新型強化內源反硝化MBR工藝處理高氮、磷污水的研究

王智鵬，董欣楊，蔚龍鳳

（核工業北京化工冶金研究院，北京 101149）

眾所周知，當氮、磷在自然水體中濃度較高時，常常導致水體富營養化，其結果是嚴重破壞水體的生態環境及水質。

現有水處理工藝不能妥善解決脫氮和除磷之間對碳源競爭的固有矛盾，在氮、磷去除能力上的不足也越來越明顯。因此，改造現有工藝和開發新型工藝，有效利用碳源，提高污水脫氮、除磷效果，已成為目前急需解決的問題。新型強化內源反硝化工藝是將常規污水處理工藝主體部分的厭氧—缺氧—好氧（A—A—O）改為厭氧—好氧—缺氧（A—O—A），并利用膜生物反應器（MBR）來加強內源反硝化。研究了采用新型強化內源反硝化MBR工藝對高氮低碳污水脫氮、除磷。

1 試驗部分

1．1 試驗用水

試驗用水水質：pH 為6．0～9．0，CODcr為200mg／L，氨氮為 41．02mg／L，總磷為 7．91 mg／L。

1．2 試驗裝置

反應器原理如圖1所示。接種污泥取自某污水處理廠。試驗裝置總池容40L。所有裝置均自主設計。通過隔膜計量泵進水，用蠕動泵對混合液回流和分流，用流量計調節曝氣系統的氣量。MBR反應器膜組件為中空纖維簾式微濾膜，材料為聚乙烯，單個膜組件總表面積為0．2m2，有效垂直長度300mm，膜絲數量322～327。

圖1 反應器原理圖

1．3 試驗方法

采用靜態試驗法考察反應條件對處理效果的影響，確定反應裝置對污水脫氮、除磷的最佳反應條件。反應條件有水力停留時間（HRT）和污泥齡（SRT）。在確定的最佳條件下考察強化內源反硝化工藝對污水的處理效果。

2 試驗結果與討論

2．1 強化內源反硝化

內源反硝化是以微生物的胞內儲存物質以及細胞死亡后溶出的有機成分作為碳源進行反硝化脫氮。采用內源反硝化可以充分節省進水中的碳源，在無外加碳源條件下，解決脫氮、除磷之間對碳源的競爭，實現良好的脫氮、除磷效果。利用MBR特有的高微生物量強化內源反硝化，將常規反硝化過程（A—A—O）改為內源反硝化過程（A—O—A）。

2．2 HRT對COD去除效果的影響

在其他條件相同及基本不排泥工況下，水力停留時間對污水COD去除效果的影響如圖2所示。

圖2 水力停留時間對COD去除率的影響

由圖2看出：系統穩定運行后，COD去除率比較平緩，均高于80%；水力停留時間（HRT）為16h時，COD去除率達到峰值。因此，確定最佳水力停留時間為16h。

2．3 HRT對氨氮去除效果的影響

在其他條件相同及基本不排泥工況下，水力停留時間對氨氮去除效果的影響如圖3所示。

圖3 水力停留時間對氨氮去除率的影響

由圖3看出，氨氮去除效果相當好，平均去除率在96%以上，好于常規工藝的60%。

常規反硝化過程中，大部分氨氮最終被微生物轉化為氮氣，只有一小部分被微生物同化利用。亞硝化和硝化反應是好氧生化過程，而反硝化反應則是缺氧或厭氧生化過程［1］。反硝化作用在無氧或低氧條件下，兼性反硝化菌將亞硝酸鹽、硝酸鹽還原成氣態氮，從而實現氮的去除。利用原水碳源的前置反硝化工藝，一般氮的去除率不高，內源反硝化過程效率很低［2］，如果要進一步提高脫氮效率，需外加碳源，這勢必增加污水處理成本。內源性反硝化脫氮速率決定于細胞的營養狀況［3］，所以根據部分聚磷菌具有快速內源性反硝化脫氮能力這一特點，對常規反硝化工藝加以改造，使其在缺氧段初期的5～10min內即完成內源性反硝化脫氮反應，其反應速度不低于反硝化菌直接進行的外源性反硝化脫氮的反應速度。采用內源脫氮既可以節省外加碳源，又可以減少剩余污泥量和污泥處置費用，同時又取得了很好的脫氮效果。

2．4 HRT對總磷去除效果的影響

在其他條件相同及基本不排泥工況下，水力停留時間對總磷去除效果的影響如圖4所示。

圖4 水力停留時間對總磷去除率的影響

由圖4看出，水力停留時間對總磷去除率的影響不大，均在80%以上。

生物除磷主要是由一類統稱為聚磷菌的微生物完成的。該類微生物屬異養型細菌，Jignesh等［4］的研究表明：在厭氧條件下，磷的釋放和硝酸鹽氮的吸收呈負相關；同時，在缺氧攝取磷的過程中，存在反硝化菌與聚磷菌之間對碳源的競爭，反硝化反應會優先消耗易降解的有機物，抑制聚磷菌對磷的釋放。常規脫氮除磷工藝無法有效解決這種矛盾。由圖4看出，通過有效控制工藝條件，強化內源反硝化可以有效解決反硝化菌與聚磷菌之間對碳源的競爭這一問題，使磷的去除率達到相當高的水平。

2．5 污泥齡對污水處理效果的影響

在水力停留時間為16h條件下，不同污泥齡（SRT）對污水處理效果的影響試驗結果見表1。可以看出，SRT為30d時，該工藝對主要污染物的去除效果比較明顯。

表1 不同污泥齡條件下各主要污染物的平均去除率

2．6 最佳條件下的綜合試驗

在水力停留時間為16h、污泥齡為30d（處理水量2．5L／h）的最佳條件下，運行6個月。試驗結果見表2。

表2 最佳條件下各主要污染物的平均去除率

從表2看出，在最佳運行條件下，強化內源反硝化工藝對該污水有較好的脫氮、除磷效果：出水COD質量濃度在50mg／L以下，去除率大于85%；出水氨氮質量濃度低于1mg／L，磷質量濃度為0．83mg／L。出水水質滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。

3 結論

強化內源反硝化工藝在長期的運行過程中，脫氮、除磷效果穩定，抗沖擊負荷能力強；在最優條件（HRT＝16h，SRT＝30d）下，總磷的平均去除率在80%以上；氨氮、COD的去除率均高于85%；采用強化內源反硝化，有效地解決了脫氮、除磷對碳源需求的矛盾，在不需外加碳源情況下，達到了很好的預期效果，出水水質滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。

［1］趙慶良，劉雨．廢水處理與資源化新工藝［M］．北京：中國建筑工業出版社，2006：118－119．

［2］Abufayed A A，Schroeder E D．Kinetics and Stoichiometry of SBR／denitrification With Primary Sludge Carbon Source［J］．J Water Pollut Control Fed，1986，58（3）：398－405．

［3］羅寧，羅固源，吉方英，等．利用聚磷菌快速內源性反硝化脫氮研究［J］．重慶環境科學，2003，25（6）：32－34．

［4］Jignesh Patel，George Nakhla．Interaction of Denitrification and P removal in Anoxic P Removal Systems［J］．Desalination，2006，201（1／3）：82－99．