近几年的研究表明，好氧颗粒污泥对于生活污水、高浓度有机废水、工业废水等均有良好的处理效果。好氧颗粒污泥法具有培养简便，脱氮除磷效果好，沉降性能好，微生物立体空间结构密实，无需后续处理等特点。在采用好氧颗粒污泥处理废水过程中，延长曝气时间有助于COD的去除及硝化反应的进行，但不利于短程硝化反硝化，并可能引起能源的浪费。因此，在常规的处理过程中由于曝气而引起的能耗问题成为好氧颗粒污泥法大规模应用的瓶颈。
J. H. Tay等〔1〕认为，好氧颗粒污泥系统最小曝气量不应低于1.12m3/s，否则即使不改变其他变量，也较难形成好氧颗粒污泥。因此，为满足好氧颗粒污泥对溶解氧及水力剪切的需求，多数实验室采用较大的曝气量来确保反应器的稳定运行。另外，曝气量过低，溶解氧太小，可能引发非丝状菌膨胀。而刘旭亮等〔2〕的研究表明，当曝气量为80L/s以上时，好氧颗粒污泥系统会出现黏性污泥膨胀，从而导致出水水质变差。针对上述问题，本研究采用低曝气量(0.3、0.2、0.1m3/h)运行好氧颗粒污泥系统，考察了低曝气量下好氧颗粒污泥对生活污水中污染物的处理效果，以期达到低能高效处理污废水 的目的。
1 试验材料和方法
1.1 反应器及运行方式
试验采用SBR反应器。该反应器由有机玻璃制成，直径为17cm，高125cm，总体积为28L，有效容积控制为25L。在反应器边壁垂直方向上设置5个间距为20cm的取样口，反应器上端设有溢流口，底部设有排泥管，采用砂芯曝气头曝气，转子流量计控制曝气量。以微电脑时控制开关实现反应过程的自动控制，每天运行4个周期，每个周期6 h，包括1min进水，5.5 h曝气，3min出水，沉淀时间按试验的进行确定(由开始的15min逐渐降低至3min)。从反应器中部的取样口进行取样或排水，排水比控制在50%～60%。
1.2 试验水质与接种污泥
接种污泥采用兰州市安宁污水厂二沉池回流污泥，接种污泥体积为8L左右。试验污水取自兰州理工大学西校区化粪池污水，原水的COD、氨氮和磷波动较大，COD为307～2 300mg/L，氨氮为71.7～688.5mg/L，磷为1.642～61.01mg/L，m(COD)/m(NH4+-N) 平均为6.572，碳源较充足，有机负荷大。
1.3 试验方法
试验运行过程中，通过调整曝气量的方法形成好氧颗粒污泥。经过30 d左右的污泥驯化期后，开始出现颗粒污泥，颗粒污泥的数量较少，肉眼可见。待反应器稳定运行后，开始调整曝气量，从一开始的0.3m3/h逐渐下降到0.1m3/h。MLSS在2.5～3.0 g/L左右，SVI平均为64。
1.4 分析方法
COD的测定采用重铬酸钾法，NH4+-N的测定采用纳氏试剂分光光度法，TP的测定采用钼锑抗分光光度法，NO3--N的测定采用酚二磺酸光度法，NO2--N的测定采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法。DO采用溶氧仪进行测定，MLSS采用烘干法测定，SV和SVI采用国家标准方法测定〔3〕，污泥形态及微生物相用微生物显微镜观察。
2 试验结果与讨论
2.1 COD去除效果
图 1为不同曝气量下COD的去除情况，其中，第1—15天是曝气量为0.3m3/h时COD的变化情况，第16—30天是曝气量为0.2m3/h时COD的变化情况，第31—45天是曝气量为0.1m3/h时COD的变化情况。
从图 1可以看出，低曝气量下好氧颗粒污泥可以稳定运行，尽管进水COD变化幅度大，出水COD均比较低，COD去除率稳定，基本保持在75%～85%左右。同时在低曝气量下，在曝气量从0.3m3/h逐步降低到0.1m3/h的过程中，COD 的去除变化不大，基本不受曝气量的影响。初步分析，污水中COD的去除主要依靠微生物的吸附作用和代谢作用完成，吸附是去除COD的主要过程，而吸附过程不受曝气量大小的影响，只与颗粒污泥本身的粒径、比表面积等有关。在代谢过程中，合成代谢与分解代谢2个过程需氧量也都比较小，较低的曝气能够满足微生物在代谢过程的耗氧量。因此，在低曝气量下COD的去除并不受曝气量大小的影响，同时COD去除率能保持在稳定水平。
图 1 不同曝气量下COD的去除情况
2.2 脱氮除磷的效果
2.2.1 氨氮的去除
图 2为不同曝气量下氮的变化情况。
图 2 不同曝气量下氮的变化情况
由图 2可以看出，当曝气量为0.3m3/h时，由于进水氨氮波动大，对氨氮的去除造成一定的影响，氨氮去除率不稳定;亚硝态氮质量浓度基本在10mg/L以下，在这个过程中没有发现亚硝酸盐的积累;随着氨氮的去除，硝态氮浓度缓慢上升，但上升幅度不大，且在第12天后有所下降。初步判断，在0.3m3/h的曝气量下，有同步硝化反硝化的脱氮趋势。当曝气量为0.2m3/h时，对氨氮的去除已经不受进水氨氮变化的影响，基本没有较大波动;亚硝态氮质量浓度维持在1mg/L以下，相比于曝气量为0.3m3/h时有大幅度下降，并且没有发现亚硝酸盐的积累;硝态氮的浓度也基本趋于稳定。因此，可以确定在曝气量为0.2m3/h时，主要进行的是同步硝化反硝化脱氮，由于亚硝态氮的浓度很低，反硝化很可能比硝化反应进行得快。当曝气量为0.1m3/h时，硝态氮和出水氨氮浓度变化幅度开始变大，氨氮去除率不稳定;但亚硝态氮质量浓度低于曝气量为0.2m3/h时的情况，基本保持在0.5mg/L以下。由此可以推断，当曝气量为0.1m3/h时，脱氮过程中反硝化进程比较顺利。
好氧颗粒污泥对污水中氮的去除包括吸附氨氮〔4, 5, 6〕、吹脱氨、生物同化等多种脱氮过程〔7〕，曝气量不同，脱氮过程不同。曝气量高时，以传统脱氮为主;曝气量低时，溶解氧浓度低，反硝化菌活性强，利于同步硝化反硝化的发生。通过对比3种曝气量下的氨氮去除率(见图 3)可以发现，低曝气量下主要发生的是同步硝化反硝化脱氮。当曝气量为0.2m3/h时，氨氮去除率较高也比较稳定，受进水氨氮浓度的影响小;而当曝气量为0.1、0.3m3/h时，氨氮去除率不高，并且表现出较大幅度的波动。初步分析，较大的曝气量有助于提高氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的活性，促进硝化反应的进程;但曝气量较大会抑制反硝化菌的活性。曝气量为0.3m3/h时，很可能遏制了反硝化进程，因而影响了氨氮的去除。曝气量为0.1m3/h时，水中DO浓度低，利于反硝化进行，但硝化反应进行缓慢，影响了前期的硝化过程，降低了脱氮效果。曝气量为0.2m3/h时，可以基本满足脱氮所需的曝气量，并且不会对反硝化菌活性产生抑制，能调节硝化与反硝化对于溶解氧需求的矛盾，使硝化和反硝化都能顺利进行，有助于达到一个更好的脱氮效果。
图 3 不同曝气量下氨氮去除率对比
2.2.2 磷的去除
好氧颗粒污泥除磷主要依靠聚磷菌在好氧阶段吸收磷，厌氧阶段释放磷这一过程实现〔8, 9〕。图 4为不同曝气量下磷的去除情况。
图 4 不同曝气量下磷的去除对比
从图 4可以看出，当曝气量为0.3m3/h时，出水磷浓度较高，是3种曝气量情况中出水最差的1种，且去除率不稳定。当曝气量为0.1、0.2m3/h时，出水磷基本稳定在2mg/L左右，并且在曝气量为0.2m3/h时，尽管反应器运行至第22天时，进水磷浓度产生了一定波动，但出水磷依然较低。相比于0.2m3/h的曝气量，以0.1m3/h曝气量运行时，磷的去除率虽然有一定的波动，但整体呈上升趋势。结合对氮的变化过程的分析，在脱氮过程中，低曝气量下有利于反硝化进行，因此，在除磷过程中，聚磷菌中的大部分可能是反硝化聚磷菌。而好氧颗粒污泥本身的结构也为反硝化聚磷菌的生长提供了良好的条件，根据溶解氧浓度梯度，好氧颗粒污泥由外到内呈好氧、缺氧、厌氧的氧浓度梯度，缺氧区更利于反硝化聚磷菌的生长。通过试验发现，表面溶解氧浓度越大，溶解氧的浓度梯度越大，氧穿过颗粒污泥的径向距离越远。过度曝气会导致好氧阶段后期聚磷菌体内PHB的不足，从而使得系统除磷性能恶化。因此，初步分析在曝气量为0.1m3/h的情况下，好氧颗粒污泥内部更容易形成缺氧区，聚磷菌体内有充足的PHB，同时更利于反硝化聚磷菌富集和释磷过程，进而保证除磷的效果。
2.3 DO的变化过程
DO对好氧颗粒污泥脱氮过程有很大影响，DO浓度不同，脱氮过程也会不同。不同曝气量下DO的变化如图 5所示。
从图 5可以看出，曝气量为0.3m3/h时，DO发生2次突跃，并且DO的变化波动大。当曝气量为0.2m3/h时，DO只发生了1次突跃，DO逐渐趋于稳定，保持在2mg/L左右。当曝气量下降至0.1m3/h时，DO不再发生突跃和骤变，变化浮动小，基本保持在1～1.5mg/L。有研究表明，好氧颗粒污泥内层的DO由颗粒表面的DO和颗粒内部的扩散系数决定。因此初步分析，曝气量越大，好氧颗粒污泥表面的DO越大，DO传递过程越快，而好氧颗粒污泥的传质受内部结构的影响大，越靠近核心的地方，传质阻力越大，所以在传递DO的过程中，当外部DO扩散至阻力较大的区域时，扩散会停止，或可能发生反向扩散，进而使水中DO回升。但曝气量小，DO低时，扩散速度本身较慢，DO传递至阻力大的地方，由于内外部DO浓度差小，反向扩散的可能性也小，导致水中DO不会发生突跃，且DO较为稳定。因此，低DO有利于好氧颗粒污泥内层形成厌(缺)氧条件，增强反硝化作用，利于PHB产量的增加，减少剩余污泥的产量。同时，从图 5还可以看出，曝气量在0.3m3/h以下时，继续降低曝气，DO的变化不显著。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。
图 5 不同曝气量下DO的变化
3 结论
(1)低曝气量下，好氧颗粒污泥能稳定地处理校园污水，达到碳、氮、磷高效同步去除，COD、氨氮、磷的去除率最高分别达到93.8%、87.7%、87.8%，同时去除效果能保证一定的稳定性。
(2)采用好氧颗粒污泥在低曝气量下对废水进行处理，COD的去除不受曝气量大小的影响;脱氮过程中，当曝气量为0.2m3/h时，脱氮效果最好，硝化和反硝化都能顺利进行，能够平衡脱氮过程中好氧和厌氧微生物对氧的需求。低曝气量有利于磷的去除，主要是内部的厌氧环境利于聚磷菌释磷，曝气量为0.1、0.2m3/h下的除磷效果优于曝气量为0.3m3/h下的除磷效果。曝气量降低，DO会有小幅度下降，但下降过程并不显著，且当曝气量<0.3m3/h时，水中DO浓度基本不随曝气量降低而降低。