微气泡通常是指直径为10 - 50 μm的微小气泡，其在气液传质及有机污染物去除方面表现出潜在优势，在废水处理领域逐渐受到关注。已有研究证实微气泡曝气对臭氧传质具有强化作用，并大幅提高臭氧氧化效率和臭氧利用率;同时，微气泡曝气中气含率远大于传统气泡曝气，在废水处理中，能够提高氧传质速率及污染物去除效果。
在废水生物处理中，SPG ( Shirasu Porous Glass)膜微气泡曝气技术已成功应用于生物膜反应器，氧利用率可接近100 %，显著高于传统曝气方式。然而，SPG膜在应用中存在膜污染现象，对微气泡产生及氧传质过程具有不利影响。 OHR( Original Hydrodynamic Reaction)宁昆合器微气泡曝气系统具有不堵塞、无污染、免维护、寿命长及适用于规模化应用等优点，在废水生物处理中具有更好的适用性。
目前，微气泡曝气装置仍然存在能耗较高的问题，因此，在保证系统处理效果和运行稳定性的基础上降低曝气能耗是工艺改进的关键。研究发现，优化曝气方式对于反应器的稳定性和经济性具有重要作用，采用间歇曝气能够降低曝气能耗，达到降低运行成本的目的。同时，间歇曝气可以使反应器内微生物处于好氧/缺氧环境交替的状态，有利于总氮(TN)的去除。有研究证实，在反应器内采用生物膜法与间歇曝气结合的方式可以实现对碳氮的有效去除。
本研究采用OHR混合器微气泡曝气生物膜反应器，处理模拟生活废水，考察了连续曝气和间歇曝气方式下处理系统对污染物的去除效果，以及能耗变化，分析了微气泡曝气方式对生物膜反应器运行性能的影响，以期为OHR混合器微气泡曝气在废水好氧生物处理中的实际应用及性能评价提供参考。
1实验部分
1. 1实验装置与材料
微气泡曝气一生物膜反应器处理系统如图1所示。处理系统采用OHR混合器( MX-F8 , OHR LaboratoryCorporation , Japan)微气泡发生装置进行微气泡曝气，并控制曝气时间和停曝时间以改变曝气方式。反应器为固定床生物膜反应器，直径为30 cm，反应区高度为100 cm，有效容积70 L。反应器内采用聚丙烯悬浮球组合填料(直径80 mm，球内填充聚氨酷多孔填料)，多孔填料平均孔径为0. 5一1 mm ,填充率(以多孔填料体积计)约为20%。反应器采用底部连续进水、顶部溢流出水的方式运行。
1. 2实验过程
反应器接种城市污水处理厂二沉池回流污泥，初始污泥浓度(MLSS )约为0. 4 g / L 。闷曝24 h后排掉悬浮污泥，连续加入模拟生活污水，水力停留时间为12h，以促进填料上生物膜的形成。挂膜完成后，反应器进入连续稳定运行。稳定运行过程分为4个阶段，分别采用不同的曝气方式(改变曝气时间/停曝时间)，曝气量均控制在0. 8 L /min，以保证稳定的微气泡曝气状态。各阶段运行条件如表1所示。稳定运行过程亦处理模拟生活污水，平均进水COD浓度为407. 7 mg / L ,氨氮(NH3-N)浓度为42. 4 mg/ L , TN浓度为52. 5 mg / L 。反应器在室温条件下运行。运行过程中，测定进出水溶解氧(DO),COD,NH3-N,TN、硝酸盐、亚硝酸盐浓度变化以及电能消耗，以评价反应器运行性能。
表1 运行条件
1. 3检测方法
COD、NH3-N、硝酸盐和亚硝酸盐均采用国标方法测定 ; TN采用TOC分析仪(TOC-Vcpn，岛津，日本)测定;DO采用便携式溶解氧测定仪(WTW cellOx 325 , WTW，德国)测定，连续曝气每日测定4次，间歇曝气每日测定4个曝气周期最大DO浓度(停曝前)和最小DO浓度(曝气前)，均取平均值作为日均DO浓度;测定生物膜耗氧速率(OUR)以反映其生物活性，包括碳氧化活性和硝化活性;电能消耗采用单相电子式电能表(D D S607，德力西，中国)测定。
1. 4统计分析
本研究使用SPSS statistics 19软件进行相关性分析，考察不同参数之间的相关关系。R值表示变量间的相关关系程度和方向。R=-1表明变量之间完全负相关，R=1表明变量之间完全正相关，而R =0表明没有相关关系。P值表示相关性系数检验的统计量显著性概率，当P < 0. 05时，表明相关性显著，P<0. 0 1时，表明相关性非常显著;当P > 0. 05时，表明无显著相关关系。
2结果与讨论
2. 1不同曝气方式下DO浓度变化
不同曝气方式下反应器内DO浓度变化如图2所示。可以看到，采用间歇曝气方式，随着停曝时间的延长，反应器内DO浓度明显下降，阶段1至阶段4反应器内DO平均浓度分别为2. 47 、 1. 05、0. 54和0. 60mg / L。采用间歇曝气的阶段2一阶段4，反应器内DO浓度在一个曝气周期内波动明显，如图3所示。阶段2一阶段4平均波动范围分别为0. 65 - 1. 44 、0. 42 - 0. 65和0. 15 - 1. 22 mg / L 。和阶段3相比，阶段4同时延长曝气时间和停曝时间，DO浓度波动范围也随之明显增大。DO浓度变化直接影响有机物的好氧降解、硝化和反硝化过程的进行，进而对生物膜反应器的运行性能产生影响。
2. 2不同曝气方式下COD的去除性能
不同曝气方式下反应器进出水COD浓度、COD去除率和COD去除负荷如图4和5所示:阶段1一阶段4，平均出水COD浓度分别为51. 1 ,47.1 ,95. 8和67. 8 mg / L ;平均COD去除率分别为88.5%,87.8% ,75. 3%和82. 0%;平均COD去除负荷分别为1.60,1.35,1.24和1. 29 kg / ( m3·d)。同时，DO浓度与COD的去除负荷存在极显著正相关关系(R =0. 995,P <0.01 )。因此，随着间歇曝气中停曝时间的延长，DO浓度下降是反应器COD去除性能逐渐下降的主要原因。阶段4 DO浓度相对阶段3较高，COD的去除效果也略优。
2. 3不同曝气方式下氨氮的去除性能
不同曝气方式下反应器进出水氨氮浓度、氨氮去除率和氨氮去除负荷如图6和7所示。阶段1一阶段4，平均氨氮出水浓度分别为19.6,32.9,34.7和32.9 mg / L;平均氨氮去除率分别为53. 4% ,24.8%,18.5%和20.0%;平均氨氮去除负荷分别为0. 089 , 0. 043 , 0. 031和0. 034 kg / ( m3 · d)。可见，阶段1一阶段4随着停曝时间的增加，DO浓度下降，硝化活性受到抑制，氨氮的去除效果降低，DO浓度与氨氮去除负荷存在极显著正相关关系(R=0.997 ,P <0.01)。阶段4氨氮去除效果略优于阶段3，可能由于阶段4曝气周期DO浓度波动(0. 15一1.22mg/L)大于阶段3(0.42一0. 65 mg / L)，能够出现较高DO浓度环境，且平均DO浓度略高，硝化活性抑制相对较弱。
2. 4不同曝气方式下TN的去除性能
尽管阶段1一阶段4氨氮去除效果明显降低，但各阶段出水硝酸盐、亚硝酸盐浓度基本为0，无硝酸盐积累，说明由于生物膜内DO扩散限制而形成外部好氧、内部缺氧环境，可以实现同步硝化反硝化(SND )过程。根据氨氮去除量和硝酸盐积累量计算各阶段SND效率，均约为100 %。
反应器内SND过程有利于TN去除。不同曝气方式下反应器进出水TN浓度、TN去除率和 TN去除负荷如图8和9所示。阶段1一阶段4，平均TN出水浓度分别为30. 0 、35. 1 、40. 2和39. 0 mg / L ;平均TN去除率分别为43.4% ,32.8% ,22. 0%和26.5 %;平均TN去除负荷分别为0. 092 、 0. 069 、 0. 045和0. 057 kg/(m3·d) 。
可以看到，阶段1一阶段4 TN去除性能也逐渐下降，其原因是TN去除依赖于SND效果，DO浓度降低有利于反硝化过程而不利于硝化过程，而各阶段DO浓度与TN去除负荷存在显著正相关关系(R=0.957 ,P <0.05)，表明硝化作用是SND过程的限速步骤，因此TN去除随着氨氮去除效果的下降而下降。同时，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过程可能是TN去除的主要但不是唯一途径。低DO浓度下，生物膜内TN去除可能还包含其他生物脱氮过程，包括短程硝化反硝化过程、短程硝化厌氧氨氧化过程等。
阶段4 DO浓度波动大于阶段3，好氧/缺氧环境交替更为显著，有助于不同生物脱氮过程的进行，因此TN去除性能更高。此外，阶段4 TN去除负荷比阶段3高0. 012 kg/(m3·d)，按照反硝化过程中C:N理论最低值2.86:1，阶段4 COD去除负荷应比阶段3高0. 034 kg/(m3·d) 以上，接近于实际运行中的0. 050 kg/(m3·d) 。可见，阶段4 TN去除对COD的消耗是其COD去除略优于阶段3的另一主要原因。
2. 5不同曝气方式下生物膜活性
阶段1一阶段4运行末期取填料上生物膜样品，测定各阶段生物膜耗氧速率，以反映其好氧生物活性变化，结果如图10所示。阶段1一阶段4，生物膜总氧化活性分别为63. 03 、51. 32 、47. 74和49. 66 mg O2·(gVSS·h)-1;碳氧化活性分别为41. 11、 40. 82、36. 93和38. 21 mg 02·( g VSS·h)-1;硝化活性分别为20. 92、13. 50 、10. 81和11. 45 mg O2 · ( g VSS · h) -1。可见，阶段1一阶段4随着停曝时间的增加和DO浓度降低，生物膜好氧生物活性有所降低，特别是硝化活性下降更为显著。同时，生物膜好氧生物活性降低与COD和氨氮去除效果下降的趋势相一致。
2. 6不同曝气方式下能耗评价
在不同的曝气方式下，阶段1一阶段4卑位COD去除所需能耗分别为0. 129,0. 1120. 830和0. 797kWh·(g COD)-1，单位氨氮去除所需能耗分别为2. 31 、3. 53 、3. 32和3. 03 kWh·(g NH3-N)-1，单位TN去除所需能耗分别为2. 24 、2. 20 、2. 29和1. 80 kWh · ( g TN)-1。可见，采用间歇曝气减少曝气时间后，能耗降低，但供氧能力下降，DO浓度降低，污染物去除性能均有所下降。COD去除性能受供氧能力影响较小，因此，单位COD去除所需能耗降低。硝化过程对氨氮的去除受供氧能力影响较大，因此，单位氨氮去除所需能耗有所升高。单位TN去除所需能耗基本不变，其原因可能是TN去除涉及多种生物脱氮过程，其受供氧能力影响较为复杂，在不同的供氧能力下存在转换和平衡机制。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3结论
1 ) OHR混合器微气泡曝气生物膜反应器可以实现废水中碳氮同步去除，连续曝气时COD、NH3-N和TN平均去除负荷分别为1. 71 、0. 068和0. 058 kg · ( m3·d)-1。
2)生物膜反应器采用微气泡间歇曝气，随着曝气时间的减少，DO浓度下降，反应器COD和氨氮去除性能随之降低;COD和氨氮去除效果下降与生物膜好氧生物活性降低相一致。受硝化作用抑制影响，同步硝化反硝化过程对TN的去除性能也有所降低。
3)采用微气泡间歇曝气能够降低曝气能耗。同时，随着曝气时间减少，单位COD去除所需能耗降低，单位氨氮去除所需能耗有所升高，单位总氮去除所需能耗基本不变。
