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1、血Q国设计师网眄MBR中的同步硝化一反硝化王琳1，何圣兵 2，王宝贞21中国海洋大学，青岛市鱼山路5 号 2660032哈尔滨工业大学，哈尔滨市西大直街66 号，150006摘要：试验考察了在膜生物反应器中进行同步硝化反硝化的可能性。并给出在不影响系统的运行效能的前 提下，进行同步硝化反硝化的宪制性试验条件和运行参数，适宜的溶解氧浓度为：0.8-1.0mg/L最高的F/M 条件下，硝化菌的硝化效能并没有因占优势种群异养菌的竞争而受到抑制。当进水F/M 提高至0.423kgCOD/kgMLSS.d时，MBR对TN的平均总去除率升高到了 89.90%。C/N比对总氮的去除率影响较 大，随着C/N比
2、从6.12增加到39.37，总氮去除率从18.14%增加到92.54%。关键词：硝化、反硝化、MBR、在生物污水处理厂中对氮的去除主要是通过硝化和反硝化两个过程来实现的。硝化和反硝化过程是由活性 污泥中两类不同的微生物来完成的。由于硝化菌和反硝化菌的不同生理特性，污水处理中对总氮的去除往 往是在两级系统中实现的。硝化和反硝化这两个过程能够在一个反应器中同时发生。这个现象也被称为同 步硝化反硝化。从生物学角度来看，由于超滤膜的强制截留作用，使得自养型硝化菌和异养型反硝化菌能够在 MBR 中并 存，从而使同步硝化一反硝化的发生成为可能。MBR中能够存在高浓度的活性污泥，限制了氧气向污泥絮 体内部的
3、扩散，因而在污泥絮体内部能够形成缺氧环境，在这种条件下，硝化反应可以在有氧的污泥絮体 表面进行，而反硝化则可以在缺氧的絮体内部进行。有研究表明，只有当系统的有机负荷小于0.18kgBOD5/kgMLSS.d时，硝化菌才能在生化系统中得以保留。 在该研究中，系统中由于膜的截流作用，系统中的污泥浓度高于常规活性污泥工艺，致使系统中的有机负 荷小于上述条件。由于膜组件的物理截留作用，能够将HRT和SRT完全分离，在MBR中较容易获得实现同步硝化一反硝化 的条件。在本研究中，考察DO、有机负荷（F/M）和C/N比等因素对同步硝化一反硝化的性能的影响，并 建立同步硝化反硝化的动力学模型，以加深对单级脱氮
4、工艺的理解。1 实验装置与方法11 实验原水此阶段实验用原水采用人工配水，原料为淀粉、蔗糖、氯化铵、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠和碳酸氢钠，根 据实验需要配制相应的原水。实验期间，生物处理单元的水温控制在2022C, MBR中水力停留时间为6 小时。在实验中，通过排泥使MBR中污泥浓度维持在5 0006 000mg/L之间。12 实验装置实验装置如图 1 所示，具体的参数如下：（ 1）高位水箱尺寸为：1000600400mm3,有效容积为200升，用以贮存实验用原水。（ 2）液位平衡箱尺寸为：200200200mm3,内设有浮球阀，用以调节MBR反应器中的水位，使进水量与膜出水保持平衡。1高位水箱,
5、2液位平衡箱,3 MBR反应器,4膜组件,5微孔曝气器,6空压机,7气体流量计图 1 实验装置图（ 3） MBR 反应器反应器尺寸为：160160700mm3,有效容积为16.3 升,在反应器的底部布设一直径为150mm的微孔曝气器。 在反应器的上部淹没放置一个中空纤维式超滤膜组件，膜出水的动力由静水头H提供。超滤膜的性能如表 1 所示。国设计师网艸水表1超滤膜性能Table 1 Characteristics of the test ultrafiltration membrane指标 数值或说明膜材料 聚丙烯膜表面积 (m2) 约 2.0最大孔径(pm) 0.1纤维长度 (m) 约 0.3
6、5 截留分子量 (dalton) 500001 3 实验分析方法 实验采用的水质分析方法为国家环保局水与废水检测分析方法，具体方法见表 2。表 2 水质分析方法Table 2 Analytical methods for wastewater quality编号 分析项目 单位 分析方法1 CODcr mg/L 回流法2 BOD5 mg/L 稀释接种法3 NH3-N mg/L 钠试剂分光光度法4 N02-N mg/L N(1萘基)一乙二胺光度法5 NO3-N mg/L 酚二磺酸分光光度法6 TN mg/L 过硫酸钾氧化紫外分光光度法7 TP mg/L 过硫酸钾氧化氯化亚锡还原光度法8 pH P
7、HS3C 型酸度计9 SS mg/L 重量法10 VSS mg/L 重量法11 DO mg/L YSI (MODEL 50B)溶 氧仪12 O3 mg/L 碘量法13温度C温度计14 细菌总数 CFU/mL 平板计数法15 膜通量 L/m2.h 体积法2 实验结果与分析21 同步硝化反硝化的影响因素 生物脱氮理论认为硝化、反硝化是通过两个相互独立的过程实现的，即硝化发生在好氧条件下，反硝化发 生在严格的缺氧或厌氧条件下，这种理论认为好氧和厌氧必须严格分开才能很好地进行硝化和反硝化。因 此，DO是影响同步硝化一反硝化的一个限制条件，要想在同一个反应器中实现硝化和反硝化，就必须在 同一反应器中创造
8、出好氧和厌氧并存的环境。硝化是在自养型好氧硝化菌的作用下发生的生化反应，硝化菌的比增殖速率要比异养型好氧菌约小一个数量级，前者最小比增殖速率为0.21d-1，后者为1.2d-1。要使硝化菌在生化反应系统中生存，要求污泥龄大 于4.76d，而异养型好氧菌只需要0.8d，污泥龄是影响系统的硝化性能重要的运行参数。硝化细菌生存的另一个重要的条件是有机负荷，只有当系统的有机负荷小于0.18kgBOD5/kgMLSS.d时，硝 化菌才能在生化系统中得以保留，在不影响系统的运行性能的条件小，如何有效地降低系统的有机负荷也 是影响系统的硝化性能的因素之一。反硝化过程是由反硝化细菌来完成的，大多数反硝化细菌属
9、于异养型兼性厌氧菌，在缺氧条件下，反硝化 细菌以有机物为电子供体(供氢体)，以硝酸盐为最终电子受体，氧化水中的有机物，用于产能和增殖；同 时，N03-、NO2-被还原成N2、N2O从水中逸出，从而达到脱氮的目的。为使反硝化进行得完全，必须向 反硝化池中投加一定数量的有机物。硝化过程和反硝化过程对有机物的要求刚好相反。因此，在一个反应国设计师网艸水器中实现同步硝化一反硝化，F/M和C/N比也是非常重要的影响因素。此外，影响同步硝化一反硝化的因素还有很多，如污泥的絮体结构、大小、密实度、污泥浓度、pH值以及 碱度等。如果各种因素控制得好，就可以在同一个生物反应器中实现同步硝化反硝化。在实验中，利用
10、膜生物反应器能维持高浓度活性污泥的基础上，通过排泥使MBR中污泥浓度维持在5 0006 000mg/L之间，研究DO、C/N、F/M等因素对膜生物反应器中同步硝化一反硝化性能的影响。2. 2 DO对COD去除效果的影响实验配水，进水COD控制在236.56mg/L-382.86mg/L之间，平均310.67mg/L。考察DO分别为0.8mg/L、 1.5mg/L、3mg/L和5mg/L四种情形下，上清液滤纸过滤水的COD,和MBR膜过滤出水的COD值，考察 不同的DO对COD的去除情况的影响，实验结果如图2和3所示。从图中可以看出，DO为0.8mg/L左右 时，MBR对COD的平均总去除率为9
11、2.27%；当DO升高至1.5mg/L左右时，MBR对COD的平均总去除 率为 92.48%；当 DO 又分别升高至 3mg/L 和 5mg/L 时， MBR 对 COD 的平均总去除率分别为 92.02%和 94.73%。在这四个不同含量的DO水平下，膜出水的COD值非常稳定，一直低于30mg/L。DO的变化并 没有对膜出水的COD造成影响。在实验中，膜出水中的最高COD是在DO为3mg/L的实验段出现的。总 体而言，在这四个DO水平下，MBR对进水COD均表现出了良好的去除效果。此外，通过比较滤过液和 膜出水的COD，可以看出超滤膜对COD的去除起着很好的稳定作用。图 2 进水、滤过液和膜
12、出水中 COD 的变化 Figure 2 Variation of influent, filtrate and permeate COD with operation time图 3 DO 与 COD 去除率的关系 Figure 3 COD removal as a function of DO2. 3 DO对NH3-N去除效果的影响当进水氨氮的浓度为29.49mg/L-44.72mg/L,平均37.18mg/L时，考察了不同DO对氨氮去除率的影响。从图 4和5看出，当DO为0.8mg/L左右时，膜出水中的NH3-N含量在2mg/L左右，NH3-N的总去除率为 92.09%94.52%；随着
13、DO的升高，膜出水中NH3-N的含量也有所降低。当DO分别升高至1.5mg/L、3mg/L、 5mg/L左右时，硝化均进行得较为彻底，膜出水中的NH3-N含量基本上能够保持在1mg/L以下，对NH3-N 的平均总去除率分别达到了 97.06%、96.99%和97.19%。此外，比较滤过液和膜出水中的NH3-N含量可以 看出，超滤膜对NH3-N的去除基本上没有效果，因为NH3-N的分子量较小，超滤膜对NH3-N起不到孔径 截留作用，膜出水和滤过液中NH3-N含量的少量差别应该归于超滤膜上附着的活性污泥中硝化细菌作用的 结果。图 4 进水、滤过液和膜出水中 NH3-N 的变化 Figure 4 V
14、ariation of influent, filtrate and permeate NH3-N with operation time图 5 DO 与 NH3-N 去除率的关系 Figure 5 NH3-N removal as a function of DO2. 4 DO 对 TN 去除效果的影响实验考察了 DO对TN去除效果的影响，结果如图6和图7所示。图 6 进水、滤过液和膜出水中 TN 的变化 Figure 6 Variation of influent, filtrate and permeate TN with operation time从实验结果发现，DO对TN的去除效果
15、影响较大，在初期DO为0.8mg/L左右时，MBR对TN的平均去 除率为86.58%；当DO升至1.5mg/L时，膜出水中的总氮含量升高，平均去除率降至77.53%； DO又分别 升高至3mg/L和5mg/L时，TN的平均去除率降低为65.33%和54.21%。由此可以看出，在DO含量不影响 硝化效果的前提下，随着DO的降低，TN的去除率升高。也就是在低的DO含量下，反应器中的厌氧一好 氧微环境比较容易形成，因而同步硝化反硝化也就能够进行地更为彻底。图 7 DO 与 TN 去除率的关系 Figure 7 TN removal as a function of DO2. 5 DO 对硝态氮形成的
16、影响DO 对硝态氮形成的影响见图 8。图 8 DO 对硝态氮形成的影响 Figure 8 Effect of DO on the formation of nitrite and nitrate血Q国设计师网眄随着DO的升高，硝态氮的生成量也逐步增加。从实验结果可以看出，在硝化效率相当的情形下，DO对反 硝化产生很大的影响。在低DO状态下，MBR的反硝化性能加强，硝化产生的硝态氮在很大程度上均能够 通过反硝化作用得以去除，因而出水中存在的硝态氮含量也就较低。从实验中还可以看出，硝态氮中的主 要成分是硝酸盐氮，亚硝酸盐氮的含量一直保持在一个很低的水平。根据上述实验结果，从进出水中氨氮和总氮的变化情况以及亚硝酸
