【聚合氯化鋁】
微氣泡通常是指直徑為10 - 50 μm的微小氣泡，其在氣液傳質及有機污染物去除方面表現出潛在優勢，在廢水處理領域逐漸受到關注。已有研究證實微氣泡曝氣對臭氧傳質具有強化作用，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氣泡曝氣，在廢水處理中，能夠提高氧傳質速率及污染物去除效果。
在廢水生物處理中，SPG ( Shirasu Porous Glass)膜微氣泡曝氣技術已成功應用于生物膜反應器，氧利用率可接近100 %，顯著高于傳統曝氣方式。然而，SPG膜在應用中存在膜污染現象，對微氣泡產生及氧傳質過程具有不利影響。 OHR( Original Hydrodynamic Reaction)寧昆合器微氣泡曝氣系統具有不堵塞、無污染、免維護、壽命長及適用于規模化應用等優點，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，在保證系統處理效果和運行穩定性的基礎上降低曝氣能耗是工藝改進的關鍵。研究發現，優化曝氣方式對于反應器的穩定性和經濟性具有重要作用，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器內微生物處于好氧/缺氧環境交替的狀態，有利于總氮(TN)的去除。有研究證實，在反應器內采用生物膜法與間歇曝氣結合的方式可以實現對碳氮的有效去除。
本研究采用OHR混合器微氣泡曝氣生物膜反應器，處理模擬生活廢水，考察了連續曝氣和間歇曝氣方式下處理系統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器處理系統如圖1所示。處理系統采用OHR混合器( MX-F8 , OHR LaboratoryCorporation , Japan)微氣泡發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。反應器為固定床生物膜反應器，直徑為30 cm，反應區高度為100 cm，有效容積70 L。反應器內采用聚丙烯懸浮球組合填料(直徑80 mm，球內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%。反應器采用底部連續進水、頂部溢流出水的方式運行。
1. 2實驗過程
反應器接種城市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，反應器進入連續穩定運行。穩定運行過程分為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，以保證穩定的微氣泡曝氣狀態。各階段運行條件如表1所示。穩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，連續曝氣每日測定4次，間歇曝氣每日測定4個曝氣周期*大DO濃度(停曝前)和*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統計分析
本研究使用SPSS statistics 19軟件進行相關性分析，考察不同參數之間的相關關系。R值表示變量間的相關關系程度和方向。R=-1表明變量之間完全負相關，R=1表明變量之間完全正相關，而R =0表明沒有相關關系。P值表示相關性系數檢驗的統計量顯著性概率，當P 0. 05時，表明相關性顯著，P 0. 0 1時，表明相關性非常顯著;當P 0. 05時，表明無顯著相關關系。
2結果與討論
2. 1不同曝氣方式下DO濃度變化
不同曝氣方式下反應器內DO濃度變化如圖2所示。可以看到，采用間歇曝氣方式，隨著停曝時間的延長，反應器內DO濃度明顯下降，階段1至階段4反應器內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，反應器內DO濃度在一個曝氣周期內波動明顯，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，進而對生物膜反應器的運行性能產生影響。
2. 2不同曝氣方式下COD的去除性能
不同曝氣方式下反應器進出水COD濃度、COD去除率和COD去除負荷如圖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的去除負荷存在極顯著正相關關系(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。
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器進出水氨氮濃度、氨氮去除率和氨氮去除負荷如圖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%;平均氨氮去除負荷分別為0. 089 , 0. 043 , 0. 031和0. 034 kg / ( m3 · d)。可見，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濃度與氨氮去除負荷存在極顯著正相關關系(R=0.997 ,P 0.01)。階段4氨氮去除效果略優于階段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)，能夠出現較高DO濃度環境，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DO擴散限制而形成外部好氧、內部缺氧環境，可以實現同步硝化反硝化(SND )過程。根據氨氮去除量和硝酸鹽積累量計算各階段SND效率，均約為100 %。
反應器內SND過程有利于TN去除。不同曝氣方式下反應器進出水TN濃度、TN去除率和 TN去除負荷如圖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去除負荷存在顯著正相關關系(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**途徑。低DO濃度下，生物膜內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去除負荷比階段3高0. 012 kg/(m3·d)，按照反硝化過程中C:N理論*低值2.86:1，階段4 COD去除負荷應比階段3高0. 034 kg/(m3·d) 以上，接近于實際運行中的0. 050 kg/(m3·d) 。可見，階段4 TN去除對COD的消耗是其COD去除略優于階段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。可見，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。可見，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雜，在不同的供氧能力下存在轉換和平衡機制。具體參見資料或更多相關技術文檔。
3結論
1 ) OHR混合器微氣泡曝氣生物膜反應器可以實現廢水中碳氮同步去除，連續曝氣時COD、NH3-N和TN平均去除負荷分別為1. 71 、0. 068和0. 058 kg · ( m3·d)-1。
2)生物膜反應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。
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