弱。
2. 4不同曝氣方式下TN的去除性能
盡管階段1一階段4氨氮去除效果明顯降低，但各階段出水硝酸鹽、亞硝酸鹽濃度基本為0，無硝酸鹽積累，說明由于生物膜內(nèi)DO擴散限制而形成外部好氧、內(nèi)部缺氧環(huán)境，可以實現(xiàn)同步硝化反硝化(SND )過程。根據(jù)氨氮去除量和硝酸鹽積累量計算各階段SND效率，均約為100 %。
反應(yīng)器內(nèi)SND過程有利于TN去除。不同曝氣方式下反應(yīng)器進出水TN濃度、TN去除率和 TN去除負(fù)荷如圖8和9所示。階段1一階段4，平均TN出水濃度分別為30. 0 、35. 1 、40. 2和39. 0 mg / L ;平均TN去除率分別為43.4% ,32.8% ,22. 0%和26.5 %;平均TN去除負(fù)荷分別為0. 092 、 0. 069 、 0. 045和0. 057 kg/(m3·d) 。
可以看到，階段1一階段4 TN去除性能也逐漸下降，其原因是TN去除依賴于SND效果，DO濃度降低有利于反硝化過程而不利于硝化過程，而各階段DO濃度與TN去除負(fù)荷存在顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.957 ,P <0.05)，表明硝化作用是SND過程的限速步驟，因此TN去除隨著氨氮去除效果的下降而下降。同時，TN去除性能下降的幅度低于氨氮去除性能的下降幅度，因此，SND過程可能是TN去除的主要但不是唯一途徑。低DO濃度下，生物膜內(nèi)TN去除可能還包含其他生物脫氮過程，包括短程硝化反硝化過程、短程硝化厭氧氨氧化過程等。
階段4 DO濃度波動大于階段3，好氧/缺氧環(huán)境交替更為顯著，有助于不同生物脫氮過程的進行，因此TN去除性能更高。此外，階段4 TN去除負(fù)荷比階段3高0. 012 kg/(m3·d)，按照反硝化過程中C:N理論最低值2.86:1，階段4 COD去除負(fù)荷應(yīng)比階段3高0. 034 kg/(m3·d) 以上，接近于實際運行中的0. 050 kg/(m3·d) �？梢�，階段4 TN去除對COD的消耗是其COD去除略優(yōu)于階段3的另一主要原因。
2. 5不同曝氣方式下生物膜活性
階段1一階段4運行末期取填料上生物膜樣品，測定各階段生物膜耗氧速率，以反映其好氧生物活性變化，結(jié)果如圖10所示。階段1一階段4，生物膜總氧化活性分別為63. 03 、51. 32 、47. 74和49. 66 mg O2·(gVSS·h)-1;碳氧化活性分別為41. 11、 40. 82、36. 93和38. 21 mg 02·( g VSS·h)-1;硝化活性分別為20. 92、13. 50 、10. 81和11. 45 mg O2 · ( g VSS · h) -1�？梢�，階段1一階段4隨著停曝時間的增加和DO濃度降低，生物膜好氧生物活性有所降低，特別是硝化活性下降更為顯著。同時，生物膜好氧生物活性降低與COD和氨氮去除效果下降的趨勢相一致。
2. 6不同曝氣方式下能耗評價
在不同的曝氣方式下，階段1一階段4卑位COD去除所需能耗分別為0. 129,0. 1120. 830和0. 797kWh·(g COD)-1，單位氨氮去除所需能耗分別為2. 31 、3. 53 、3. 32和3. 03 kWh·(g NH3-N)-1，單位TN去除所需能耗分別為2. 24 、2. 20 、2. 29和1. 80 kWh · ( g TN)-1�？梢�，采用間歇曝氣減少曝氣時間后，能耗降低，但供氧能力下降，DO濃度降低，污染物去除性能均有所下降。COD去除性能受供氧能力影響較小，因此，單位COD去除所需能耗降低。硝化過程對氨氮的去除受供氧能力影響較大，因此，單位氨氮去除所需能耗有所升高。單位TN去除所需能耗基本不變，其原因可能是TN去除涉及多種生物脫氮過程，其受供氧能力影響較為復(fù)雜，在不同的供氧能力下存在轉(zhuǎn)換和平衡機制。具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3結(jié)論
1 ) OHR混合器微氣泡曝氣生物膜反應(yīng)器可以實現(xiàn)廢水中碳氮同步去除，連續(xù)曝氣時COD、NH3-N和TN平均去除負(fù)荷分別為1. 71 、0. 068和0. 058 kg · ( m3·d)-1。
2)生物膜反應(yīng)器采用微氣泡間歇曝氣，隨著曝氣時間的減少，DO濃度下降，反應(yīng)器COD和氨氮去除性能隨之降低;COD和氨氮去除效果下降與生物膜好氧生物活性降低相一致。受硝化作用抑制影響，同步硝化反硝化過程對TN的去除性能也有所降低。
3)采用微氣泡間歇曝氣能夠降低曝氣能耗。同時，隨著曝氣時間減少，單位COD去除所需能耗降低，單位氨氮去除所需能耗有所升高，單位總氮去除所需能耗基本不變。
