MBR處理高濃度氨氮廢水中生物脫氮問題的探討*

崔喜勤，林君鋒

(福建農林大學資源與環境學院，福建　福州　350002)

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MBR處理高濃度氨氮廢水中生物脫氮問題的探討*

崔喜勤，林君鋒

(福建農林大學資源與環境學院，福建福州350002)

在以好氧膜生物反應器(MBR)處理高濃度氨氮廢水的試驗研究中，針對系統獲得極高生物硝化率(氨氮的去除率基本保持在99%以上)的原因、試驗初期出現的亞硝態氮積累現象、試驗中期總氮去除效果高于理論值的原因三個方面進行了詳細分析，結果表明，MBR的運行特點是其實現完全硝化的重要保證，高濃度氨條件下的亞硝化過程是不穩定的，微生物合成代謝對總氮的去除有一定貢獻。

膜生物反應器(MBR)；生物脫氮；生物硝化；亞硝化過程

1　實　驗

1.1裝置

實驗裝置詳見圖1，采用恒壓一體式運行方式，膜組件參數：聚乙烯中空纖維膜，面積0.6 m2，孔徑0.18 μm；反應器分為缺氧區、主曝氣區和膜區三部分，相應的容積分別為3 L、3 L和8 L。進水由電磁閥和液位控制計控制，出水通過時間繼電器控制采用16.2 kPa的恒壓間歇出水，為了增強水力沖刷在膜區設有循環導流板。

圖1　MBR試驗裝置圖Fig.1　Experimental set-up of MBR

1.2實驗用水水質

本試驗用水取自生活垃圾衛生填埋場產生的滲濾液，其水質情況見表1。

表1　生活垃圾衛生填埋場滲濾液水質情況Table 1　Water quality of the leachate from municipal solid waste landfill site

1.3分析方法

本試驗分析的主要指標及測定方法如表2所示。

表2　主要監測指標與分析方法Table 2　Monitoring indexes and analysis means

注：表中各監測指標的分析方法均來自參考文獻[2]。

2　結果與討論

2.1MBR獲得良好氨氮去除效果的分析

圖2　整個試驗階段氨氮的去除情況Fig.2　Variation of removal rates of -N with time

(1)參與硝化過程的硝化細菌屬于自養菌，其生長速率慢，增殖周期長，故需要較長的污泥停留時間以保證其成為優勢菌種。但在傳統的以懸浮態生長的活性污泥法系統中，通過重力沉降和污泥回流通常難以保證較長的污泥停留時間使硝化細菌得以充分增殖，故硝化系統啟動緩慢且硝化過程不徹底。而MBR之所以能夠實現完全徹底硝化的重要原因是其以膜的物理過濾實現活性污泥和水的分離，可保證活性污泥被100%截留在反應器中，進而可維持很長的污泥停留時間以利于硝化細菌的充分生長繁殖，最終取得穩定良好的硝化效果。

(2)在MBR中與硝化細菌存在競爭關系的好氧異養菌受到一定程度的限制。本試驗裝置的水解區因維持缺氧環境而擔負了重要的反硝化功能，進水中一部分有機物通過此作用去除，這使得后續好氧區中的異養菌因有機營養基質的限制而不能得以優勢增殖；此外由于MBR中膜的高效截留作用雖然可有效進行泥水分離，但同時也會截留積累過多的溶解性微生物產物(SMP)[3-4]，進而影響好氧異養菌的活性[3,5-7]，這均使得硝化細菌不會受到與其在獲取溶解氧和營養物質方面存在競爭關系的好氧異養菌的不利影響，從而確保硝化細菌成為優質菌種。

(3)MBR反應器中活性污泥絮體結構尺寸較普通活性污泥法更細小[1]，微生物生長更分散，這些都更有利于氧的傳質，確保好氧硝化反應的順利進行。

由此可見，在合適的pH值和水溫、充足的堿度和溶解氧等適宜環境條件下，MBR的構造和運行特點是其實現完全硝化的重要保證。

2.2試驗初期出現的亞硝態氮積累問題分析

圖3　亞硝態氮積累情況Fig.3　Variation of accumulation of nitrite nitrogen with time

2.3試驗中期系統對總氮去除效果的分析

圖4　系統總氮的去除情況Fig.4　Variation of removal rates of total nitrogen with time

(1)總氮的去除需要經過好氧條件下的硝化作用和缺氧條件下的反硝化作用協同完成，其中能夠作為反硝化電子供體的必須是各種有機物，MBR反應器中主要有兩類可供反硝化利用的有機物，即廢水中易降解的有機物和微生物的細胞質物質。以廢水中原有的易降解有機物(BOD)為反硝化碳源時，每去除1 g的NO3-N理論上需要消耗2.86 gBOD[13]，以微生物細胞物質作為反硝化碳源時，每去除1 g的NO3-N理論需要消耗1.61 g的細胞物質(VSS)[13]。

由圖4可知，試驗中期(第48～104 d)系統對總氮的去除效果較好(去除率基本保持在75%以上)，分析第55～81天中5次檢測的數據根據上面的關系計算結果如表3所示。

表3　總氮去除與COD去除的關系Table 3　The relationship between removal of total nitrogen and COD

注：生物去除的COD=進水COD-膜區混合液經濾紙過濾后出水COD。

由表3可知，生物去除的COD量均大于反硝化消耗的BOD量，即該反硝化過程所需的碳源主要來源于試驗廢水所提供的BOD，廢水中滿足反硝化碳源是充足的。由此可見，供給反硝化過程充足的有機碳源是系統總氮去除效果好的一個原因；此外，生物脫氮過程硝化反應是限制步驟，而本系統好氧區高程度的硝化反應即是缺氧區反硝化過程順利進行的前提，從而保證了整個系統良好的總氮去除效果。

(2)通常情況下，缺氧/好氧(A/O)法脫氮系統中總氮的去除率與混合液回流比之間存在著一定的關系，混合液回流比越大，脫氮效果越好，其理論關系式為ηTN=R/(1+R)。由此關系式計算可知，系統生物硝化產生的NOx-N不能全部通過反硝化作用轉化為N2去除，其去除率ηTN與混合液回流比R有關，可以通過增加R值提高ηTN值，但工程上R值一般不超過400%，因為其過大則會將混合液中過多的溶解氧引入反硝化的缺氧區而破壞缺氧環境，同時也會使回流混合液的能耗增加。因此R值若按400%計ηTN的理論最大值應為83%，如果考慮一部分氮作為營養物質用于微生物同化合成，則系統的脫氮率會比理論計算值高一些[13]。

表4　微生物合成代謝所需氮量占總氮去除率的比例Table 4　The ratio of total nitrogen removal rate of microbial synthesis metabolism

在實驗的第55～81 d，混合液回流比為300%時，本試驗系統實現了良好的總氮去除效果，其中5次的監測結果發現總氮去除率均高于R為300%時的理論計算值。根據文獻[14]，生物合成代謝所需氮量N=0.122△X(△X為污泥產率kgVSS/d)，經核算此階段MBR中平均污泥產率系數為0.14 kgVSS/kgCOD，通過關系式計算結果如表4所示。

從表4可以看出，一部分氮量作為營養物質用于微生物同化合成是此階段總氮去除率高于理論值的主要原因。

3　結　論

(1)MBR在處理高濃度氨氮的垃圾滲濾液時，在良好的環境條件下(反應器中充足的堿度和溶解氧、合適的pH值以及溫度等)，MBR的運行特點是其實現穩定高效的生物硝化過程的重要保證。

(3)當回流比為300%、C/N為5.2時，系統總氮的去除率為75.2%～82.2%，高出理論計算值0.2%～7.2%，經分析微生物同化合成所需氮量占總氮的百分比為5.2%～6.3%，即微生物同化合成對總氮的去除有一定貢獻。

[1]顧國維,何義亮. 膜生物反應器在污水處理中的研究和應用[M].北京:化學工業出版社,2002:1-392.

[2]國家環保局水和廢水監測分析方法編委會.水和廢水監測分析方法.4版[M].北京:中國環境科學出版社, 2002:211-281.

[3]崔喜勤,林君鋒. MBR處理城市垃圾滲濾液中溶解性微生物產物(SMP)的影響分析[J].江西農業大學學報(自然科學版),2012(6):1281-1285.

[4]劉銳,黃霞,范彬,等.膜生物反應器中溶解性微生物產物的研究進展[J].環境污染防治與設備,2002,3(1):1-7.

[5]張海豐,孫寶盛,趙新華,等.溶解性微生物產物對浸沒式膜生物反應器運行的影響[J].環境科學,2008,29(1):82-86.

[6]Xia Huang,Rui Liu.Behaviour of soluble microbial products in a membrane bioreactor[J].Process Biochemistry,2000,36:401-406.

[7]Zhang B,Yamamoto K.Seasonal change of microbial population and activities in a building wastewater reuse system using a membrane separation activated sludge process[J].Water Science Technology,1996,34 (5):606-609.

[8]文一波,錢易.焦化廢水生物脫氮研究[J].環境科學,1992,13(3):45-50.

[9]袁林江,王志盈,彭黨聰.生物流化床內亞硝酸積累試驗[J].中國環境科學,2000,20(3):207-210.

[10]Turk O,Mavinic DC.Maintaining nitrite build-up in a system acclimated to free ammonia [J].Water Research,1989,23(22):1383-1388.

[11]Anthonisen A C,Laoehr R C.Inhibition of nitrification:by ammonia and nitrous acid Jour[J].Water pollution Control Fed.,1976,48:835-850.

[12]Sutherson S.Inhibition of nitrite Oxidation during nitrification:some observations[J].Water pollut.Res.J can.,1986,21:257-266.

[13]鄭興燦,李亞新.污水除磷脫氮技術[M].北京:中國建筑工業出版社,1998:190-194.

[14]張自杰.環境工程手冊(水污染防治卷)[M].北京:高等教育出版社,1996:518-519.

Discussion on Biological Nitrogen Removal in Treatment of High Ammonia Nitrogen Wastewater Using MBR*

CUI Xi-qin, LIN Jun-feng

(College of Resources and Environment，Fujian Agriculture and Forestry University，Fujian Fuzhou 350002，China)

In the experiment of treatment of wastewater with high concentration of ammonia nitrogen by a membrane bioreactor, the reason of high biological nitrification rate, the accumulation of nitrite nitrogen in initial experiment and the causation of higher removal rate of total nitrogen than theoretical result in mid test were discussed. The results showed that the operating characteristics of MBR was very key for complete nitrification, nitrosation process was unstabitily under high concentration of ammonia, microbial synthesis and metabolism had the contribution for removal of total nitrogen.

membrane bioreactor (MBR); biological nitrogen removal; biological nitrification; nitrosation process

福建省教育廳科技項目：MBR實現同步短程硝化-反硝化的控制因素及穩定性研究(JB12057)。

崔喜勤(1977-)，女，副教授，研究方向為污水生物處理技術。

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A

1001-9677(2016)09-0061-04