摘要： 對(duì)于傳統(tǒng)的好氧和厭氧而言，微氧水處理技術(shù)是在克服好氧反應(yīng)能耗較大，厭氧反應(yīng)器對(duì)于設(shè)備要求較高而出現(xiàn)的。微氧過(guò)程中包含的反應(yīng)有短程硝化和反硝化、同時(shí)硝化與反硝化、氧化降解等反應(yīng)， 因此微氧水處理技術(shù)可以應(yīng)用于有機(jī)物降解和深度處理。由于顯著降低了曝氣量， 又不需要較高的設(shè)備要求， 因此又是一種節(jié)能的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：微氧；反應(yīng)器；好氧：厭氧； 污水處理

在水處理反應(yīng)的分類(lèi)中，根據(jù)環(huán)境溶解氧濃度的不同將其分為好氧反應(yīng)(溶解氧的質(zhì)量濃度在1．0mg/L以上)、厭氧反應(yīng)(溶解氧的質(zhì)量濃度在0.3mg/L以下，且不含有硝態(tài)氧)和兼氧反應(yīng)(溶解氧的質(zhì)量濃度在0-4～0．7 mg/L之間)。好氧反應(yīng)具有反應(yīng)速度快，進(jìn)行得比較徹底的優(yōu)點(diǎn)，但是為了保持系統(tǒng)中較快的反應(yīng)速率，常常使溶解氧的質(zhì)量濃度保持在2．0 mg/L左右，這就使得好氧反應(yīng)能耗很高．一般鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的曝氣能耗就可以占到水廠(chǎng)總能耗的40% ～50% 一。厭氧反應(yīng)的運(yùn)行費(fèi)用較低．并可產(chǎn)生提供能源的甲烷氣體，但要維持厭氧的環(huán)境，前期的基建設(shè)備投資非常大，而且厭氧反應(yīng)速率較慢，出水需要后續(xù)處理。微氧技術(shù)正是結(jié)合了好氧和厭氧優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的。

傳統(tǒng)的觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，好氧反應(yīng)和厭氧反應(yīng)是兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程。好氧反應(yīng)需要以氧作為電子受體，而氧對(duì)厭氧菌有毒害或抑制作用．因此多把好氧與厭氧過(guò)程單獨(dú)研究。但是事實(shí)上，局部或微厭氧環(huán)境的存在(如顆粒污泥的內(nèi)部厭氧與外部好氧)．證明了厭氧菌和好氧菌可以在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)共存。Zitomer等[2]研究了在微氧條件下．同一污泥體系中可同時(shí)進(jìn)行好氧和產(chǎn)甲烷過(guò)程，該過(guò)程良好地結(jié)合了好氧和厭氧處理的優(yōu)點(diǎn)： 出水COD濃度低，剩余污泥量小以及可使一系列特殊的有機(jī)物礦化。微氧是近幾年才發(fā)展起來(lái)的一種水處理技術(shù)，迄今未給出一個(gè)嚴(yán)格的定義，但從文獻(xiàn)[2—13]中可以看出，微氧一般是指反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境溶解氧的質(zhì)量濃度在0-3 1．0 mg/L，通過(guò)培養(yǎng)的微氧顆粒污泥來(lái)降解有機(jī)物。微氧顆粒污泥一般是通過(guò)消化污泥或厭氧顆粒污泥適當(dāng)?shù)靥砑尤芙庋醵�培養(yǎng)起來(lái)的。

1  微氧水處理技術(shù)的特點(diǎn)

微氧水處理技術(shù)融好氧、厭氧和兼氧環(huán)境于同一反應(yīng)器中，因此在微生物特性和降解特性上表現(xiàn)出諸多與好氧或厭氧不同的特點(diǎn)。

1．1 微生物特性

由于微氧體系中存在著3種溶解氧條件，因此好氧菌、兼性菌和厭氧菌同時(shí)出現(xiàn)，并依據(jù)環(huán)境溶解氧的相對(duì)高低決定3種微生物的數(shù)目比例。相比于單純的好氧或厭氧，微氧體系中微生物的種類(lèi)更加全面，各種微生物相互協(xié)同，共同完成降解功能。初里冰等[3]利用膜生物反應(yīng)器在微氧條件下處理合成廢水，對(duì)厭氧顆粒污泥和微氧顆粒污泥的性質(zhì)作了比較，見(jiàn)表1。

從表l中可以看出微氧顆粒污泥的性質(zhì)與厭氧顆粒污泥相似，并保持著較好的沉降性能，最主要的是微氧顆粒污泥也保持了較高的產(chǎn)甲烷活性。

1.2 有機(jī)物的降解特性

微生物降解有機(jī)物是將一部分大分子有機(jī)物氧化成小分子有機(jī)物或直接氧化成二氧化碳，從而提供微生物生長(zhǎng)的能源：另一部分則用于合成自身的細(xì)胞物質(zhì)。在好氧反應(yīng)中氧作為最終的電子受體，而在厭氧反應(yīng)中則是以化合態(tài)的鹽、碳、硫、氮等作為電子受體，氧對(duì)厭氧微生物有毒害作用，兼氧微生物可以分別在有氧和無(wú)氧兩種條件下降解有機(jī)物。在微氧體系中，好氧菌和兼氧菌利用著環(huán)境中微量氧降解水中小分子有機(jī)物，從而解除了有機(jī)酸和氧對(duì)產(chǎn)甲烷菌的毒害和抑制作用，使產(chǎn)甲烷過(guò)程順利進(jìn)行；另一方面，顆粒污泥的形成保證了在其內(nèi)部的厭氧環(huán)境，從而為厭氧菌的生存提供條件。這樣，好氧、兼氧和厭氧反應(yīng)同時(shí)在同一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，無(wú)需在時(shí)間或空間上分開(kāi)，從而傳質(zhì)及時(shí)，反應(yīng)比較徹底。

Linlin Hu等[4]在不同的通氣量下對(duì)SBR反應(yīng)器中的有機(jī)物的去除做過(guò)研究：在通氣量分別為60、40 I/h(溶解氧的質(zhì)量濃度在0．5 mg/L左右，為微氧環(huán)境)的條件下，300 min后COD的質(zhì)量濃度就從300 mg/L左右降到了50 mg/L左右的較低水平，之后變化不大。初里冰等[3]利用膜生物反應(yīng)器在微氧條件下同時(shí)去除COD和氮，結(jié)果證明系統(tǒng)的COD去除率在94% 以上，膜出水一直穩(wěn)定在l5 35 mg/L，反應(yīng)器上清液COD的質(zhì)量濃度可達(dá)90—141 mg/L。

1.3 污泥產(chǎn)量

微氧條件下，污泥產(chǎn)量比較低，也比厭氧條件下的污泥產(chǎn)量低。Zitomer[5] 在血清瓶中分別以乙醇和丙酸為底物，氧氣的添加量分別為COD質(zhì)量的0%、10% 、30%，用于考察系統(tǒng)的污泥產(chǎn)率系數(shù)和COD轉(zhuǎn)化的情況。不同氧添加量和底物條件下的污泥產(chǎn)率系數(shù)見(jiàn)表2。

其中l(wèi)0%和30%的氧添加量屬于微氧的范圍，相對(duì)于好氧條件下乙醇和丙酸為底物的污泥產(chǎn)率系數(shù)(分別為0．45和0．42 g[VSS]/g[COD])，微氧的污泥產(chǎn)率系數(shù)還是很小的，因此，處理相同水量只產(chǎn)生少量污泥，減小后續(xù)處理的壓力，節(jié)約成本。另外，Zitomer同時(shí)對(duì)微氧條件下COD的轉(zhuǎn)化情況作了研究，表明微氧條件下有45% 一95% 的COD直接轉(zhuǎn)化為甲烷，5% 一10% 的COD用于生物合成。而傳統(tǒng)好氧處理系統(tǒng)在SRT為10 d的情況下，有約60% 用于生物合成。

1．4 氮的去除

微氧條件下氮的去除較為復(fù)雜，主要是因?yàn)槿芙庋醯蜁r(shí)反應(yīng)器中出現(xiàn)了一些新現(xiàn)象．包括污泥顆�；�(sludge granulation)、短程硝化作用(short—cutnitrification—denitrification)、同時(shí)硝化和反硝化(si—muhaneous nitrification and denitrification． SND)以及自養(yǎng)細(xì)菌反硝化作用[6]。微氧條件下的污泥顆粒化是由于微曝氧量時(shí)．氣泡對(duì)于污泥絮凝體的剪切力變�。畯亩�有利于污泥的顆�；�。正常的污泥絮凝體的粒徑通常為幾十微米，而顆�；�的污泥粒徑可達(dá)幾百微米甚至幾毫米，污泥的沉降性能良好，并且反應(yīng)器中的生物濃度也相應(yīng)增加。污泥顆�；瘜�(shí)質(zhì)是微生物的自同定化過(guò)程．使得多種微生物(包括硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌在內(nèi))在同一反應(yīng)器內(nèi)保持良好的共生關(guān)系。由于顆粒污泥有較大的粒徑，在微氧環(huán)境中氧的傳遞就受到了來(lái)自于顆粒污泥表面的阻力．這樣就形成由內(nèi)及表的厭氧、兼氧和好氧的環(huán)境體系．從而硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌就在同一反應(yīng)器內(nèi)各得其所．導(dǎo)致同時(shí)硝化和反硝化作用的發(fā)生。

同時(shí)硝化和反硝化(SND)現(xiàn)象是在氧化溝等工藝中發(fā)現(xiàn)的[14]，是在有氧條件下發(fā)生了反硝化作用而導(dǎo)致總氮減少的現(xiàn)象。已證實(shí)SND是由物理原因引起的．其中溶解氧濃度和污泥絮凝體的大小是SND的主要影響因素：[15]將環(huán)境溶解氧控制在較低水平．缺氧環(huán)境所占比例增大．有利反硝化作用的進(jìn)行．從而有利于SND的發(fā)生。初里冰等[3]利用微氧條件下培養(yǎng)的顆粒污泥．研究了污泥粒徑對(duì)于COD和氮去除的影響，結(jié)果表明，在SND發(fā)生以后．污泥顆粒被破碎成懸浮物．氮的去除效率明顯降低 可見(jiàn)，微氧條件下的污泥顆�；�是同時(shí)硝化與反硝化發(fā)生的必要條件。

在微氧條件下，氮的去除途徑除了上述的同時(shí)硝化與反硝化外，還有短程硝化和反硝化。在常規(guī)的硝化反應(yīng)中．氮的硝化分為兩步，分別由不同的微生物完成。

其反應(yīng)為：亞硝酸化：2NH4+  + 302— 2NO2- +4H+ +2H20(由氨氧化菌完成)硝化：2 NO- +02  一 2 NO3 -(由亞硝酸氧化菌完成)

很顯然，在生物脫氮的過(guò)程中，由NO3-氧化成NO3-，把NO3-還原成NO3-的兩步反應(yīng)是多余的。如果能夠避免這兩個(gè)環(huán)節(jié)就可以節(jié)省25% 的氧氣和約40% 的有機(jī)碳源[6、9]。短程硝化和反硝化就是將硝化過(guò)程中將反應(yīng)控制在亞硝酸化階段．從而直接進(jìn)行反硝化。因此，如何能將硝化反應(yīng)控制在反硝化階段是實(shí)現(xiàn)短程硝化和反硝化的關(guān)鍵。廢水中氨和微溶解氧對(duì)亞硝酸氧化菌有抑制作用，有利于氨氧化菌在微氧條件下成為優(yōu)勢(shì)菌種，從而有利于短程硝化與反硝化的進(jìn)行。但不等于溶解氧越低越好，楊寧等 ．利用CSTR(連續(xù)攪拌流反應(yīng)器)反應(yīng)器，對(duì)高氨(氨的質(zhì)量濃度為856 mg/L)廢水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)：溶解氧的質(zhì)量濃度在0．2 mg/L持續(xù)運(yùn)行會(huì)顯著降低氨氧化菌的活性。

1．5 一些難降解污染物的去除特征

一些有機(jī)物由于對(duì)微生物有毒性和其難降解性會(huì)在環(huán)境中持久存在，而在微氧條件下卻顯示出了特有的降解特性。由于微氧條件下好氧與厭氧環(huán)境在同一反應(yīng)器中同時(shí)存在，使得微生物的代謝中間產(chǎn)物傳質(zhì)及時(shí)，氧化與還原作用可同時(shí)發(fā)生，微氧體系中的產(chǎn)甲烷菌可使一些難降解物質(zhì)如有機(jī)氯溶劑PEC、多氯聯(lián)苯等得到有效降解： 另一方面．CH4與02同時(shí)存在使甲烷菌能以CH4為初級(jí)基質(zhì)通過(guò)共代謝而降解一些物質(zhì)(如三氯乙烯、四氯乙烯等)[8]。

2  微氧的應(yīng)用研究

當(dāng)前針對(duì)微氧條件下特殊的微生物和降解特征也作了一些應(yīng)用性的研究。北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院的王凱軍等[ll]分別應(yīng)用并比較了沉淀、多級(jí)厭氧、生物吸附和微氧工藝來(lái)處理生活污水的厭氧出水，并提出了微氧升流式污泥床反應(yīng)器的概念結(jié)果顯示：在13℃并且HRT(水力停留時(shí)間)1．0 h的條件下，微氧工藝基本上可以完全處理孫艷玲等[12]開(kāi)發(fā)了處理城市污水的水解一厭氧一微氧工藝，結(jié)果表明：在總HRT不超過(guò)8．5 h(水解2．5 h、厭氧4．0 h、微氧2．0 h)，平均溫度l9℃進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度為(300 4-50)mg/L時(shí)．總COD和SS的去除率分別可達(dá)75% 和80% 以上。微氧單元對(duì)厭氧出水中殘余有機(jī)物的去除效果良好．在HRT不超過(guò)2 h．溶解氧的質(zhì)量濃度控制在0．2～0．5 mg/L之問(wèn)．進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度為150 mg/L時(shí)，去除率可達(dá)53% 以上。作為厭氧后續(xù)處理．將微氧工藝與好氧工藝相比較：微氧工藝曝氣量減少(氣水比僅為l：4)，從而大大節(jié)約了能耗：微氧工藝中污泥生長(zhǎng)量為0．061 kg/(kg·d)左右．污泥產(chǎn)量低；微氧工藝有效地控制污泥膨脹問(wèn)題．但污泥粘性稍差。

胡穎華等[13]利用微氧條件取代好氧條件來(lái)消化剩余污泥．結(jié)果表明：在低污泥濃度下．曝氣量為好氧消化的1/2(溶解氧的質(zhì)量濃度為0．5～1．0mg/L)時(shí)．經(jīng)過(guò)20 d的消化，污泥中總有機(jī)物降解率在50% 左右．達(dá)到穩(wěn)定化效果．并且此工藝的投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較低。

由此可見(jiàn)．微氧水處理技術(shù)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中大大降低了能耗．將其作為處理工藝中的后處理或直接應(yīng)用都達(dá)到了較好的效果．建設(shè)和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用也比較少。明顯地降低了廢水的處理成本。

3 結(jié)語(yǔ)

微氧水處理技術(shù)以其特有的微生物特性和降解特性顯示出其優(yōu)勢(shì)：處理效果好、節(jié)能、污泥產(chǎn)量少等。但同時(shí)也有許多需要繼續(xù)研究的方面：① 加強(qiáng)對(duì)微氧條件的厭氧菌、兼性菌和好氧菌相互作用及其機(jī)理的研究．從而更好地指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。② 擴(kuò)大微氧技術(shù)的應(yīng)用范圍。微氧技術(shù)的應(yīng)用目前主要集中于易于生物降解的城市污水．而將微氧處理技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)廢水卻不多見(jiàn)．因此如何將微氧技術(shù)應(yīng)用于難降解．濃度高的工業(yè)廢水也是需要我們繼續(xù)研究的一個(gè)課題。③ 制作適于微氧條件下微生物生長(zhǎng)的反應(yīng)器。進(jìn)而優(yōu)化反應(yīng)器生物學(xué)和水力學(xué)參數(shù)．使微氧技術(shù)在水處理工藝中高效發(fā)揮作用。④ 對(duì)微氧技術(shù)作更為詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)。從而指導(dǎo)我們合理地選擇微氧工藝。 來(lái)源：谷騰水網(wǎng) 作者: 高立杰，肖羽堂，高冠道，馬程