1 引言(Introduction)
分散污水是指農村社區、軍隊駐地、高速公路服務區、機場、獨立別墅區、旅游風景區等地處郊區，分布分散，無法納入市政管網覆蓋范圍的特定區域產生的污水，這類污水具有水量小、排放分散、水質水量波動較大、可生化性好等特點(陳書雪等，2011;呂錫武，2012;陳呂軍，2014;陳汗龍等，2015).分散污水不適宜進行集中處理，應進行就地處理，就地回用.
根據水量及收集方式的不同，分散式污水處理有不同的處理規模，如在農村污水處理中，可分為單戶污水分散收集處理模式、聯戶污水分散收集處理模式和村落污水集中收集處理模式(Libralato et al., 2012;王陽等，2015).由于當地居住狀況和經濟情況不同，對污水處理設施的選擇也不相同.
當前小流量分散污水常用的生物膜法、穩定塘、氧化塘、人工濕地等處理工藝，對污染物的削減有一定的作用，但也面臨著諸多問題.比如，穩定塘占地面積大、污泥容易淤積(劉云國等，2014);人工濕地一般不宜直接處理較高濃度的生活污水，并存在水力負荷低、占地面積大、易受氣候和溫度影響等問題(劉峰等，2010;孫宗建等，2007);凈化槽工藝雖對污水中COD、BOD和NH4+-N等具有較好的處理效果，但設計中較少考慮TN和TP的去除(王昶等，2009);而生物接觸氧化法的填料造價高，增加了投資，另外對生物接觸池內布水、布氣的均勻性有一定要求(趙賢慧等，2010).隨著更嚴格的污水排放標準的出臺，對總磷、總氮等污染物的處理要求也進一步提升，以往分散式污水處理設施很難滿足新的要求.
連續流間歇曝氣工藝在國內外均有研究，相對于傳統活性污泥工藝，間歇曝氣工藝可以減少反硝化過程中對碳源的需求，適用于低C/N污水的脫氮(Hao et al., 1996;Fulazzaky et al., 2015).Insel等(2006)研究認為，曝氣停曝的循環時間和其中曝氣時間的占比對整個反應脫氮的過程有重要影響.國內對間歇曝氣工藝的研究多集中在現有污水處理廠的提標改造及處理過程中的控制參數上，如張雯等(2013)研究了間歇曝氣和連續曝氣對完全混合反應器脫氮性能的影響，指出間歇曝氣時，由于厭氧階段有利于異養型兼性厭氧菌的代謝活動，故反硝化進行得較為徹底，對總氮的去除率可以維持在70%以上.金春姬等(2003)對低C/N污水進行間歇曝氣工藝處理，考察了間歇曝氣周期對污水脫氮的影響，認為曝氣時間應根據進水氨氮負荷保持在0.5 h以上，攪拌缺氧的時間應該控制在1 h左右.喬海兵等(2006)通過對連續流間歇曝氣氧化溝的研究，指出循環周期越小，好氧和缺氧交替頻率越高，系統中的DO水平相對較高，有利于硝化，同時也有利于消除停氣期的短流影響;隨著曝氣時間占比的降低，停氣時間的增加，進水中的有機物進入溝內，作為反硝化的外加碳源，從而使反硝化速率加快.然而，對于分散式的間歇式曝氣活性污泥工藝應用于分散式污水處理還鮮有報道.由于處理成本及水量水質條件的制約，研究處理量小、能耗較低的間歇曝氣反應器的處理效能具有重要的現實意義.
本文通過對應用于分散型污水處理的間歇曝氣生物反應器進行生產性試驗研究，考察生物反應器去除COD、氮、磷的效果，以期為其在分散式污水處理過程中的應用提供建議.
2 材料與方法(Material and methods)2.1 實驗裝置
連續流間歇曝氣前缺氧生物反應器(以下簡稱“生物反應器”)根據課題組前期研究成果設計加工(Liu et al., 2017;Liu et al., 2017)，具體如圖 1所示.生物反應器整裝在一個集裝箱內，總容積為27.6 m3，其中，混合池為3.2 m3，間歇曝氣池為19 m3，污泥截留池為2.2 m3，終沉池為1.9 m3.污水進入混合池進行混合后進入間歇曝氣池.間歇曝氣池運用溶氧儀在線控制裝置和中控電路(PLC)控制曝氣強度和曝氣時間比.間歇曝氣池與混合池之間通過內回流管路相連，通過調節回流流量控制混合液回流比.污水流經間歇曝氣池后，經折板或細管與污泥截留池相連，泥水混合物在截流池進行泥水分離澄清后，上清液流入終沉池進行進一步澄清并外排，截留的污泥通過污泥回流裝置返回到間歇曝氣池，可使間歇曝氣池保持較高的污泥濃度.終沉池設置污泥排出裝置，將所有沉淀的剩余污泥排出.可通過控制排泥時間，達到控制污泥停留時間的目的.
圖 1生物反應器示意圖
生物反應器間歇曝氣池通過PLC自動控制曝氣和停曝時間，實現間歇式曝氣.曝氣階段溶解氧濃度由溶氧儀(型號：WTW IQ SensorNet 2020 XT Controller)控制.當曝氣后溶解氧的濃度達到設定上限值(如2.5 mg·L-1)時，曝氣風機自動停止曝氣，此時混合裝置自動開啟，生物反應器中生物消耗溶氧.當溶解氧濃度下降到設定下限值(如0.5 mg·L-1)時，曝氣風機自動開啟，進行鼓風曝氣.本研究中通過調節曝氣時間比、混合液回流比、HRT等組合工況條件，考察了該生物反應器去除COD、氮、磷效果.每個工況維持至少15 d，其中，工況Ⅵ維持30 d以上，工況Ⅶ維持3個月.工況條件如表 1所示.
2.2 實驗用水
實驗污水取自山東省日照市某市政生活污水處理廠曝氣沉砂池，經提升泵進入反應裝置.生物反應器接種污泥取自此污水廠氧化溝.反應器進水水質指標如表 2所示.
2.3 分析項目及方法
污水進出水樣品混合均勻后測定其總COD、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝酸鹽氮(NO3--N)、總磷(TP)，上述各指標所采用的Hach水質分析法的序號分別為8000、10072、10031、10020、8190.反應池中污泥濃度(MLSS)采用重量法測定，pH使用便攜式pH計(WTW Multi 3220)測定.
3 結果與討論(Results and discussion)3.1 生物反應器內溶解氧濃度變化
生物反應器間歇曝氣池中溶解氧在一個間歇曝氣周期隨時間變化情況如圖 2所示.曝氣階段，池中平均溶解氧濃度由圖中水平虛線標示.以工況Ⅰ為例，曝氣開始時，池中溶解氧濃度上升，當達到曝氣上限2.5 mg·L-1時，曝氣泵停止工作;當溶解氧達到設定下限0.5 mg·L-1時，曝氣泵自動開啟.如此循環往復，直到曝氣周期停止，池中平均溶解氧濃度為1.64 mg·L-1.當曝氣階段結束，進入停曝混合階段，溶解氧需要被消耗10~20 min才能進入缺氧階段.傳統活性污泥法要求曝氣池溶解氧濃度不小2.0 mg·L-1，以保證硝化反應的完全.研究表明，降低反應器溶解氧濃度，可以減小曝氣能耗，如將曝氣溶解氧濃度控制在0.5 mg·L-1，據估計將節約10%的運行能耗(Liu et al., 2013).同時低溶解氧濃度可以促使反應器中菌群變化，促進同步硝化反硝化的進行，提升TN去除率(呂錫武等，2001;吳昌永等，2012;Liu et al., 2013).
圖 2不同曝氣和停曝時長曝氣區溶解氧濃度的變化
3.2 生物反應器內污泥濃度(MLSS)及污泥體積指數(SVI)變化情況
生物反應器在運行期間未從反應區主動進行排泥，系統內的MLSS是常規活性污泥污水廠的4倍，可以穩定達到10000 mg·L-1以上(圖 3).污泥經過截留池的沉降，通過污泥回流裝置回到曝氣池，因此，較重的污泥經過自動重力遴選保留在生物反應器中.終沉池只對出水進行澄清，產生的污泥量很少，可以通過排泥裝置排出.MLSS在接種后開始迅速上升，20 d左右達到10000 mg·L-1左右.工況Ⅲ由于設備重新移動，使得污泥量減少，但之后很快重新達到穩定狀態.污泥體積指數逐漸上升并穩定在80~100 mL·g-1，顯示出良好的污泥沉降性能.在工況Ⅴ和Ⅵ，生物反應器中平均水溫降至10 ℃以下，沒有出現污泥膨脹現象，這與前期研究的結果一致(Liu et al., 2017).工況Ⅶ進入春、夏季，溫度回升，MLSS達到12000 mg·L-1以上，并隨著污泥量的增多，其污泥體積指數略有下降.
圖 3生物反應器中污泥濃度及污泥沉降指數比較
3.3 對COD的去除效果
生物反應器對COD的去除效果見圖 4，各工況的出水COD見表 3.可以看出，進水COD波動較大，但生物反應器對COD的去除率在運行期間穩定達到90%以上.生物反應器中可以維持很高的污泥濃度，保證其面對水質波動變化時具有較好的適應能力.調整工況后對COD的去除效果影響不大，可能是因為異養菌對溶解氧的親和力強于自養菌，因此，在溶解氧較低的狀態下，異養菌將會率先利用氧氣進行代謝活動，可以較好地代謝水中的COD(殷峻等，2013).
圖 4生物反應器進出水COD及去除率
3.4 對氮的去除效果
對于NH4+-N的去除，生物反應器在接種后短時間內即達到良好的硝化效果(圖 5a).工況Ⅰ的曝氣階段平均溶解氧濃度為1.64 mg·L-1，時長為60 min，良好的硝化效果顯示其曝氣量充足，使曝氣階段污水中的氨氮達到充分轉化.而在停曝混合階段(時長60 min)，進水的氨氮因為生物反應器的稀釋作用，沒有在出水中積累，使得氨氮達到較好的去除效率，在90%以上.但出水TN由于NH4+-N轉化為NO3--N，并沒很好地從系統中脫除，TN出水濃度在20 mg·L-1左右(表 3)，去除率在40%左右(圖 5c).隨后調整停曝時間至90 min(工況Ⅱ)，這時曝氣時間比降為0.47(表 1)，NH4+-N去除略有波動仍可保持在90%以上，脫氮效率略有提高.當調整至工況Ⅲ時，停曝時間增長至150 min，曝氣時間比進一步下降至0.33.停曝時間的加長及污泥量變化使生物反應器中硝化反應受到影響，出水的NH4+-N提高，而NO3--N進一步降低.由于生物反應器反硝化作用的加強，脫氮效率進一步提升至50%.在進水流量一定時，可通過調節曝氣時間比、增加停曝時間，提高系統反硝化效率，進而提高脫氮效率.需要注意的是，曝氣時間過短會造成NH4+-N氧化不充分，出水NH4+-N濃度增加，而過長會造成反硝化階段沒有足夠的碳源進行反硝化.
圖 5生物反應器運行進出水NH4+-N(a)、NO3--N(b)、TN(c)濃度及去除率
隨后工況Ⅳ減少停曝時間至90 min，曝氣時間比為0.53，調低混合液回流比至1.5，生物反應器維持穩定的氨氮去除效果，脫氮效率約為55%~60%.與前期工況Ⅱ相比，該工況在保證硝化效果的情況下，脫氮效率有一定的提升.這是因為減小混合液回流后，回到混合池的混合液攜帶的溶解氧減少，使混合池維持較好的缺氧條件，提升反硝化效果.具體聯系污水寶或參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
考慮到曝氣過大會影響脫氮效果，隨后工況Ⅴ減低曝氣上限設定值至1.5 mg·L-1，間歇曝氣池的平均DO濃度降為0.88 mg·L-1，同時調節流量至50 m3·d-1，調長停曝時間為110 min，曝氣時間比為0.41.此時出水NH4+-N濃度明顯升高，運行階段平均濃度為(10.0±4.3) mg·L-1(表 3).由于池中平均DO濃度降低、HRT減小、曝氣時間比減小，一方面使得NH4+-N硝化反應沒有完全，另一方面使得NH4+-N在較長的缺氧時段積累.NO3--N濃度較前期工況明顯降低，TN的去除率略有下降.考慮到冬季微生物的活性較低，為保持較好的硝化效果，調整為工況Ⅵ，降低了進水流量并增加了曝氣時長.雖曝氣時間比增長為0.48并提高了HRT，但硝化沒有完全，NH4+-N的去除效果波動，出水TN仍維持在17~22 mg·L-1，去除率約為50%~70%.當水量變化時，水量的大小影響到營養物質輸送的多少，在一定污泥量和呼吸強度情況下，水量會對出水效果有影響，因此，需要適當地調節間歇曝氣時間比來保證處理效果.冬季脫氮效率的減小，可以通過延長曝氣時間和污泥齡的方式進行一定的補償，提高硝化效率，但總氮的脫除仍然受一定的影響，可以考慮添加一定的碳源物質進行補充.
隨后工況Ⅶ將停曝時間稍降低，間歇曝氣池中平均溶解氧濃度為1.0 mg·L-1，保持曝氣時長，繼續監測處理效果3個月.隨著運行時間的加長，生物反應器中種群達到穩定，出水NH4+-N、TN都可以達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中的一級A排放標準，NH4+-N去除率在90%以上，TN去除率在70%~80%.對比工況Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ與前期工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅱ，當進水流量升高時，可通過同時增加曝氣時間比與循環時長來提高脫氮效率.
Dey等(2011)通過模擬間歇曝氣生物反應器發現，這類反應器最佳曝氣時長應該占整個循環周期的50%~60%，而最佳的循環周期應該控制在2~3 h范圍內，在此條件下可以達到較好的脫氮效果.另外，較高的污泥濃度可以促進反應器中反硝化的進行，Sarioglu等(2009)通過對MBR同步硝化反硝化的研究，提出當反應器中污泥濃度達到較高水平時(25000~30000 mg·L-1)，污泥的衰減可以支持內源反硝化;另一方面，較高濃度的污泥可以聚集形成內部的缺氧區，可以促進同步硝化反硝化的進行.本研究得到結果與以上研究結論相近，差別主要來自于實際應用中污泥濃度與菌群的不同，以及實驗環境和工況條件的不同.
3.5 對磷的去除效果
生物反應器在運行期間未從反應區主動排泥，沉淀剩余污泥由終沉池排出，經由產泥系數及污泥量計算，生物反應器SRT約為50 d.在秋、冬運行期間(工況Ⅰ~Ⅵ)，出水的總磷濃度平均約為1.65 mg·L-1(表 3)，對總磷的去除效果約為60%.工況Ⅶ，磷的進水濃度有較大的提升，但出水濃度卻逐漸降至1 mg·L-1以下，滿足國家城鎮污水處理廠污染物排放標準1級B標準.隨著生物反應器中污泥濃度的提升，去除率達到80%以上.根據前期研究，間歇曝氣可在混合池制造厭氧和缺氧的環境，而在間歇曝氣池制造出缺氧和好氧的環境有利于聚磷菌(PAOs)的生長，進而促進了處理中磷的去除(Liu et al., 2017).另外，間歇曝氣降低了回流至缺氧區的硝酸鹽氮的濃度，減小了硝酸鹽氮對厭氧釋磷的影響，進而營造出適宜聚磷菌生長的環境，使得磷的去除不僅僅是通過同化作用去除，還強化了生物除磷性能(侯紅勛等，2009).為達到更理想的總磷去除效果，可以考慮增加反應區定期排泥，并同時輔以化學除磷.
圖 6生物反應器運行進出水總磷濃度及去除率
4 結論(Conclusions)
1) 連續流間歇曝氣前缺氧生物反應器可以維持較高的污泥濃度，較好地去除生活污水中的COD.穩定運行后，COD去除率可達90%以上.
2) 在脫氮效率方面，當水量一定時，可通過調低曝氣時間比，增加停曝時間，提高脫氮效率;在曝氣強度一定時，可以調低混合液回流比，提高脫氮效率;當水量升高時，可通過增加曝氣時間比及循環時長，提高脫氮效率.穩定運行后，NH4+-N去除率可達90%以上，TN的去除率達到70%~80%.
3) 通過間歇曝氣，生物反應器可達到良好的除磷效率.穩定運行后，TP去除率可以達到80%以上.
4) 在實際工程應用中，應該科學調研實地水質水量，建設調節池，平衡日間水質水量變化;調節合適的曝氣停曝時間以達到設計處理效果;根據實際處理要求，增加反應區排泥。(來源：環境科學學報 作者：王亮)
