小流量分散型污水处理生物反应器试验研究

3.2生物反应器内污泥浓度(MLSS)及污泥体积指数(SVI)变化情况

生物反应器在运行期间未从反应区主动进行排泥，系统内的MLSS是常规活性污泥污水厂的4倍，可以稳定达到10000mg˙L-1以上(图3).污泥经过截留池的沉降，通过污泥回流装置回到曝气池，因此，较重的污泥经过自动重力遴选保留在生物反应器中.终沉池只对出水进行澄清，产生的污泥量很少，可以通过排泥装置排出.MLSS在接种后开始迅速上升，20d左右达到10000mg˙L-1左右.工况Ⅲ由于设备重新移动，使得污泥量减少，但之后很快重新达到稳定状态.污泥体积指数逐渐上升并稳定在80~100mL˙g-1，显示出良好的污泥沉降性能.在工况Ⅴ和Ⅵ，生物反应器中平均水温降至10℃以下，没有出现污泥膨胀现象，这与前期研究的结果一致(Liuetal.,2017).工况Ⅶ进入春、夏季，温度回升，MLSS达到12000mg˙L-1以上，并随着污泥量的增多，其污泥体积指数略有下降.

图3生物反应器中污泥浓度及污泥沉降指数比较

3.3对COD的去除效果

生物反应器对COD的去除效果见图4，各工况的出水COD见表3.可以看出，进水COD波动较大，但生物反应器对COD的去除率在运行期间稳定达到90%以上.生物反应器中可以维持很高的污泥浓度，保证其面对水质波动变化时具有较好的适应能力.调整工况后对COD的去除效果影响不大，可能是因为异养菌对溶解氧的亲和力强于自养菌，因此，在溶解氧较低的状态下，异养菌将会率先利用氧气进行代谢活动，可以较好地代谢水中的COD(殷峻等，2013).

图4生物反应器进出水COD及去除率

3.4对氮的去除效果

对于NH4+-N的去除，生物反应器在接种后短时间内即达到良好的硝化效果(图5a).工况Ⅰ的曝气阶段平均溶解氧浓度为1.64mg˙L-1，时长为60min，良好的硝化效果显示其曝气量充足，使曝气阶段污水中的氨氮达到充分转化.而在停曝混合阶段(时长60min)，进水的氨氮因为生物反应器的稀释作用，没有在出水中积累，使得氨氮达到较好的去除效率，在90%以上.但出水TN由于NH4+-N转化为NO3--N，并没很好地从系统中脱除，TN出水浓度在20mg˙L-1左右(表3)，去除率在40%左右(图5c).随后调整停曝时间至90min(工况Ⅱ)，这时曝气时间比降为0.47(表1)，NH4+-N去除略有波动仍可保持在90%以上，脱氮效率略有提高.当调整至工况Ⅲ时，停曝时间增长至150min，曝气时间比进一步下降至0.33.停曝时间的加长及污泥量变化使生物反应器中硝化反应受到影响，出水的NH4+-N提高，而NO3--N进一步降低.由于生物反应器反硝化作用的加强，脱氮效率进一步提升至50%.在进水流量一定时，可通过调节曝气时间比、增加停曝时间，提高系统反硝化效率，进而提高脱氮效率.需要注意的是，曝气时间过短会造成NH4+-N氧化不充分，出水NH4+-N浓度增加，而过长会造成反硝化阶段没有足够的碳源进行反硝化.

图5生物反应器运行进出水NH4+-N(a)、NO3--N(b)、TN(c)浓度及去除率

随后工况Ⅳ减少停曝时间至90min，曝气时间比为0.53，调低混合液回流比至1.5，生物反应器维持稳定的氨氮去除效果，脱氮效率约为55%~60%.与前期工况Ⅱ相比，该工况在保证硝化效果的情况下，脱氮效率有一定的提升.这是因为减小混合液回流后，回到混合池的混合液携带的溶解氧减少，使混合池维持较好的缺氧条件，提升反硝化效果.具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

考虑到曝气过大会影响脱氮效果，随后工况Ⅴ减低曝气上限设定值至1.5mg˙L-1，间歇曝气池的平均DO浓度降为0.88mg˙L-1，同时调节流量至50m3˙d-1，调长停曝时间为110min，曝气时间比为0.41.此时出水NH4+-N浓度明显升高，运行阶段平均浓度为(10.0±4.3)mg˙L-1(表3).由于池中平均DO浓度降低、HRT减小、曝气时间比减小，一方面使得NH4+-N硝化反应没有完全，另一方面使得NH4+-N在较长的缺氧时段积累.NO3--N浓度较前期工况明显降低，TN的去除率略有下降.考虑到冬季微生物的活性较低，为保持较好的硝化效果，调整为工况Ⅵ，降低了进水流量并增加了曝气时长.虽曝气时间比增长为0.48并提高了HRT，但硝化没有完全，NH4+-N的去除效果波动，出水TN仍维持在17~22mg˙L-1，去除率约为50%~70%.当水量变化时，水量的大小影响到营养物质输送的多少，在一定污泥量和呼吸强度情况下，水量会对出水效果有影响，因此，需要适当地调节间歇曝气时间比来保证处理效果.冬季脱氮效率的减小，可以通过延长曝气时间和污泥龄的方式进行一定的补偿，提高硝化效率，但总氮的脱除仍然受一定的影响，可以考虑添加一定的碳源物质进行补充.

随后工况Ⅶ将停曝时间稍降低，间歇曝气池中平均溶解氧浓度为1.0mg˙L-1，保持曝气时长，继续监测处理效果3个月.随着运行时间的加长，生物反应器中种群达到稳定，出水NH4+-N、TN都可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级A排放标准，NH4+-N去除率在90%以上，TN去除率在70%~80%.对比工况Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ与前期工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅱ，当进水流量升高时，可通过同时增加曝气时间比与循环时长来提高脱氮效率.

Dey等(2011)通过模拟间歇曝气生物反应器发现，这类反应器最佳曝气时长应该占整个循环周期的50%~60%，而最佳的循环周期应该控制在2~3h范围内，在此条件下可以达到较好的脱氮效果.另外，较高的污泥浓度可以促进反应器中反硝化的进行，Sarioglu等(2009)通过对MBR同步硝化反硝化的研究，提出当反应器中污泥浓度达到较高水平时(25000~30000mg˙L-1)，污泥的衰减可以支持内源反硝化;另一方面，较高浓度的污泥可以聚集形成内部的缺氧区，可以促进同步硝化反硝化的进行.本研究得到结果与以上研究结论相近，差别主要来自于实际应用中污泥浓度与菌群的不同，以及实验环境和工况条件的不同.

3.5对磷的去除效果

生物反应器在运行期间未从反应区主动排泥，沉淀剩余污泥由终沉池排出，经由产泥系数及污泥量计算，生物反应器SRT约为50d.在秋、冬运行期间(工况Ⅰ~Ⅵ)，出水的总磷浓度平均约为1.65mg˙L-1(表3)，对总磷的去除效果约为60%.工况Ⅶ，磷的进水浓度有较大的提升，但出水浓度却逐渐降至1mg˙L-1以下，满足国家城镇污水处理厂污染物排放标准1级B标准.随着生物反应器中污泥浓度的提升，去除率达到80%以上.根据前期研究，间歇曝气可在混合池制造厌氧和缺氧的环境，而在间歇曝气池制造出缺氧和好氧的环境有利于聚磷菌(PAOs)的生长，进而促进了处理中磷的去除(Liuetal.,2017).另外，间歇曝气降低了回流至缺氧区的硝酸盐氮的浓度，减小了硝酸盐氮对厌氧释磷的影响，进而营造出适宜聚磷菌生长的环境，使得磷的去除不仅仅是通过同化作用去除，还强化了生物除磷性能(侯红勋等，2009).为达到更理想的总磷去除效果，可以考虑增加反应区定期排泥，并同时辅以化学除磷.

图6生物反应器运行进出水总磷浓度及去除率

4结论(Conclusions)

1)连续流间歇曝气前缺氧生物反应器可以维持较高的污泥浓度，较好地去除生活污水中的COD.稳定运行后，COD去除率可达90%以上.

2)在脱氮效率方面，当水量一定时，可通过调低曝气时间比，增加停曝时间，提高脱氮效率;在曝气强度一定时，可以调低混合液回流比，提高脱氮效率;当水量升高时，可通过增加曝气时间比及循环时长，提高脱氮效率.稳定运行后，NH4+-N去除率可达90%以上，TN的去除率达到70%~80%.

3)通过间歇曝气，生物反应器可达到良好的除磷效率.稳定运行后，TP去除率可以达到80%以上.

4)在实际工程应用中，应该科学调研实地水质水量，建设调节池，平衡日间水质水量变化;调节合适的曝气停曝时间以达到设计处理效果;根据实际处理要求，增加反应区排泥。

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