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好氧生物处理是一种高效实用的污水处理技术。曝气系统是好氧生物处理的核心技术单元之一,也是主要耗能单元,占据整个污水处理厂总能耗的45～75%。截止到2018年底,我国城市污水处理厂总消耗电量占全社会总用电量的0.28%,并且呈现逐年上升趋势。微孔曝气系统由于其氧传质效率高的特点被城市污水处理厂广泛应用。在运行过程中,污染物不可避免地在微孔曝气器表面和气孔内累积,导致微孔曝气器氧传质性能下降,压力损失上升。因此需要增加鼓风机的曝气量、增大鼓风机出口风压来达到相同的生物处理效果,从而加剧了曝气系统的能耗浪费。曝气系统不断累加的高能耗的问题已经成为污水处理行业节能降耗亟待解决的关键问题。本文研究了长期运行过程中,微孔曝气器表面和孔内累积的污染物的组分构成,并将污染物与氧传质效率下降相关联;通过对比不同清洗手段,提供氧传质性能恢复的最优对策;通过实地测试微孔曝气系统氧传质效率沿程变化规律,探明污水水质特征对微孔曝气设备氧传质性能的影响。这些结果对于污水处理中微孔曝气系统的精确控制与节能运行具有非常重要的意义。首先对竹园二厂的使用10年的微孔曝气器的污染物形貌与元素组成进行分析。根据旧微孔曝气器和各种化学清洗后微孔曝气器表面的扫描电镜和能谱分析结果发现,微孔曝气器在实际运行中沉积的污染物可以分为微生物污染、有机污染物和无机污染物。机械擦洗能够去除微孔曝气器累积的一半有机污染物,而对无机污染物的去除并没有任何去除效果。微孔曝气器表面刮下的外部污染物中总EPS为448mg TOC/g VS,是原泥总EPS量的10倍。NaClO通过氧化有机官能团能够去除机械擦洗后微孔曝气器残留的60%有机污染物。通过HCl进一步的化学清洗可以去除微孔曝气器累积的所有无机污染物,根据定量分析计算得出微孔曝气器累积无机污染物有3.45 g Ca2+,1.20 gFe3+和1.92 g Mg2+,得知每根微孔曝气器的无机污染物有:CaCO3的质量为9.62 g/m,Mg CO3的质量为6.75 g/m和Fe PO4的质量为3.20 g/m。为进一步探明微孔曝气器的生物污染成分,依托高通量测序开展曝气器表面与主体混合液中微生物种群结构差异性分析,明确曝气器表面的优势微生物种群。在长期运行过程中,微生物在微孔曝气器表面富集,从而增加了曝气器表面微生物丰富度和多样性。根据微生物多样性和种群分析发现,微孔曝气器表面生物污染物主要源于活性污泥,因为微孔曝气器表面环境的变化,从而使得微孔曝气器表面富集的微生物与活性污泥中的微生物并不相同,曝气器表面主要富集具有氧亲和力的亚硝酸盐氧化菌、丝状菌和EPS分泌菌。通过氧传质效率测试,将氧传质效率的下降与微孔曝气器污染进行关联,并对清洗以后的微孔曝气器进行氧传质效率测试。结果发现使用10年的微孔曝气器氧传质效率下降到73.00%,压力损失增加了3.20倍,这导致了污水处理厂曝气量上升了26.81%,污水处理厂总能耗增加了15.00%。微孔曝气器的清洗对于实际氧传质效率都有一定程度上的恢复。经过NaClO清洗后,曝气器充氧性能恢复到新曝气器的83.00%,压力损失降低到旧曝气器的45.45%,对污染物能够有效去除。而污水处理厂常规清洗剂HCl无法恢复曝气器氧传质效率,由激光共聚焦显微镜和扫描电镜可知HCl消除了无机污染物形成的结构支撑,使得有机污染物破碎分布更加分散,再次堵塞气孔。对两种化学清洗剂进行组合清洗发现,先NaClO后HCl能够达到新曝气器的86%,达到最佳的氧传质恢复效率。曝气器污染的定量分析结果为,曝气器外部污染（即生物膜生长组成）占总污染的34.00%,内部污染（包括有机和无机污染）占总污染的45.42%,而最终因为材料老化导致的不可恢复的污染占总污染的20.58%。实地测试好氧池沿程污染物去除效果,结果表明,好氧池出水端化学需氧量（COD）和氨氮（NH4-N）浓度均没有受到温度的影响,COD去除率为84.38%,NH4-N去除率为99.97%,COD和NH4-N等指标均达到GB18918-2002一级A排放标准。由沿程氮元素形态转换和物料平衡得知,好氧池中NH4-N被氧化成硝态氮,没有出现同步硝化反硝化现象。好氧池沿程溶解性COD组分划分结果发现,夏季SS占比为57.75%,相比冬季低7.03%,好氧池Zone1区域SS降解率为92.74±3.08%,说明好氧池前端处理负荷较高,中后端处理负荷较低。利用尾气分析仪对微孔曝气系统沿程氧传质效率进行测试,通过对比冬夏两季的结果发现,夏季αSOTE的值沿程变化不大,均值为25.32±0.77%,冬季αSOTE波动幅度较大,在Zone1区域为24.55%,在Zone3区域为10.85%,说明微孔曝气器可能受到了一定程度的污染。根据好氧池实际分段供氧量以及实际的需氧量计算对比得知,夏季供氧量相比需氧量高35.94%,冬季供氧量相比需氧量高25.94%,说明污水处理厂存在曝气过量和能耗浪费现象。