浸没式膜-SBR反应器去除焦化废水中氨氮的研究

云中漫步

前言

　　膜生物反应器加（Membrane Bioreactor），是通过膜分离强化生物处理效果的组合工艺。由于膜的截留作用，微生物不随出水流失，同时大分子难降解物质和微生物代谢产物也保留在反应器内，其中有些物质可能对微生物生理活动产生一些影响，使得膜生 物反应器在NH3－N的去除中，具有不同于普通活性污泥法的性质。本试验通过一年多的运行，研究了在较长泥龄条件下，膜生物反应器对焦化废水中NH3－N的去除特点，并探讨了NH3－N去除的影响因素。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验装置及材料
　　试验采用一体式膜生物反应器进行研究，试验装置如图1所示。反应器容积15L，膜组件采用PVDF中空纤维微滤膜，孔径0.15μm，膜面积0.22m2。



1.2 运行条件
　　生物反应器的运行方式分为两阶段。
　　阶段一：从1999年9月27日起的310天采用缺氧一好氧工艺运行，运行周期为24h，其中缺氧进水6h，曝气反应15h，膜排水2h（排水量11L），闲置1h。
　　阶段二：2000年8月2日--9月23日（第311天-364天）为缺氧-好氧-缺氧方式运行（9月2日-23日排水量减为8L），周期仍为24h，缺氧进水3.5（3）h，曝气15h，缺氧搅拌3.5（4.5）h，曝气排水2（1.5）h。
　　试验期间除分析少量取泥外，污泥增长缓慢，基本不排泥。经核算，泥龄为600d。
1.3 膜组件运行情况
　　排水采用恒通量方式，即固定排水量为0.14L／min，随着混合液浓度提高和膜面污染物的沉积，抽吸压力逐渐上升。为控制膜污染引起的压力上升，设定抽吸10min，停歇5min[1]，整个排水期分为8个周期。膜组件下部曝气和膜组件的垂直运动，在膜表面产生水流剪切作用，使吸附于膜面的污染物部分脱落，缓解压力上升。排水完毕，将膜组件用进水清洗后，冲洗水返回反应器内，膜用出水浸泡。系统运行一年多，未进行化学清洗，运行稳定。

2 试验结果及分析

2.1 硝化效果的影响因素
　　运行过程中，在保证温度、pH、溶解氧的条件下，进水NH3－N小于240mg／L时，出水NH3－N均小于5mg／L。春季，硝化启动后，系统进出水NH3－N变化见图2。



2.1.1 冲击负荷的影响
　　由图2分析，当进水NH3－N浓度突然升高，系统对NH3－N去除效果明显下降，污泥负荷甚至出现负值（这是因为异养菌受冲击负荷影响比硝化菌小，进水中的有机氮继续被异养菌转化为NH3－N，从而使出水NH3－N高于进水），需要经过5d以上时间才能恢复。
　　系统耐冲击负荷的能力较差，主要由于反应器内微生物多数呈分散生长，相对于传统活性污泥法的污泥絮体中集中生长的微生物来讲，抗冲击负荷的能力要差。
2.1.2 pH值的影响
　　系统对NH3－N的处理效果与出水pH值密切相关，图3为进水NH3－N为122mg／L左右时，出水NH3－N浓度与pH的关系。当pH大于8.1时，出水NH3－N才能降至10mg／L。同时，在试验中发现进水NH3－N浓度越大，要保持处理效果，要求出水pH越高（见表1）小H值对硝化的影响是暂时性的，一旦PH恢复，硝化效果很快恢复正常。



表1  进出水NH3-N和出水pH值  进水NH3-N/（mg.L-1) 65.2 72.8 91.3 117.3 121.8
出水NH3-N/（mg.L-1) ＜1 ＜1 ＜1 12 11.3
出水pH 6.62 7.77 7.54 8.12 8.15


2.1.3 温度的影响
　　初期，系统温度在20℃以上时，基本保持了良好的硝化效果。图4是几天有代表性的受温度波动影响时的处理效果。
　　降温首先影响硝酸盐细菌，使NO2-－N积累NH3－N去除率未受大的影响，出水NH3-N浓度依然较低（见图4中第24天）；第30天，温度回升，NO2--N很快降低，系统恢复；当温度持续低于20℃，亚硝酸盐细菌也受到影响，NH3－N的去除也逐渐减小，硝化作用完全停止。



2.1.4　泥龄
　　系统运行初期，进水NH3－N240mg／L左右，在未受到冲击负荷和温度、PH的影响时，NH3－N去除率为99％以上，产物主要为NO2-N，硝化效果良好。运行300d以后，当系统进水NH3－N为120mg／L时，出水已经为10mg／L左右了，而且出水主要为NO2--N。　　分析原因是因为代谢产物大部分为高分子物质，不能透过膜随出水排掉。同时，由于泥龄很长，每天排泥量很少，运行初期代谢产物的积累还比较少，随着运行时间的增加在反应器内逐渐积累。当积累到一定程度，就对硝化产生抑制。由于硝酸盐细菌对
环境比亚硝酸盐细菌敏感，硝酸盐细菌的活性几乎完全被抑制，出水中NO3--N含量很低。从NH3－N的去除情况来看，亚硝酸盐细菌也受到了影响。
2.2 膜生物反应器的硝化特性
　　由本试验结果分析，由于采用了膜生物反应器，系统的硝化具有以下几方面的特点：
2.2.1 强化对NH3－N的去除效果
　　反应器运行初期，系统具有较高的处理效率。以NH3－N去除计算的容积负荷最高可达0.19kg／（m3·d），出水NH3－N小于1mg/L，NH3－N去除率为99.9％。而针对相似水质的A／A／O工艺，只有当进水NH3－N容积负荷小于0.1kg／（m3·d）时，出水 NH3－N才小于10mg／L，容积负荷大于0.18kg／（m3·d）时，出水NH3－N大于40mg／L，NH3－N去除率降至50％以下[2]。 采用膜生物反应器可以达到很好的NH3－N去除效果的原因是由于：
　　①反应器内保持较高的污泥浓度，降低了F／M值，减弱了异养菌对溶解氧的竞争，有利于自氧硝化的进行；
　　②膜生物反应器内微生物絮体较活性污泥法细碎，污泥呈分散生长，有利于氧的传质；
　　③膜的截留作用使微生物不随出水流失，硝化菌得以在反应器内富集成为优势菌种，使NH3－N的转化更为彻底。
2.2.2 抑制硝酸盐细菌活性
　　反应器运行初期，未受到温度的影响时，进水NH3－N基本完全转化为NO2--N，无NO2--N的积累。经过冬季，硝化作用完全受到抑制，次年5月温度回升至23℃后，硝化作用迅速启动，出水NH3-N在5d内降至1mg／L以下，主要转化产物为NO2-－N，NO3-－N浓度一直保持在比较低的水平，大部分时间在10mg／L以下。
　　NH3－N→NO2-→N2的脱氮过程称为短程脱氮（short－cut biological nitrogen removal），短程脱氮避免了硝化时NO2-被转化为NO3－，反硝化时又被还原为NO2-的无效循环，理论上可以节省40％的碳源和25％的供气量[3]，由NO2-的进行的反硝化速率是NO3-的4.3倍[4]，硝化停留在NO3--N阶段有利于反硝化的进行。

3 结论

　　①系统硝化效果受温度、pH、溶解氧的影响。温度降低首先影响硝酸盐细菌，使NO2--N积累，但NH3－N去除率未受大的影响；当温度持续降低到20℃以下时，NH3－N的去除受到影响：pH对系统的影响是暂时的，最适pH与进水NH3－N浓度有关，随进水NH3－N浓度提高而增大。
　　②膜将硝化菌截留于系统中，有利于提高系统的硝化效果，在不受系统代谢产物的影响和适宜条件下，以NH3－N去除计算的容积负荷最高可达0.19kg／（m3·d），而出水NH3－N小于1mg／L，NH3－N去除率为99％。
　　③600d的泥龄使膜截留下来的微生物代谢产物和其他大分子物质在反应器内积累，抑制硝酸盐细菌活性，引起NO2--N的积累，有利于短程脱氮的进行。但最终也会影响硝酸盐细菌的活性，影响系统的硝化效果。

参考文献：

　　[1]桂萍，等.膜生物反应器运行条件对膜过滤特性的影响[J].环境科学，1999，21（2）：38－41.
　　[2]李咏梅.有毒难降解有机废水（焦化废水）生物处理的工艺及 机理研究［D］.上海：上海同济大学，1999.
　　[3]王建龙.生物脱氮新工艺及其技术原理[J].中国给水排水，2000，16（2）：29—31.
　　[4] W Bae.Factors Affecting The Dissimilative RedReduction of Nitrite ［R］.Paris：1st World water Congress of the International Water　 Association，1999.