MBR中DO对同步硝化反硝化的影响

MBR中DO对同步硝化反硝化的影响邹联沛，张立秋，王宝贞，王琳(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090)摘要：膜生物反应器(MBR)中，在DO为1mg/L左右，MLSS为8000～9000mg/L，温度为24℃，进水pH值为7.2，COD、NH3-N分别为523～700mg/L和17.24～24mg/L的相对稳定条件下，对COD、NH3-N、TN的去除率分别为96%、95%、92%。详细分析了在控制DO的条件下，MBR发生同步硝化、反硝化的原因，并提出了在单级好氧反应器中控制DO可发生短程硝化—反硝化生物脱氮的机制。关键词：膜生物反应器；同步硝化反硝化；短程硝化—反硝化生物脱氮膜生物反应器是由膜组件和生物反应器两部分组成，由于膜具有分离截留作用，所以可使污泥被完全地截留在反应器中而维持很高的污泥浓度，DO是影响同步硝化、反硝化的一个限制条件，硝化是在好氧下发生的，而反硝化是在缺氧或厌氧条件下发生的，但在对DO实行控制的条件下，可同时在污泥颗粒的不同部位形成好氧区和缺氧区，这样便具有了同步硝化反硝化的条件。1试验装置及方法试验装置见图1。图1中，8为中空纤维膜组件，膜材质为聚丙烯酰胺，膜孔径为0.05μm，膜组件长度为0.35m，膜的表面积为1.5m2，反应器的温度用加热器调至24℃，采用微孔曝气器进行曝气，反应器的有效体积为5.4L。试验用水为人工配水，由淀粉、蔗糖、氯化铵、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、食用碱等配制而成，COD为523～700mg/L，NH3-N为17.24～24mg/L，TP为2.47～5.1mg/L左右。2DO对MBR处理效果的影响2.1DO为6mg/L左右时的处理效果在DO较高的情况下，MBR的处理效果如表1所示(MLSS通过排泥稳定在8000mg/L～9000mg/L，以下试验同)。表表1DO为6mg/L左右时的MBR处理效果123456789中国城镇水网处理时间(d)DO(mg/L)6.166.25.65.76.36.15.95.8进水COD(mg/L)661.34671.92650543523563542539534上清液COD(mg/L)31.8719.31232731343014.215.9出水COD(mg/L)19.9211.591416151917.213.210.6去除率(%)96.9998.2897.8597.0597.1396.6396.8397.5598.02进水NH3-N(mg/L)18.71921.519.320.12319.862120.2上清液NH3-N(mg/L)000.300.50.600.20出水NH3-N(mg/L)00000.20.500.090去除率(%)1001001001009997.8310099.57100上清液NO-2(mg/L)1.21.031.680.320.860.920.680.560.8出水NO-2(mg/L)1.560.821.10.60.30.390.310.30.45上清液NO-3(mg/L)6.35.17.26.36.535.235.66.45.1出水NO-3(mg/L)5.04.76.34.55.84.455.15.624.68进水TN(mg/L)20.8212219.8212419.521.921.4上清液TN(mg/L)98.7111189.27.98.26.7出水TN(mg/L)8.47.91076.77.77.17.36去除率(%)59.6262.3854.5564.6568.167.9263.5966.6771.962.2DO为3mg/L左右时的处理效果DO在3mg/L左右时的MBR处理效果见表2。表表2DO为3mg/L左右时的MBR处理效果12345678910中国城镇水网处理时间(d)DO(mg/L)3.232.83.12.932.963.22.943.1进水COD(mg/L)661632621645634583596593623.6619.3上清液COD(mg/L)27.893423212926.33129.63530.2出水COD(mg/L)19.922016142118.220.318.62319.5去除率(%)96.9996.8497.4297.8396.6996.8896.5996.8696.3196.85进水NH3-N(mg/L)171818.6242321.120.6212219.2上清液NH3-N(mg/L)100.51.20.70.20.100.10.05出水NH3-N(mg/L)0.5000.40.300.0600.030去除率(%)97.0610010098.3398.710099.7110099.86100上清液NO-2(mg/L)0.030.060.370.670.360.0560.520.0641.020.94出水NO-2(mg/L)0.090.020.310.630.20.090.310.070.630.62上清液NO-3(mg/L)2.362.163.025.664.691.982.141.633.673.96出水NO-3(mg/L)2.11.352.214.583.221.561.691.253.123.35进水TN(mg/L)1818.519.72524.320.221.619.521.320.6上清液TN(mg/L)656.711*94.55.34.288.3出水TN(mg/L)5.24586.73.242.366.97.05去除率(%)71.1178.3874.626872.4384.2685.4487.967.6165.78MBR在DO为3mg/L左右时，对COD和NH3-N的去除率都很高，对TN的去除率也较高，但存在很大的波动性。这是因为在F/M、C/N、pH、温度等恒定的情况下，DO为反硝化除氮的限制因素。当DO约为3mg/L时，在污泥絮体内部能形成缺氧区，NO-2和NO-3的生成量与DO为6mg/L时相比略有下降，说明前者比后者具有更好的反硝化效果，但由于DO还是较高，且存在波动性，导致污泥絮体内部形成的缺氧区大小和多少不恒定，所以脱氮率不能很好地保持稳定。2.3DO为1mg/L左右时的处理效果DO受控在1mg/L左右时的MBR处理效果如表3所示。表3DO为1mg/L左右时的MBR处理效果中国城镇水网处理时间(d)1234567891011DO(mg/L)1.21.031.111.21.51.230.861.11.050.97进水COD(mg/L)661.3636561.2498.1518.8636671.9700642635.2598上清液COD(mg/L)35.866086.9422.6431.745069.5189.8449.67456.8出水COD(mg/L)15.943027.6618.8719.843011.5915.6320.321.623.5去除率(%)97.5995.2895.0796.2196.1895.2898.2897.7796.8496.696.07进水NH3-N(mg/L)19.5520.9723.82218.920.9718.1320.682120.922上清液NH3-N(mg/L)01.71.421.61.71.131.981.982.31.62.4出水NH3-N(mg/L)00.850.850.90.51.131.080.8514.71.031.14去除率(%)10095.9596.4395.9197.3694.6194.0495.8991.9195.0794.82上清液NO-2(mg/L)0.370.0150.0150.0060.0040.0080.340.0540.0020.0380.03出水NO-2(mg/L)0.0370.0060000.01420.0680.036000.006上清液NO-3(mg/L)0.06500.0480.0560.04700.450.042000.008出水NO-3(mg/L)0.04800.0480.0340.0600.390.040000进水TN(mg/L)2220.132422.819.421.619.622.120.622.324.32上清液TN(mg/L)1.312.223.433.22.54.23.12.242.932.91出水TN(mg/L)0.90.332.11.621.3332.20.851.281.54去除率(%)95.9198.3693.2592.9889.6993.8484.6990.0595.8794.2693.67从表3可以看出，DO约为1mg/L时，对COD去除的影响不是很大，反应器污泥对COD的去除率可维持在91%，经过膜过滤后，对COD的总去除率仍可维持在97%左右。此时，上清液的COD值略有上升，这可为反硝化细菌提供较充足的有机物。DO约为1mg/L时，对NH3-N的去除率在95%左右，所以对NH3-N的去除也无太大的影响，但对TN的去除率很高，去除率可达92%左右。此时，基本无NO-2和NO-3的生成，说明反硝化效果良好。TN的去除率很高且相对较稳定，这是因为在F/M、C/N、pH、MLSS、温度恒定的情况下，DO为反硝化除氮的限制因素。当DO约为1mg/L时，在污泥絮体内部能形成很好的缺氧区，所以反硝化能力加强，且除氮率能很好地保持稳定。2.4DO为0.5mg/L左右时的处理效果DO受控在0.5mg/L左右情况下的MBR处理效果如表4所示。左右时的MBR处理效果处理时间(d)123456DO(mg/L)0.50.470.40.630.510.72进水COD(mg/L)623652631659.75650659.75上清液COD(mg/L)12314516832.1213580.06出水COD(mg/L)45798622.8254.614.52去除率(%)92.7887.8886.3796.5491.697.8进水NH3-N(mg/L)24232218.1319.218.4上清液NH3-N(mg/L)1213121.987.45.1出水NH3-N(mg/L)87.891.596.22.83去除率(%)66.6766.0959.0991.2367.7184.62上清液NO-2(mg/L)0000.08500.023出水NO-2(mg/L)000000上清液NO-3(mg/L)0000.06500.11出水NO-3(mg/L)000000进水TN(mg/L)24.925.223.219.418.619.6上清液TN(mg/L)1514112.59.874.5出水TN(mg/L)108.9112.59.874.5去除率(%)59.8464.6852.5987.1146.9477.04从表4可以看出，当DO控制在0.5mg/L左右时，MBR对COD、NH3-N、TN的去除率都迅速下降，并且很不稳定，这说明此时供氧已严重不足，造成出水效果很不好；而当DO在0.5mg/L以上时，出水COD存中国城镇水网在波动，有时处理效果还很好。当出水COD很高时，而总氮只比出水氨氮大一点，这种情况是配水时没有使用含氮有机物的缘故。3同步硝化反硝化的机理探讨污泥絮体同时硝化反硝化模型见图2。如图2所示，在菌胶团的好氧区生活着很多异养好氧菌群，它们能将有机物氧化分解，同时消耗大量的DO，这又为缺氧区的反硝化细菌创造了反硝化的条件。此外，含氮有机物在彻底分解之前通过氨化作用产生的氨又为亚硝酸细菌提供了底物，一般通过两条途径传至亚硝酸细菌：一是直接扩散至相邻的亚硝酸细菌，二是先扩散至主体区，然后再扩散至亚硝酸细菌。当然第一种情况的机率要大些，因为这符