根據水量和收集方式的不同，分散式汙水處理有不同的處理規模。比如農村汙水處理，可分為單戶汙水分散收集處理模式、聯戶汙水分散收集處理模式和村汙水集中收集處理模式(Libraatotal。, 2012;汪洋等，2015)。由於當地生活條件和經濟條件不同，汙水處理設施的選擇也不同。
目前常見的小流量分散汙水處理工藝，如生物膜法、穩定塘、氧化塘、人工濕地等，對汙染物的削減有壹定的效果，但也面臨很多問題。比如穩定塘占地面積大，汙泥容易沈澱(劉運國等，2014)；人工濕地壹般不適合直接處理高濃度生活汙水，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)；凈化池工藝雖然對汙水中的COD、BOD、NH4+-N有較好的處理效果，但設計中很少考慮TN、TP的去除(王暢等，2009)；而生物接觸氧化法的填料成本較高，增加了投資。此外，對生物接觸池內布水布氣的均勻性也有壹定的要求(趙先輝等，2010)。隨著更嚴格的汙水排放標準的出臺，對總磷、總氮等汙染物的處理要求進壹步提高，以往分散的汙水處理設施很難滿足新的要求。
國內外對連續流間歇曝氣工藝進行了研究。與傳統活性汙泥法相比，間歇曝氣法可以降低反硝化過程對碳源的需求，適用於低碳氮比廢水的反硝化。,1996;富拉紮克耶塔爾。, 2015).Insel等人(2006)認為曝氣停止的周期時間和曝氣時間的比例對反應性反硝化的整個過程有重要影響。國內對間歇曝氣技術的研究大多集中在現有汙水處理廠的升級改造和處理過程中的參數控制上。例如，張文等(2013)研究了間歇曝氣和連續曝氣對全混合反應器脫氮性能的影響，指出間歇曝氣時，由於厭氧階段有利於異養兼性厭氧菌的代謝活動，反硝化可以進行得更徹底，總氮的去除率可以維持在70%以上。金等(2003)對低C/N汙水采用間歇曝氣工藝。考察了間歇曝氣時間對汙水脫氮的影響，認為根據進水氨氮負荷，曝氣時間應保持在0.5h以上，攪拌缺氧時間應控制在65438±0h左右。喬海兵等(2006)指出，循環周期越短，好氧和缺氧交替頻率越高，系統內DO水平越高，有利於硝化作用和停氣時短流影響的消除。隨著曝氣時間比例的降低和停氣時間的增加，進水中的有機物進入溝渠作為反硝化的附加碳源，從而加快了反硝化速率。然而，分散式間歇曝氣活性汙泥法在分散式汙水處理中的應用報道較少。由於處理成本和水質的制約，研究處理能力小、能耗低的間歇式曝氣反應器的處理效率具有重要的現實意義。
本文研究了間歇曝氣生物反應器對分散式汙水處理中COD、氮和磷的去除效果，旨在為其在分散式汙水處理中的應用提供參考。
2材料和方法(materials 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”)是根據課題組前期研究成果設計加工的。, 2017;劉塔爾。，2017)，如圖1。生物反應器組裝在壹個總容積為27.6m3的容器內，其中混合池為3.2m3，間歇曝氣池為19m3，汙泥滯留池為2.2m3，最終沈澱池為1.9m3汙水進入混合池後進入間歇曝氣池。間歇式曝氣池采用溶解氧儀在線控制裝置和中央控制電路(PLC)來控制曝氣強度和曝氣時間比。間歇曝氣池和混合池通過內部回流管道連接，通過調節回流流量來控制混合液的回流比。汙水流經間歇式曝氣池後，通過折板或細管與汙泥滯留池相連。泥水混合物在截流池中分離澄清後，上清液流入最終沈澱池進壹步澄清後排放。截留的汙泥通過汙泥回流裝置返回間歇式曝氣池，可以使間歇式曝氣池保持較高的汙泥濃度。最終沈澱池配有排泥裝置，將沈澱的剩余汙泥全部排出。通過控制排泥時間可以達到控制汙泥停留時間的目的。
圖1生物反應器示意圖
生物反應器間歇曝氣池通過PLC自動控制曝氣和停止曝氣時間，實現間歇曝氣。曝氣階段的溶解氧濃度由溶解氧儀(型號:WTWIQSensorNet2020XTController)控制。當曝氣後的溶解氧濃度達到設定的上限(如2.5mg L-1)時，曝氣風機自動停止曝氣，此時攪拌裝置自動開啟。溶解氧被生物反應器中的生物消耗。當溶解氧濃度降至設定的下限(如0.5mg L-1)時，曝氣風機自動開啟，進行鼓風曝氣。通過調整曝氣時間比、混合液回流比和水力停留時間等組合工況，考察了生物反應器對COD、氮和磷的去除效果。每個工況至少保持15d。
2.2實驗用水
實驗汙水取自山東省日照市城市汙水處理廠的曝氣沈砂池，通過提升泵進入反應裝置。生物反應器接種的汙泥取自這個汙水處理廠的氧化溝。反應器的進水水質指標如表2所示。
2.3分析項目和方法
汙水樣品混合均勻後，測定總COD、總氮、氨氮、硝態氮和總磷。上述指標采用的Hach水質分析方法的編號分別為8000、10072、100365438+。
3 Resultsanddiscussion(結果與討論)
3.1生物反應器中溶解氧濃度的變化
間歇曝氣期間生物反應器間歇曝氣池中溶解氧隨時間的變化如圖2所示。在曝氣階段，池中的平均溶解氧濃度由圖中的水平虛線表示。以工況I為例，曝氣開始時池內溶解氧濃度上升，當達到曝氣上限2.5mg L-1時，曝氣泵停止工作；當溶解氧達到設定的下限0.5mg L-1時，曝氣泵自動啟動。如此循環，直至曝氣期結束，池內平均溶解氧濃度為1.64mg L-1。當通氣階段結束時，通氣和混合階段停止。溶解氧需要消耗10~20min才能進入缺氧階段。傳統的活性汙泥法要求曝氣池中溶解氧濃度不低於2.0mg L-1，以保證硝化反應的完全。研究表明，降低反應器中的溶解氧濃度可以降低曝氣能耗，如將曝氣中的溶解氧濃度控制在0.5mg L-1。預計將節省10%能耗(劉塔爾。, 2013).同時，低溶解氧濃度可以促進反應器內菌群的變化，促進同步硝化反硝化，提高TN去除率(呂喜武等，2001；吳昌永等，2012；柳埃塔爾。,2013).
圖2不同曝氣時間和停止曝氣時間下包氣帶溶解氧濃度的變化。
3.2生物反應器中汙泥濃度(MLSS)和汙泥體積指數(SVI)的變化
生物反應器運行過程中，汙泥不主動排出反應區，系統中MLSS是常規活性汙泥汙水處理廠的4倍，可穩定達到10000mg L-1以上(圖3)。汙泥在攔截池中沈澱，並通過汙泥回流裝置返回曝氣池，因此較重的汙泥通過自動重力選擇保留在生物反應器中。最終沈澱池只處理出水。產生的汙泥量很少，可以通過排泥裝置排出。接種後MLSS開始迅速上升，20天左右達到10000mg L-1左右。工況三中，由於設備搬遷，汙泥量有所下降，但很快又達到穩定狀態。汙泥體積指數逐漸增大並穩定在80 ~ 100ml \它表現出良好的汙泥沈降性能。在工況ⅴ和ⅵ下，生物反應器內的平均水溫下降到65438±00℃以下，沒有出現汙泥膨脹現象，與前人的研究結果壹致(Liu Tal。, 2017).工況ⅶ進入春夏時，氣溫上升，MLSS達到12000mg∫。
圖3生物反應器中汙泥濃度和汙泥沈降指數的比較
3.3 COD去除效果
生物反應器對COD的去除效果見圖4，各工況出水COD見表3。可以看出，進水COD波動較大，但運行過程中生物反應器對COD的去除率可達90%以上。生物反應器可以保持較高的汙泥濃度，以確保其對水質波動的良好適應性。工況的調整對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比自養菌強。因此，在低溶解氧條件下，異養細菌會率先利用氧氣代謝水中的COD(陰軍等，2013)。
圖4生物反應器進水和出水的COD和去除率
3.4脫氮效果
對於NH4+-N的去除，生物反應器在接種後的短時間內實現了良好的硝化效果(圖5a)。工況I曝氣階段的平均溶解氧濃度為1.64mg L-1，良好的硝化效果說明曝氣量充足，使曝氣階段汙水中的氨氮得到充分轉化。在停止曝氣的混合階段(時間60分鐘)，由於生物反應器的稀釋作用，進水氨氮不會在出水中積累，使得氨氮去除率達到90%以上的良好水平。但由於NH4+-N的轉化，出水TN沒有很好地從系統中去除，TN的出水濃度約為20mg L-1(表3)，去除率約為40%(表3)，此時曝氣時間比降至0.47(表1)，NH4+-N的去除率保持在90%以上，略有波動，脫氮效率略有提高。當調整到工況三時，曝氣時間比增加到150分鐘，曝氣時間比進壹步降低到0.33。曝氣時間的延長和汙泥量的變化影響了生物反應器中的硝化反應，出水的NH4+也受到影響。然而，NO3-N進壹步減少。由於生物反應器中反硝化作用的增強，反硝化效率進壹步提高到50%。在進水流量不變的情況下，可以通過調整曝氣時間比和增加曝氣停止時間來提高系統的脫氮效率，進而提高脫氮效率。需要註意的是，曝氣時間過短會導致NH4+-N氧化不充分，出水NH4+-N濃度升高，而曝氣時間過長會導致反硝化階段碳源不足。
圖5生物反應器運行的進水和出水的NH4+-N(a)、NO3--N(b)、TN(c)濃度和去除率。
隨後，在情況IV中，曝氣時間減少到90分鐘，曝氣時間比為0.53，混合液的回流比降低到1.5。生物反應器保持了穩定的氨氮去除效果，脫氮效率約為55%~60%。與之前的情況II相比，在保證硝化效果的情況下，反硝化效率得到了壹定程度的提高。這是因為減少混合液的回流後，返回混合槽的混合液攜帶的溶解氧減少了。
考慮到曝氣量過大會影響脫氮效果，後續工況V曝氣量上限降至1.5mg L-1，間歇曝氣池內平均DO濃度降至0.88mg L-1。同時流量調整為50m 3d-1，停站時間調整。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)。壹方面，由於池內平均DO濃度、HRT和曝氣時間比的降低，NH4+減少。另壹方面，NH4+-N在長缺氧期積累。NO3-N濃度明顯低於之前工況，TN去除率略有降低。考慮到冬季微生物活性較低，為保持良好的硝化效果，調整至工況VI，降低進水流量，增加曝氣時間。雖然曝氣時間比增加到0.48，提高了HRT，但硝化不完全，NH4+-N的去除效果波動。出水TN仍維持在17 ~ 22mg L-1，去除率約為50%~70%。當水量變化時，水量影響營養物質的輸送量，在汙泥量和呼吸強度壹定的情況下，水量會影響出水效果。因此，需要適當調整間歇曝氣時間比，以保證處理效果。冬季脫氮效率
隨後，在工況ⅶ下，曝氣時間略有減少，間歇式曝氣池內的平均溶解氧濃度為1.0mg L-1。保持曝氣時間並連續監測處理效果3個月。隨著運行時間的延長，生物反應器中的種群數量達到穩定。出水NH4+-N和TN可達到《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(GB18918-2002)中的壹級A排放標準。NH4+-N去除率在90%以上，TN去除率在70%~80%。與工況V、VI、VII相比，
Dey等人(2011)通過模擬間歇曝氣生物反應器發現，這類反應器的最佳曝氣時間應占整個循環周期的50%~60%，最佳循環周期應控制在2 ~ 3小時範圍內，在此條件下可達到較好的脫氮效果。此外，較高的汙泥濃度可以促進反應器中的反硝化作用。Sarioglu等人(2009)提出，當反應器內汙泥濃度達到較高水平(25000 ~ 30000mg L-1)時，汙泥的衰減可以支持內源反硝化。另壹方面，較高濃度的汙泥可以聚集形成內部缺氧區，促進同步硝化反硝化。本研究得出的結果與上述結論相似，差異主要來自實際應用中汙泥濃度和菌群的差異，以及實驗環境和工作條件的差異。
3.5除磷效果
在生物反應器的操作過程中，汙泥不從反應區主動排出，沈澱的剩余汙泥從最終沈澱池排出。根據汙泥產量系數和汙泥量的計算，該生物反應器的SRT約為50天。秋冬季運行期間(工況I-VI)，出水總磷平均濃度約為1.65mg L-1(表3)，總磷被去除。但出水濃度逐漸降至1mg L-1以下，符合國家《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(B級，1)。隨著生物反應器中汙泥濃度的增加，去除率達到80%以上。根據以往的研究，間歇曝氣可以在混合池中創造厭氧和缺氧環境，而在間歇曝氣池中創造缺氧和好氧環境有利於聚磷菌。此外，間歇曝氣降低了回流至缺氧區的硝態氮濃度，降低了硝態氮對厭氧釋磷的影響，從而創造了適宜聚磷菌生長的環境，既通過同化作用除磷，又強化了生物除磷性能(侯宏勛等，2009)。
圖6生物反應器運行中進水和出水的總磷濃度和去除率
4結論(結論)
1)連續流間歇曝氣前的缺氧生物反應器能維持較高的汙泥濃度，並能很好地去除生活汙水中的COD。穩定運行後，COD去除率可達90%以上。
2)在脫氮效率方面，當水量壹定時，可以通過降低曝氣時間比和增加停止時間來提高脫氮效率；當曝氣強度不變時，可以降低混合液的回流比，提高脫氮效率；當水量增加時，可以通過增加曝氣時間比和循環時間來提高脫氮效率。穩定運行後，NH4+-N去除率可達90%以上，TN去除率可達70%~80%。
3)通過間歇曝氣，生物反應器可達到良好的除磷效率，穩定運行後，TP去除率可達80%以上。
4)在實際工程應用中，應科學調查田間水質水量，修建調節池，平衡日間水質水量變化；調整合適的曝氣停止時間，以達到設計的處理效果；根據實際處理要求，增加反應區的汙泥排放量。
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