《Journal of Water Process Engineering》：Combining carbon and nitrogen removal while minimizing sludge production with intermittent aeration MBR–OSA process
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Cigdem Kalkan Aktan | Baraa Ahmed Hatib | Francesco Di Capua | Erkan Sahinkaya
马尔马拉大学环境工程系，土耳其伊斯坦布尔Goztepe，邮编34722
摘要
本研究首次探讨了间歇曝气（IA）在膜生物
Cigdem Kalkan Aktan | Baraa Ahmed Hatib | Francesco Di Capua | Erkan Sahinkaya
马尔马拉大学环境工程系，土耳其伊斯坦布尔Goztepe，邮编34722
摘要
本研究首次探讨了间歇曝气（IA）在膜生物反应器（MBR）与好氧-沉淀-厌氧（OSA）循环耦合系统中的效果。在为期358天的长期运行期间，系统地评估了不同的曝气开关周期（15/15分钟、30/30分钟、30/60分钟、60/60分钟和90/60分钟），以分析IA对系统性能的影响，包括有机物去除、氮去除和污泥产量的方面。IA-MBR-OSA工艺显著减少了污泥产量，同时保持了较高的化学需氧量（COD）和总无机氮（TIN）去除效率。在30分钟曝气、60分钟停曝的周期下，污泥产量减少了78%。在TIN去除效率方面，最佳条件为30分钟曝气、30分钟停曝的周期，此时氨氧化效率达到了91%，TIN去除效率达到了71%。此外，IA显著提高了特定反硝化速率和整体TIN去除性能。尽管较长的厌氧期会增加膜污染并提高跨膜压力，但由于其高性能和减少的污泥产量，该工艺可以被视为传统生物处理方法的强大替代方案。
引言
人口的快速增长及其相关的水资源消耗导致所有行业的废水产生量也随之增加。废水处理运营成本的上升和严格的法规要求促使人们开发更高效、更具成本效益的处理工艺。在传统污水处理厂（WWTP）中，污泥处理/处置过程占据了相当大的运营费用比例。因此，人们越来越关注那些能够同时实现高处理效率和降低污泥处理成本的技术。近年来，膜生物反应器（MBR）的应用引起了广泛关注并得到了广泛应用。淹没式好氧MBR系统被广泛用于处理低至中等污染负荷的生活废水[1]。与传统工艺相比，MBR系统在延长污泥停留时间的情况下，能够实现更高的有机碳去除和硝化效率[2]。MBR系统的最佳污泥停留时间范围为20至60天，其污泥产率系数（Yobs）介于0.154至0.104 kg MLVSS/kgCOD之间[3]，远低于传统工艺（0.25–0.50 g SS/g COD）。然而，由于需要额外的曝气来清除膜上的污泥层，MBR工艺的能耗较高。
最近，为了减少传统活性污泥（CAS）系统的污泥产量，人们开发并测试了几种工艺。其中之一是好氧-沉淀-厌氧（OSA）工艺，该工艺将回流污泥储存在与污泥回流系统相连的厌氧/厌氧池中。以往的研究表明，将OSA工艺整合到CAS系统中可以显著减少污泥产量[4][5]。考虑到MBR系统固有的较长污泥停留时间（SRT）以及OSA过程中污泥所处的不同氧化还原条件，MBR和OSA工艺的结合可以进一步降低污泥产量[6]。然而，探索OSA系统与MBR工艺结合的研究仍然较少[5][6][7]。此外，与OSA循环耦合的MBR系统始终在完全好氧条件下运行，这限制了氮的去除效果。
曝气能耗是污水处理厂（WWTP）的另一个主要运营成本。因此，已经进行了许多优化研究以减少不必要的曝气。间歇曝气（IA）被认为是一种有效且实用的方法，可以在同一反应器内通过序贯硝化-反硝化过程实现氮的去除。从连续曝气转为间歇曝气使得系统中的硝化和反硝化活动同时进行，从而实现碳和氮的联合去除[9][10]。一些研究探讨了在传统活性污泥系统中结合IA和OSA工艺以去除氮和减少污泥产量的方法[11]。同样，也有研究评估了在基于MBR的系统中应用IA以增强营养物质去除的效果[12]。然而，关于在不同IA周期下，长期运行条件下MBR-OSA系统对氮去除和污泥减少的综合影响尚未得到充分研究。
本研究采用了一个好氧MBR与厌氧污泥储存池（SHT）耦合的MBR-OSA系统来处理合成生活废水。该系统在间歇曝气条件下运行，旨在评估其对氮去除和减少污泥产量的影响。通过批次活动测试，在连续曝气和间歇曝气条件下分别测定了特定的氨氧化率和反硝化/反硝化速率。本研究将MBR、OSA和IA集成到一个配置中，并在长期运行下进行了系统评估，目的是确定不同的曝气周期如何影响氮去除性能和污泥产量。这种混合系统可以轻松集成到现有的处理厂中。
在研究过程中，应用了五种不同的曝气开关周期来全面评估间歇曝气条件下的污泥产量和硝化-反硝化性能。这些努力有助于确定曝气和非曝气阶段的最佳持续时间，从而开发出一种能耗低、污泥产量少、营养物质去除效率高的工艺。这种创新的间歇曝气MBR-OSA工艺在减少污泥产量和能耗的同时，实现了有效的有机物和氮去除，从而建立了高效且经济可行的运行条件。
章节摘录
MBR-OSA系统的配置与运行
设置了一个实验室规模的圆柱形生物反应器，工作体积为7升，配备了PVDF中空纤维超滤膜（ZeeWeed 500 M–1 M型号），孔径为0.04微米，表面积为0.23平方米。MBR中的混合仅通过曝气实现，在非曝气阶段，反应器保持静止状态，无需额外的混合装置。反应器接种了来自市政污水处理厂的种子污泥（约7克VSS/L）
有机物去除
整个运行过程中sCOD的变化如图2所示。在适应期（P1）中，仅MBR在连续曝气条件下运行（DO = 5.10 mg/L），平均sCOD去除效率为97±3%。整合OSA工艺后，sCOD去除效率达到99±1%；在阶段2（P2）到阶段8（P8）期间，sCOD去除效率保持在93±2%至99±1%之间。
尽管在整个研究过程中出水去除效率始终高于93%，但sCOD...
结论
本研究详细考察了在MBR-OSA系统中应用不同间歇曝气策略对COD和氮去除、过量污泥产生以及过滤性能的影响（运行时间为358天）。该系统保持了较高的有机物去除效率，COD去除率在93%至99%之间。此外，在30分钟曝气、60分钟停曝的周期下，污泥产量减少了高达78%。然而，观察到膜污染的趋势...
CRediT作者贡献声明
Cigdem Kalkan Aktan：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、项目管理、方法论、实验设计。Baraa Ahmed Hatib：验证、方法论、实验设计、数据分析。Francesco Di Capua：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。Erkan Sahinkaya：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、资源管理、实验设计、概念构思。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT工具来部分提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
土耳其科学技术研究委员会（项目编号：123C110）提供的财政支持。
