2.2 非稳态曝气方式下的系统能耗

　　近年来的研究表明，非稳态的曝气方式能够在出水水质达标的基础上节省大量曝气能耗，而且该种曝气方式能很好地运用于普通好氧活性污泥法的改造中。与连续曝气相比，采用非稳态的曝气方式缩短了曝气时间，其曝气量可比连续曝气节省33%。另外，非稳态的DO环境由于存在DO浓度梯度，因而每次曝气时氧转移的推动力大，溶氧效率高，因此实际节省的能耗还会更高。H. Doan等进行了利用非稳态曝气改造普通的好氧连续曝气工艺实验，实验结果表明，当设定一个适当的停曝/曝气时间循环时，在一个完整的实验过程中，在BOD5完全去除的基础上，和普通的好氧连续曝气相比，非稳态曝气能够节省约27%~58%的能源。MBR由于能耗较传统工艺更高，其推广应用受到了限制，而利用脉冲曝气可以减少MBR膜擦洗风量，并能通过高、低DO浓度切换降低MBR的能耗。在生物接触氧化法中，由于连续曝气使水中悬浮物和老化生物膜黏附在填料表面，阻碍了水体与生物膜之间的物质交换。采用脉冲曝气，短时间、高强度的曝气能有效冲刷生物膜表面，促进生物膜更新及物质交换，其效果好于传统的连续曝气，可以节省60%~80%气量。

　　2.3 非稳态DO环境下的剩余污泥量

　　在大多数废水生物处理工艺中，微生物生长产生的大量剩余污泥是废水处理过程中面临的重要问题。而非稳态的DO变化可给微生物提供一个交替好氧和厌氧的环境，使细菌在好氧阶段所获ATP不能立即用于合成新的细胞，而是在厌氧段作为维持细胞生命活动的能量被消耗，微生物分解和合成代谢相对分离，细菌的净合成量降低，进而污泥产量减少。S. J. Jung等通过对比试验得出：运用非稳态曝气方式，营造好氧/厌氧的微生物生长环境，能够降低剩余污泥量，且曝气/停曝循环周期越短，剩余污泥量降低越明显。黄天寅等研究发现，在间歇曝气期间，细胞靠混合液中硝酸盐所释放出的低分子氧进行呼吸，由于无机电子接受体氧化还原电位比氧高，因而在缺氧呼吸中释放的ATP也较少。

　　好氧和厌氧的微生物环境变化导致专性需氧或厌氧微生物的死亡并被其他细菌所利用，提高了污泥细胞自身的氧化速率，从而降低了剩余污泥产量。J. J. Chang等的浸入式膜生物反应器试验研究结果表明，与稳态的DO环境相比，非稳态的DO环境不仅使细菌微生物能够适应好氧/缺氧的环境，而且能够大大提高污泥中细菌的数量，从而增强细菌自身的氧化和代谢能力，降低剩余污泥产量。

　　3、 非稳态DO环境下废水生物处理研究展望

　　在废水生物处理中，硝化和反硝化脱氮过程会产生大量的温室气体N2O，其产生量与DO浓度密切相关。目前，关于非稳态DO环境对N2O排放通量的影响尚无明确定论。J.H. Ahn等通过对美国12个污水处理厂N2O排放通量进行调查发现，频繁交替的好氧/缺氧环境会提高N2O的排放通量。因为非稳态的DO环境溶氧效率高，充氧能力强，而较高DO浓度是硝化过程中N2O产生的主要原因。Y.Kimochi等则通过非稳态曝气处理城镇污水的试验指出，相对于传统的持续曝气，非稳态曝气营造的非稳态DO环境可减少系统中N2O的排放，且好氧阶段时间越短，N2O排放通量越低。ZhenHu等通过研究提出，非稳态曝气营造的好氧/厌氧环境有利于节省碳源的消耗，使缺氧反硝化碳源供应较为充足，从而减少N2O的排放。因此，如何控制合适的DO浓度和好氧/缺氧阶段的比例是非稳态DO环境下减少N2O排放通量的关键。

　　另外，废水生物处理中存在大量的SMP（溶解性微生物产物），其生物降解性较差，不仅使系统出水有机物含量无法达标，而且还会影响活性污泥的性能。目前，关于非稳态DO环境对SMP产生量的影响也无明确定论。范吉等通过SBR处理生活污水试验指出，相对于传统的好氧条件，好氧/缺氧运行方式营造的非稳态DO环境能够降低出水中SMP产出量，这是因为微生物处于好氧环境的时间减少，导致了SMP的产生量减少。WenmingXie等则通过SBR工艺处理合成废水试验指出，非稳态的DO环境溶氧效率高，充氧能力强，不仅缩短了缺氧段的反应时间，而且提高了反应器内的DO水平，较高DO浓度导致了SMP的产生量增加。S.G. Lu等在对MBR工艺的研究中指出，尽管在较低的DO浓度条件下，生物量活性的降低导致SMP的产生量减少，但SMP的生物降解性会降低；当DO上升到3mg/L时，较高的DO浓度使反应器内微生物代谢活性增强，SMP的产生量必然高于低DO浓度条件下的产生量，但SMP的生物降解性会提高，最终出水中SMP的含量将取决于不同DO浓度下SMP产生量与降解量的差值。因此，在非稳态DO环境下，如何控制合适的DO浓度以及建立非稳态DO环境下可控的SMP生成与降解模型，以优化污水处理效果、保证出水水质的研究将显得越来越重要。