MBR工艺在废水短程生物脱氮中的应用游新国

第40卷第2期辽宁化工Vol.40，No.22011年2月LiaoningChemicalIndustryFebruary，2011基金项目：住宅和城乡建设部科技攻关项目,项目号:2009-k7-9；辽宁省教育厅重点实验室项目,项目号:2009S084。收稿日期：2010-12-13作者简介：游新国（1957-），男，工程师，辽宁兴城人，1986年毕业于大连自来水公司职工大学给水排水专业，研究方向：水处理。E-mail：[e-mail]，电话：[phone]。通讯作者：张晓宁（1986-），女，在读研究生，从事水处理研究。E-mail：[e-mail]，电话：[phone]。MBR工艺在废水短程生物脱氮中的应用游新国1，张晓宁2（1.兴城市供水总公司，辽宁葫芦岛125100；2.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168）摘要：分析了MBR的工艺特点，探讨了MBR工艺用于废水短程生物脱氮的可行性，总结了MBR用于废水短程生物脱氮的工艺类型及其生物脱氮现象，提出了MBR在短程生物脱氮领域的发展方向。关键词：MBR；短程生物脱氮；便捷高效中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1004-0935（2011）02-0141-03废水短程生物脱氮技术是废水处理领域研究的一个热点话题，新的水质标准使越来越多的人思考和研究更加便捷高效的生物脱氮工艺。膜生物反应器（MBR）是一种新型高效的污水处理工艺，近年来随着污水处理材料的发展而得到了更加广泛的关注和应用。将MBR应用于污水短程生物脱氮具有切实的现实意义和可行性。1MBR工艺生物脱氮原理及可行性1.1废水短程生物脱氮原理废水中的氮素包括有机氮、NH4+-N、NOx--N等形式，其中以有机氮和NH4+-N为主。传统生物脱氮工艺的原理是基于硝化-反硝化这一氮素的生物转化过程，许多新型短程生物脱氮工艺如短程硝化-反硝化、同步硝化-反硝化以及好氧反硝化等也是基于此过程，但具体实现过程更加简捷。近年来，随着生物技术的不断发展，一种基于厌氧氨氧化的污水生物脱氮技术也得到了越来越多的关注。这一技术与传统的硝化-反硝化生物脱氮途径不同，它是以一种新的微生物种群——厌氧氨氧化菌为依托的，生物脱氮的实现是以厌氧氨氧化菌以NO2--N为电子受体进行厌氧氨氧化反应为基础的，其具体过程是亚硝化菌将部分NH4+-N氧化为NO2--N，然后在厌氧氨氧化菌的作用下将NO2--N与剩余的NH4+-N转化为N2气体，具体工艺可分为两种类型：在不同的反应器中分别进行亚硝化和厌氧氨氧化的半亚硝化-厌氧氨氧化耦合生物脱氮工艺（SHARON-ANAMMOX组合工艺）和两个反应在同一反应器中进行的完全自养脱氮工艺（CANON工艺）。与传统硝化-反硝化工艺相比，因其无需大量碳源，可避免二次污染等优点而倍受关注。1.2MBR工艺类型及特点MBR按工艺类型可分为三类：膜-曝气生物反应器（MembraneAerationBioreactor,MABR），萃取膜生物反应器（ExtractiveMembraneBioreactor,EMBR）和膜分离生物反应器（BiomassSeparationMembraneBioreactor,BSMBR）。其中用于污水生物脱氮的MBR是指BSMBR，简称MBR，用于固液分离和截留微生物，其显著特点是由于膜的截留作用而能够分别控制反应器的水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT），从而更加灵活地进行调节。按照膜组件与生物反应器的相对位置，MBR反应器可分为分置式、一体式和复合式3种型式。（1）分置式膜生物反应器分置式膜生物反应器是指膜组件与生物反应器分开设置，二者中间设泵，进水在生物反应器中与微生物混合反应，然后混合液经泵送至膜组件，膜组件分离后的浓液回流至生物反应器，处理水排走。该工艺膜组件与生物反应器空间上相互独立，分别独立运行，相互影响小，故具有易于调节控制，运行效果稳定，膜通量大，方便膜的清洗和更换等优点。但此工艺泵的动力消耗大，且泵的高速旋转造成较大的剪切力，会对微生物的活性产生影响。（2）一体式膜生物反应器一体式膜生物反142辽宁化工2011年2月应器又称淹没式生物反应器，是指将膜组件直接放置于生物反应器内，利用重力或泵的负压抽吸作用实现对微生物和水的分离。由于膜组件置于生物反应器内，故系统的占地面积小，且动力消耗较分置式低，但置于生物反应器内的膜组件污染较快，且清洗困难，与分置式相比，膜组件的更换也相对不方便。（3）复合式膜生物反应器复合式膜生物反应器是在一体式膜生物反应器的膜组件前加入填料，形成生物膜的一种膜生物反应器，其实质是将活性污泥法与生物膜法结合起来的膜生物反应器。该工艺的特点是进一步提高了生物反应器的生物截留能力，提高了系统的抗冲击能力，且由于填料的吸附作用减少了生物反应器内的悬浮物质，从而降低了膜污染，膜通量得到提高。1.3MBR工艺用于短程生物脱氮的可行性将MBR工艺应用于废水脱氮是充分利用了MBR能够将反应器中的HRT和SRT分开控制的特性，更加灵活地调节SRT，提高反应器内的生物量，且易于使目标微生物成为优势种群。在以硝化-反硝化为基础的废水短程生物脱氮过程中，硝化阶段的硝化细菌是自养菌，生长缓慢，世代时间长，传统工艺需要通过提高系统的水力停留时间或污泥回流比来提高污泥龄，导致构筑物体积大，能耗高[1]。MBR工艺可以充分利用膜的截留作用，在水力停留时间较短的情况下提高污泥龄，使生长缓慢的硝化细菌能够成为优势种群，提高系统生物脱氮效率。在半亚硝化-厌氧氨氧化生物脱氮过程中，这一特征则可发挥更大的作用。因为厌氧氨氧化菌的世代时间更长（11d），这给常规生物脱氮工艺带来了很大困难，而MBR的理论污泥停留时间趋于无穷大，故完全可满足世代时间11d的厌氧氨氧化菌的富集生长。2MBR生物脱氮现象及工艺在MBR工艺中，同时硝化-反硝化，短程硝化-反硝化以及厌氧氨氧化等短程生物脱氮现象都有报道，但其机理研究尚不成熟。2.1MBR中的同时硝化-反硝化生物脱氮工艺实现同时硝化-反硝化作用的MBR通常是一体式MBR或复合式MBR，其实质是通过系统内形成的缺氧/好氧的微环境来实现生物脱氮，在MBR反应器内由于MLSS比传统活性污泥法高，致使氧的传递效率受限，在菌胶团内部形成厌氧环境，从而产生同步硝化-反硝化现象。这种现象在A/O-MBR工艺的好氧MBR中存在[2]，但在低氧的一体式和复合式MBR中更明显[3]。竺云波等[4-5]研究了一体式MBR的生物脱氮过程，并探讨了有机物对脱氮过程的影响。实验结果表明，进水有机物浓度的降低削弱了有机物对硝化反应的抑制作用，有利于硝化细菌的生长而不利于系统的同步硝化-反硝化脱氮。实验中，进水COD分别为360，220，140mg/L时，生物反应器系统的TN去除率为89%，72%，22%。由此看出，在高有机负荷下，一体式MBR中的同步硝化-反硝化效果会更加显著。张小燕等[6]研究了复合式MBR对生活污水的处理效果，实验结果表明该工艺对有机物和氮的去除效率可以满足污水回用的要求。实验过程中TN的去除率由最初的10%左右提高到后期的67%，这一方面是由于在实验运行初期污泥浓度小，NH4+-N的去除效果很差，另一方面是由于生物膜厚度不够，基本没有发生同步硝化-反硝化作用。随着实验的进行，大量的活性污泥在系统中积累，并且附着在填料上生长形成一层较厚的生物膜，同时逐渐减小了系统的曝气量，反应器中的溶解氧降低，并且氧的穿透能力下降，使生物膜内部形成了一个缺氧的环境，此时同步硝化-反硝化的效果较好。郑祥等[1]进行了MBR中A/O与SND2种生物脱氮运行方式的对比试验，对影响生物脱氮的因素进行了研究。试验结果表明同步硝化-反硝化脱氮的实现是建立在有充足有机物作碳源的基础上。对于碳氮比偏低的生活污水，外加碳源有助于实现同步硝化-反硝化，从而提高TN去除率。实验中当向系统投加甲醇，使C/N值由11增加为25时，TN去除率由66.6%提高到87.7%。当有足够的有机物作碳源时，DO就成为SND工艺的重要参数。试验表明，当C/N值＞10时，将系统控制在适宜的曝气条件下，MBR同步硝化-反硝化能达到较高的TN去除率。试验中C/N值在11~14之间，进水TN在31~50mg/L，系统出水TN均＜15mg/L，TN的去除率在73%~85%之间，且运行比较稳定。2.2MBR中的短程硝化-反硝化生物脱氮工艺短程硝化-反硝化就是通过对硝化菌的抑制，把硝化反应控制在亚硝化阶段，然后就进行反硝化，从而缩短了硝化-反硝化过程中氮的转化路径，第40卷第2期游新国，等：MBR工艺在废水短程生物脱氮中的应用143减小了反应系统的运行能耗。专门以短程硝化-反硝化为主反应的MBR工艺目前较少，但不少学者都发现了MBR中存在短程硝化-反硝化现象。Wouter•Ghyoot等[7]在分置式MBR脱氮工艺研究中，李春杰等[8]在用MMBR处理焦化废水的实验中，郑育毅等[3]在用A/O-MBR组合工艺处理养猪污水的实验中都发现了短程硝化-反硝化现象，但当前这一现象的机理尚在研究当中。朱立志[9]探讨并研究了MBR处理垃圾渗滤液工艺中短程硝化-反硝化的实现，试验研究表明，在MBR中仅通过调节HRT不能实现短程硝化，但通过规律性的排泥可以实现NO2--N的积累，而稳定且高的亚硝化率正是短程硝化-反硝化成功实现的一个标志[10]。实验结果证明用MBR直接处理垃圾渗滤液可以实现短程硝化-反硝化，在C/N值合适(2.5)的情况下，NH4+-N容积负荷为0.2～0.6kg/(m3•d)，COD容积负荷为0.2～1.5kg/(m3•d)，TN容积负荷为0.2～1.2kg/(m3•d)时，相应的去除率分别约为81%、69%和51%。2.3MBR中的厌氧氨氧化生物脱氮工艺基于厌氧氨氧化的生物脱氮技术以其耗氧量少、污泥产量低、无需外加碳源、处理负荷高等诸多优点而备受关注，但无论是SHARON-ANAMMOX组合工艺还是CANON工艺，其一个最重要的问题就是厌氧氨氧化菌的富集问题。厌氧氨氧化菌在自然界广泛存在，但将其富集到能够进行大规模污水处理的程度还是相当困难的，而MBR的高生物截留作用恰为这一研究带来了新的突破口。路青等[11]研究了MBR中的厌氧氨氧化作用运行特性及运行过程中微生物群落结构及相对数量的变化，在系统运行86d时，去除的NH4+-N、NO2--N和生成的NH4+-N的比值为1︰1.14︰0.13，表明Anammox反应已经成为主导反应，经调试，最终Anammox反应器的TN容积负荷达0.245kg/(m3•d)，去除率为80%，NH4--N和NO2--N去除率分别为81%和91%。试验结果表明MBR中的厌氧氨氧化作用明显，同时T-RFLP实验证实了富集前后微生物群落结构发生明显变化，富集后整个反应器中适应厌氧氨氧化运行方式的菌种增殖较多，种类丰富，包括planctomyce、pirellula、gemmata、pseudomonas，这些菌在Anammox过程中起关键作用。郑育毅等[2]在用MBR处理养猪废水的实验中也观察到了厌氧氨氧化现象，并指出保持缺氧段的高污泥浓度会提高厌氧氨氧化效率。3存在的问题及发展方向MBR以其占地面积小，处理水质好等优点而被誉为最有前途的污水处理技术之一，其发展和应用得到了极大的关注，目前其在生物脱氮领域存在的问题和发展方向主要有以下几点：（1）MBR生物脱氮机理的研究随着生物技术的发展，生物脱氮机理的研究也在不断深入，特别是针对MBR这一特定工艺的研究也需要更加细化的研究，从而为工艺的设计和改造提供更加可靠的理论指导。（2）MBR生物除磷的研究生物除磷是当前污水处理的一个重点，通过对除磷机理的研究，探索在MBR脱氮的同时取得较好的除磷效果，具有诱人的研究价值和应用前景。（3）MBR中不同生物脱氮过程的协同作用的研究在MBR中同时硝化-反硝化，短程硝化-反硝化，厌氧氨氧化等新的生物现象都不同程度的存在，探索如何