非稳态溶解氧环境下废水生物处理研究进展

名词解释

非稳态DO环境：

非稳态DO环境是指处理过程中反应器内的DO浓度呈现为不稳定状态，此环境可以营造良好的好氧硝化/缺氧反硝化交替过程，在显著节能的同时还可提高系统去除有机物及脱氮的效果。

活性污泥法是废水处理过程中广泛使用的方法。在传统的好氧处理中，连续稳定的曝气可使反应器内保持稳定的溶解氧(DO)环境，满足硝化对氧的需求，但不能实现缺氧反硝化，因此，虽能达到一定的氨氮去除效果，但总氮去除效果较差。非稳态DO环境是指处理过程中反应器内的DO浓度呈现为不稳定状态，此环境可以营造良好的好氧硝化/缺氧反硝化交替过程，在显著节能的同时还可提高系统去除有机物及脱氮的效果。

SBR、氧化沟、混合脉冲等工艺在运行中都具有非稳定DO环境的特征。SBR使整个工作周期呈间歇曝气方式运行，可在同一反应器内实现交替好氧、缺氧环境。传统氧化沟工艺的曝气池是循环式沟渠，污水和活性污泥混合液在其中流动，利用转刷曝气提供溶解氧并使混合液处于完全混合状态;由于曝气装置只安装在氧化沟的一处或几处，反应器内DO浓度频繁变化。脉冲曝气是在好氧活性污泥法的基础上将连续曝气改为脉冲曝气，从而实现高、低DO浓度交替的环境，提高脱氮除磷的效率。

笔者在分析反应器内非稳态DO浓度变化规律的基础上，综述了非稳态DO环境下废水生物处理效果及研究现状，并对其研究发展趋势进行了展望，以期为废水处理提供一条节能降耗并达到高标准处理效果的途径。

1、 非稳态DO变化规律

在SBR工艺中，系统进水、沉淀期间为缺氧阶段，DO较低，当开始曝气反应时，DO上升，但由于污水负荷较高，DO上升幅度不大;随着污水中有机物的降解，微生物的需氧量减少，于是DO上升幅度增大;随后在沉淀及出水的不曝气阶段，DO开始下降，降低到最初缺氧阶段的DO浓度，并持续到下一曝气阶段。正常情况下，曝气阶段DO高于1.5mg/L，当曝气停止时，DO下降到1.5 mg/L以下。

在传统氧化沟中，由于采用表曝机供氧、推流，易于形成DO梯度。近曝气点区域DO浓度高，离曝气点越远，DO浓度越低，因此在同一沟渠形成了交替好氧和缺氧的区域，多沟条件下更明显。其中，近曝气点区域的DO可以达到2.25mg/L，远离曝气点区域DO降至0.5 mg/L以下，甚至为0。

在脉冲曝气方式下，1个工作周期内，曝气瞬间DO急剧升高，之后稳定在某一范围，此时系统为好氧状态;停曝瞬间DO会急剧下降，之后维持在某一较低值，系统处于缺氧或厌氧状态。曝气/停曝频繁交替强化了系统好氧—缺氧—厌氧环境的交替变化。在停曝末，DO较低或为0，当开始曝气后，DO将以最大速率提高，能够达到较高的溶氧水平。S.Lochmatter等发现，在脉冲曝气方式下，曝气时，DO迅速上升，可达到饱和溶解氧的50%，并在曝气阶段维持相对稳定;停曝时，DO迅速下降到0，并持续到下一周期曝气开始。

2、 非稳态DO环境下废水生物处理效果

2.1 非稳态DO环境下废水有机物的去除及脱氮效果分析

在废水处理中，连续稳定的曝气易导致硝化菌长期积累，抑制反硝化作用的发生。而非稳态DO环境下的周期性好氧、缺氧、厌氧环境，可使活性污泥絮体内部形成适宜的DO梯度分布。在DO浓度较高的时段或区域，硝化细菌将氨态氮氧化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，而在DO浓度较低的时段或区域，反应池内处于缺氧状态，微生物利用有机物为氢供体使硝态氮反硝化，还原成N2或NxOy后排入大气，从而达到脱氮目的。同时在缺氧阶段NO3--N以及NO2--N能够代替分子O2作电子受体，继续氧化污水中的有机污染物，进而能够降低好氧阶段的有机负荷。在SBR处理屠宰废水工艺中，当曝气50 min，停曝50 min时，废水中COD、TN的去除率可分别达到97%和94%。通过改变CASS工艺的运行方式，采用好氧脉冲曝气，当曝气、停曝时间分别为5、5 min时，有机物及氮的去除率都能达到80%以上。此外，通过控制氧化沟DO浓度及分布，可以实现氧化沟外沟道内的同时硝化反硝化生物脱氮，TN去除率最高可达86%。G. Yilmaz等通过好氧活性污泥实验研究指出：停曝阶段DO迅速降低，导致污泥颗粒絮凝成的紧密污泥床结构形成了一个完全缺氧的环境，因此发生了停曝阶段的反硝化脱氮，进一步提高了系统的脱氮效率。采用非稳态的曝气方式，当DO从3.5~5.0 mg/L降低到0.5~1.2 mg/L时，系统的脱氮率可以达到94.9%，且无需外加碳源。这是由于反硝化程度取决于缺氧阶段有机碳的供给程度，非稳态DO环境有利于节省碳源消耗，使更多的碳源用于反硝化脱氮，从而提高了系统整体脱氮效率。

2.2 非稳态曝气方式下的系统能耗

近年来的研究表明，非稳态的曝气方式能够在出水水质达标的基础上节省大量曝气能耗，而且该种曝气方式能很好地运用于普通好氧活性污泥法的改造中。与连续曝气相比，采用非稳态的曝气方式缩短了曝气时间，其曝气量可比连续曝气节省33%。另外，非稳态的DO环境由于存在DO浓度梯度，因而每次曝气时氧转移的推动力大，溶氧效率高，因此实际节省的能耗还会更高。H. Doan等进行了利用非稳态曝气改造普通的好氧连续曝气工艺实验，实验结果表明，当设定一个适当的停曝/曝气时间循环时，在一个完整的实验过程中，在BOD5完全去除的基础上，和普通的好氧连续曝气相比，非稳态曝气能够节省约27%~58%的能源。MBR由于能耗较传统工艺更高，其推广应用受到了限制，而利用脉冲曝气可以减少MBR膜擦洗风量，并能通过高、低DO浓度切换降低MBR的能耗。在生物接触氧化法中，由于连续曝气使水中悬浮物和老化生物膜黏附在填料表面，阻碍了水体与生物膜之间的物质交换。采用脉冲曝气，短时间、高强度的曝气能有效冲刷生物膜表面，促进生物膜更新及物质交换，其效果好于传统的连续曝气，可以节省60%~80%气量。

2.3 非稳态DO环境下的剩余污泥量

在大多数废水生物处理工艺中，微生物生长产生的大量剩余污泥是废水处理过程中面临的重要问题。而非稳态的DO变化可给微生物提供一个交替好氧和厌氧的环境，使细菌在好氧阶段所获ATP不能立即用于合成新的细胞，而是在厌氧段作为维持细胞生命活动的能量被消耗，微生物分解和合成代谢相对分离，细菌的净合成量降低，进而污泥产量减少。S. J. Jung等通过对比试验得出：运用非稳态曝气方式，营造好氧/厌氧的微生物生长环境，能够降低剩余污泥量，且曝气/停曝循环周期越短，剩余污泥量降低越明显。黄天寅等研究发现，在间歇曝气期间，细胞靠混合液中硝酸盐所释放出的低分子氧进行呼吸，由于无机电子接受体氧化还原电位比氧高，因而在缺氧呼吸中释放的ATP也较少。

好氧和厌氧的微生物环境变化导致专性需氧或厌氧微生物的死亡并被其他细菌所利用，提高了污泥细胞自身的氧化速率，从而降低了剩余污泥产量。J. J. Chang等的浸入式膜生物反应器试验研究结果表明，与稳态的DO环境相比，非稳态的DO环境不仅使细菌微生物能够适应好氧/缺氧的环境，而且能够大大提高污泥中细菌的数量，从而增强细菌自身的氧化和代谢能力，降低剩余污泥产量。

3、 非稳态DO环境下废水生物处理研究展望

在废水生物处理中，硝化和反硝化脱氮过程会产生大量的温室气体N2O，其产生量与DO浓度密切相关。目前，关于非稳态DO环境对N2O排放通量的影响尚无明确定论。J.H. Ahn等通过对美国12个污水处理厂N2O排放通量进行调查发现，频繁交替的好氧/缺氧环境会提高N2O的排放通量。因为非稳态的DO环境溶氧效率高，充氧能力强，而较高DO浓度是硝化过程中N2O产生的主要原因。Y.Kimochi等则通过非稳态曝气处理城镇污水的试验指出，相对于传统的持续曝气，非稳态曝气营造的非稳态DO环境可减少系统中N2O的排放，且好氧阶段时间越短，N2O排放通量越低。ZhenHu等通过研究提出，非稳态曝气营造的好氧/厌氧环境有利于节省碳源的消耗，使缺氧反硝化碳源供应较为充足，从而减少N2O的排放。因此，如何控制合适的DO浓度和好氧/缺氧阶段的比例是非稳态DO环境下减少N2O排放通量的关键。

另外，废水生物处理中存在大量的SMP(溶解性微生物产物)，其生物降解性较差，不仅使系统出水有机物含量无法达标，而且还会影响活性污泥的性能。目前，关于非稳态DO环境对SMP产生量的影响也无明确定论。范吉等通过SBR处理生活污水试验指出，相对于传统的好氧条件，好氧/缺氧运行方式营造的非稳态DO环境能够降低出水中SMP产出量，这是因为微生物处于好氧环境的时间减少，导致了SMP的产生量减少。WenmingXie等则通过SBR工艺处理合成废水试验指出，非稳态的DO环境溶氧效率高，充氧能力强，不仅缩短了缺氧段的反应时间，而且提高了反应器内的DO水平，较高DO浓度导致了SMP的产生量增加。S.G. Lu等在对MBR工艺的研究中指出，尽管在较低的DO浓度条件下，生物量活性的降低导致SMP的产生量减少，但SMP的生物降解性会降低;当DO上升到3mg/L时，较高的DO浓度使反应器内微生物代谢活性增强，SMP的产生量必然高于低DO浓度条件下的产生量，但SMP的生物降解性会提高，最终出水中SMP的含量将取决于不同DO浓度下SMP产生量与降解量的差值。因此，在非稳态DO环境下，如何控制合适的DO浓度以及建立非稳态DO环境下可控的SMP生成与降解模型，以优化污水处理效果、保证出水水质的研究将显得越来越重要。