, 董慧峪1,2, 王建民3, 强志民1,2
1. 中国科学院生态环境研究中心饮用水科学与技术重点实验室, 北京 100085;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering, Missouri University of Science and Technology, Rolla, MO 65409, USA
收稿日期: 2017-09-09; 修回日期: 2017-12-26; 录用日期: 2017-12-26
基金项目: 山东东环环境科技股份有限公司资助项目；国家水体污染控制与治理科技重大专项（No.2017ZX07106005）
作者简介: 王亮(1986-), 男, E-mail:wangliangalex@hotmail.com
通讯作者（责任作者）: 强志民(1970—)，男，中国科学院生态环境研究中心研究员，博士生导师，中国科学院“****”，国家****基金获得者.主要研究领域为新型污染物控制、水深度处理及管网输配，已发表SCI论文133篇，中文论文50余篇.E-mail:qiangz@rcees.ac.cn
摘要: 针对一种用于小流量分散型污水处理的连续流间隙曝气前缺氧生物反应器进行生产性试验.在持续近1年的运行监测和工况优化过程中，考察了不同曝气时间比、混合液回流比、水力停留时间（HRT）等组合工况下该生物反应器去除COD、氮、磷的效果.结果表明，反应器可以维持高的污泥浓度，进而高效去除污水中的COD.脱氮效率可通过调节工艺运行参数来提高：在进水流量一定时，减少曝气时间比（即增加停曝时长）；在曝气强度一定时，调低混合液回流比；当进水流量升高时，同时增加曝气时间比与循环时长.当反应器达到稳态运行后，在水温17.4~28.6℃、曝气时间比0.5、曝气阶段平均溶氧浓度约1.0 mg·L-1、总HRT 16.6 h、混合液回流比1.5条件下，COD、氨氮（NH4+-N）、总氮（TN）、总磷（TP）的去除率分别可达> 90%、> 90%、70%~80%、> 80%，出水COD、NH4+-N、TN指标均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A排放标准，出水TP指标满足一级B排放标准.
关键词:分散式污水处理间歇曝气前缺氧生物反应器生产性试验
Full-scale study of a continuous-flow intermittent aeration anoxic/oxic bioreactor for decentralized wastewater treatment
WANG Liang1,2
, DONG Huiyu1,2, WANG Jianmin3, QIANG Zhimin1,2 1. Key Laboratory of Drinking Water Science and Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
3. Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering, Missouri University of Science and Technology, Rolla, MO 65409, USA
Received 9 September 2017; received in revised from 26 December 2017; accepted 26 December 2017
Supported by the Program of Shandong Eastern Environmental Technology Co., Ltd and the National Major Science and Technology Project for Water Pollution Control and Treatment(No.2017ZX07106005)
Biography: WANG Liang(1986—), male, E-mail:wangliangalex@hotmail.com
*Corresponding author: QIANG Zhimin, E-mail:qiangz@rcees.ac.cn
Abstract: A full-scale study was carried out with a continuous-flow intermittent aeration anoxic/oxic (A/O) bioreactor for small-flowrate decentralized wastewater treatment. During a nearly one-year operation monitoring and optimization period, different operation parameters including aeration time fraction, mixed liquor recycle ratio and hydraulic retention time (HRT) were examined for the removal efficiencies of chemical oxygen demand (COD), nitrogen and phosphorus. Results indicate that the bioreactor could maintain a high concentration of mixed liquor suspended solids, thus achieving a high COD removal. Nitrogen removal could be enhanced in the following ways:decreasing the aeration time fraction (i.e., increasing the non-aeration time) at a fixed influent flowrate; decreasing the mixed liquor recycle ratio at a fixed aeration intensity; or increasing both the aeration time fraction and cycle time for an increased influent flowrate. When the bioreactor reached steady-state conditions (wastewater temperature 17.4~28.6℃, aeration time fraction 0.5, mean DO concentration in the aeration stage about 1.0 mg·L-1, HRT 16.6 h, and mixed liquor recycle ratio 1.5), the removal efficiencies of COD, ammonia-nitrogen (NH4+-N), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) could reach > 90%, > 90%, 70%~80% and > 80%, respectively. The effluent COD, NH4+-N and TN concentrations could meet Level 1A standard while the effluent TP concentration could meet Level 1B standard, according to the Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant (GB18918-2002).
Key words: decentralized wastewater treatmentintermittent aerationanoxic/oxic bioreactorfull-scale study
1 引言(Introduction)分散污水是指农村社区、军队驻地、高速公路服务区、机场、独立别墅区、旅游风景区等地处郊区，分布分散，无法纳入市政管网覆盖范围的特定区域产生的污水，这类污水具有水量小、排放分散、水质水量波动较大、可生化性好等特点(陈书雪等，2011；吕锡武，2012；陈吕军，2014；陈汗龙等，2015).分散污水不适宜进行集中处理，应进行就地处理，就地回用.
根据水量及收集方式的不同，分散式污水处理有不同的处理规模，如在农村污水处理中，可分为单户污水分散收集处理模式、联户污水分散收集处理模式和村落污水集中收集处理模式(Libralato et al., 2012；王阳等，2015).由于当地居住状况和经济情况不同，对污水处理设施的选择也不相同.
当前小流量分散污水常用的生物膜法、稳定塘、氧化塘、人工湿地等处理工艺，对污染物的削减有一定的作用，但也面临着诸多问题.比如，稳定塘占地面积大、污泥容易淤积(刘云国等，2014)；人工湿地一般不宜直接处理较高浓度的生活污水，并存在水力负荷低、占地面积大、易受气候和温度影响等问题(刘峰等，2010；孙宗建等，2007)；净化槽工艺虽对污水中COD、BOD和NH4+-N等具有较好的处理效果，但设计中较少考虑TN和TP的去除(王昶等，2009)；而生物接触氧化法的填料造价高，增加了投资，另外对生物接触池内布水、布气的均匀性有一定要求(赵贤慧等，2010).随着更严格的污水排放标准的出台，对总磷、总氮等污染物的处理要求也进一步提升，以往分散式污水处理设施很难满足新的要求.
连续流间歇曝气工艺在国内外均有研究，相对于传统活性污泥工艺，间歇曝气工艺可以减少反硝化过程中对碳源的需求，适用于低C/N污水的脱氮(Hao et al., 1996；Fulazzaky et al., 2015).Insel等(2006)研究认为，曝气停曝的循环时间和其中曝气时间的占比对整个反应脱氮的过程有重要影响.国内对间歇曝气工艺的研究多集中在现有污水处理厂的提标改造及处理过程中的控制参数上，如张雯等(2013)研究了间歇曝气和连续曝气对完全混合反应器脱氮性能的影响，指出间歇曝气时，由于厌氧阶段有利于异养型兼性厌氧菌的代谢活动，故反硝化进行得较为彻底，对总氮的去除率可以维持在70%以上.金春姬等(2003)对低C/N污水进行间歇曝气工艺处理，考察了间歇曝气周期对污水脱氮的影响，认为曝气时间应根据进水氨氮负荷保持在0.5 h以上，搅拌缺氧的时间应该控制在1 h左右.乔海兵等(2006)通过对连续流间歇曝气氧化沟的研究，指出循环周期越小，好氧和缺氧交替频率越高，系统中的DO水平相对较高，有利于硝化，同时也有利于消除停气期的短流影响；随着曝气时间占比的降低，停气时间的增加，进水中的有机物进入沟内，作为反硝化的外加碳源，从而使反硝化速率加快.然而，对于分散式的间歇式曝气活性污泥工艺应用于分散式污水处理还鲜有报道.由于处理成本及水量水质条件的制约，研究处理量小、能耗较低的间歇曝气反应器的处理效能具有重要的现实意义.
本文通过对应用于分散型污水处理的间歇曝气生物反应器进行生产性试验研究，考察生物反应器去除COD、氮、磷的效果，以期为其在分散式污水处理过程中的应用提供建议.
2 材料与方法(Material and methods)2.1 实验装置连续流间歇曝气前缺氧生物反应器(以下简称“生物反应器”)根据课题组前期研究成果设计加工(Liu et al., 2017；Liu et al., 2017)，具体如图 1所示.生物反应器整装在一个集装箱内，总容积为27.6 m3，其中，混合池为3.2 m3，间歇曝气池为19 m3，污泥截留池为2.2 m3，终沉池为1.9 m3.污水进入混合池进行混合后进入间歇曝气池.间歇曝气池运用溶氧仪在线控制装置和中控电路(PLC)控制曝气强度和曝气时间比.间歇曝气池与混合池之间通过内回流管路相连，通过调节回流流量控制混合液回流比.污水流经间歇曝气池后，经折板或细管与污泥截留池相连，泥水混合物在截流池进行泥水分离澄清后，上清液流入终沉池进行进一步澄清并外排，截留的污泥通过污泥回流装置返回到间歇曝气池，可使间歇曝气池保持较高的污泥浓度.终沉池设置污泥排出装置，将所有沉淀的剩余污泥排出.可通过控制排泥时间，达到控制污泥停留时间的目的.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 生物反应器示意图 Fig. 1Schematic of intermittent aeration bioreactor |
生物反应器间歇曝气池通过PLC自动控制曝气和停曝时间，实现间歇式曝气.曝气阶段溶解氧浓度由溶氧仪(型号：WTW IQ SensorNet 2020 XT Controller)控制.当曝气后溶解氧的浓度达到设定上限值(如2.5 mg·L-1)时，曝气风机自动停止曝气，此时混合装置自动开启，生物反应器中生物消耗溶氧.当溶解氧浓度下降到设定下限值(如0.5 mg·L-1)时，曝气风机自动开启，进行鼓风曝气.本研究中通过调节曝气时间比、混合液回流比、HRT等组合工况条件，考察了该生物反应器去除COD、氮、磷效果.每个工况维持至少15 d，其中，工况Ⅵ维持30 d以上，工况Ⅶ维持3个月.工况条件如表 1所示.
表 1(Table 1)
| 表 1 生物反应器工况调整情况 Table 1 Operation parameter portfolios of the bioreactor | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 1 生物反应器工况调整情况 Table 1 Operation parameter portfolios of the bioreactor
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2.2 实验用水实验污水取自山东省日照市某市政生活污水处理厂曝气沉砂池，经提升泵进入反应装置.生物反应器接种污泥取自此污水厂氧化沟.反应器进水水质指标如表 2所示.
表 2(Table 2)
| 表 2 生物反应器进水指标 Table 2 Influent water quality of the bioreactor | ||||||||||||
表 2 生物反应器进水指标 Table 2 Influent water quality of the bioreactor
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2.3 分析项目及方法污水进出水样品混合均匀后测定其总COD、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)、总磷(TP)，上述各指标所采用的Hach水质分析法的序号分别为8000、10072、10031、10020、8190.反应池中污泥浓度(MLSS)采用重量法测定，pH使用便携式pH计(WTW Multi 3220)测定.
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 生物反应器内溶解氧浓度变化生物反应器间歇曝气池中溶解氧在一个间歇曝气周期随时间变化情况如图 2所示.曝气阶段，池中平均溶解氧浓度由图中水平虚线标示.以工况Ⅰ为例，曝气开始时，池中溶解氧浓度上升，当达到曝气上限2.5 mg·L-1时，曝气泵停止工作；当溶解氧达到设定下限0.5 mg·L-1时，曝气泵自动开启.如此循环往复，直到曝气周期停止，池中平均溶解氧浓度为1.64 mg·L-1.当曝气阶段结束，进入停曝混合阶段，溶解氧需要被消耗10~20 min才能进入缺氧阶段.传统活性污泥法要求曝气池溶解氧浓度不小2.0 mg·L-1，以保证硝化反应的完全.研究表明，降低反应器溶解氧浓度，可以减小曝气能耗，如将曝气溶解氧浓度控制在0.5 mg·L-1，据估计将节约10%的运行能耗(Liu et al., 2013).同时低溶解氧浓度可以促使反应器中菌群变化，促进同步硝化反硝化的进行，提升TN去除率(吕锡武等，2001；吴昌永等，2012；Liu et al., 2013).
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 不同曝气和停曝时长曝气区溶解氧浓度的变化 Fig. 2DO concentration profiles of different aeration and non-aeration portfolios |
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10000 mg·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，20 d左右达到10000 mg·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80~100 mL·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(Liu et al., 2017).工况Ⅶ进入春、夏季，温度回升，MLSS达到12000 mg·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(Fig. 3)
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| 图 3 生物反应器中污泥浓度及污泥沉降指数比较 Fig. 3Comparation of the MLSS and SVI in the bioreactor |
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(Fig. 4)
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| 图 4 生物反应器进出水COD及去除率 Fig. 4Influnent and effluent COD concentrations and removal efficacy of the bioreactor |
表 3(Table 3)
| 表 3 生物反应器各工况出水指标 Table 3 Effluent water quality of the bioreactor | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 3 生物反应器各工况出水指标 Table 3 Effluent water quality of the bioreactor
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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1.64 mg·L-1，时长为60 min，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60 min)，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20 mg·L-1左右(表 3)，去除率在40%左右(图 5c).随后调整停曝时间至90 min(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150 min，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(Fig. 5)
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| 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 Fig. 5Influnent and effluent TN concentrations and removal efficacy of the bioreactor(a.NH4+-N; b.NO3--N; c.TN) |
随后工况Ⅳ减少停曝时间至90 min，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.
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1.5 mg·L-1，间歇曝气池的平均DO浓度降为0.88 mg·L-1，同时调节流量至50 m3·d-1，调长停曝时间为110 min，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17~22 mg·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1.0 mg·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2~3 h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(25000~30000 mg·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50 d.在秋、冬运行期间(工况Ⅰ~Ⅵ)，出水的总磷浓度平均约为1.65 mg·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1 mg·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(Liu et al., 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(Fig. 6)
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| 图 6 生物反应器运行进出水总磷浓度及去除率 Fig. 6Influent and effluent TP concentrations and removal efficacy of the bioreactor |
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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