MBR工藝對高硝酸鹽己二酸廢水脫氮效果的試驗

王小玲

(中原環保股份有限公司，河南鄭州 450000)

己二酸是化工產業中應用較為廣泛的脂肪族二元酸，主要應用于工業合成塑料、尼龍66鹽、酸化劑以及聚氨酯等產品[1]。隨著經濟的快速發展，己二酸用量逐年增加，隨之帶來生產過程中廢水排放量顯著增加。己二酸廢水對水體環境質量影響巨大，如果不經過處理直接排入河流，會導致水體中總氮(TN)偏高，水體中藻類將迅速繁殖生長，從而引起水體富營養化現象[2]。己二酸廢水傳統的處理方法是將廢液送入焚燒爐，通過噴嘴霧化燃燒處理，這種方法不僅可以分解有機物和硝酸，還可以回收部分蒸汽，但該方法操作復雜、成本高、去除率低，且處理不當容易造成二次污染[3]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.2 試驗裝置

整個MBR系統裝置由進水池、調節池、MBR反應池、出水池4個部分組成。己二酸進水桶體積為300 L，加藥調節桶體積為300 L。MBR為不銹鋼板焊接組成的立方體(2 m× 1.5 m×1.5 m)，MBR中空纖維復合膜設于反應器內部中心。MBR膜平均孔徑為0.05 μm，膜面積為70 m2，最大膜通量為1.3 m3/h，MBR中所采用的中空纖維復合膜為聚偏氟乙烯材料。MBR出水池為不銹鋼板焊接組成的長方體(1.0 m× 1.5 m×1.05 m)。MBR試驗裝置如圖1所示。

圖1 MBR系統裝置Fig.1 MBR System Installation

1.3 工藝流程

將某化工污水處理廠己二酸廢水作為系統進水進入進水池。污水經水泵抽入調節池，在調節池中補充適當的藥劑(甲醇、磷酸氫二鈉、燒堿等)，再經進水泵將污水抽入MBR反應池，設置氮氣吹脫裝置。一方面，營造反硝化細菌正常生長的缺氧環境，另一方面，清洗MBR膜，防止堵塞。接種污泥選用該化工污水處理廠缺氧池的活性污泥，污泥質量濃度約為8 400 mg/L，同時采用曝氣管，控制MBR反應池溶解氧。污水經MBR反應池處理后，通過抽吸泵進入出水池，完成污水處理。水力停留時間在30～150 h，具體數值根據水質、水量進行調節。在整個流程中，設置進出水流量計。加入接種污泥后，連續運行79 d。

在調節池中適當添加磷酸氫二鈉，為脫氮體系微生物生長、繁殖提供磷源；添加燒堿，為MBR進水調節pH，也為微生物提供有利反應條件；適當補充藥劑，不僅為生物提供反硝化碳源和磷源，而且為反硝化反應提供有利pH，對反應體系產生有利影響。2.2節中表示當加藥裝置產生故障且未能及時加藥時，脫氮體系處理效果變差，也進一步證明了投加藥劑對己二酸廢水處理有著積極的影響。

1.4 水樣及菌種分析測定方法

1.4.1 水樣

1.4.2 污泥菌種

從MBR反應池中取出一定量的第0 d(A0，接種污泥)和第79 d(A79)活性污泥樣品，通過16S rRNA高通量測序分析，研究MBR內部反硝化細菌群落結構的變化。樣品DNA提取、PCR擴增方法參考現有研究[4]，其過程包括使用E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA Kit(OMEGA)提取DNA，對獲取到的DNA定量；確定PCR反應加入的DNA量，并使用MiSeq測序平臺的V3～V4通用引物進行PCR擴增；對PCR擴增產物評估并純化，通過Illumina MiSeq 2×300平臺測序。高通量測序采用Mothur程序設置距離限制，將豐度最高的序列作為OTU的代表性序列，并進行分析。同時，Mothur程序生成Chao1指數、ACE指數以及Simpson指數。

2 結果與討論

2.1 MBR脫氮效果分析

圖2 (a)進水負荷;變化Fig.2 Changes of (a)Influent Load;(b)Nitrate Nitrogen;(c)Nitrite Nitrogen

2.2 添加碳源對MBR脫氮性能的影響

圖3 水質指標隨時間變化Fig.3 Changes of Indexes of Water Quality with Time

2.3 溫度對MBR容積負荷的影響

由圖3(b)可知，MBR容積負荷為0.06～1.07 kg N/(m3·d)。運行前28 d為MBR啟動期，容積負荷從0.06 kg N/(m3·d)提高到0.54 kg N/(m3·d)；第29～72 d為MBR運行的穩定期，此階段污泥活性最高，容積負荷達到最大，基本維持在0.7～1.0 kg N/(m3·d)；第73～79 d，由于天氣溫度變化，反應器內部平均溫度由29 ℃驟降到19 ℃，此時，平均容積負荷從穩定期的0.85 kg N/(m3·d)下降到0.31 kg N/(m3·d)。這說明溫度是影響MBR脫氮效果的重要因素。這一結論與Henze等[8]的研究結論基本一致。

2.4 pH對MBR脫氮效果的影響

MBR進水pH值<1.5，出水pH值保持在7.1～8.9。Tang等[9]研究發現當pH值在8.0～8.5時，MBR內平均容積負荷達到最大，約為0.7 kg N/(m3·d)，且保持穩定。當pH值>8.5或<8.0時，此時平均容積負荷分別為0.4、0.3 kg N/(m3·d)，說明MBR出水pH升高或降低，一定程度上會導致容積負荷下降。因此，可用MBR出水pH判斷反應器對TN的去除效果，簡單快捷。

2.5 MBR微生物菌群結構變化分析

MBR中微生物群落組成如圖4所示，所有樣品只顯示相對豐度前17名的生物(相對豐度0.9%以上)。由圖4(a)可知，在細菌門水平，變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、異常球菌-棲熱菌門(Deinococcus-Thermus)是污泥的優勢菌門，在A0中占比分別為68.91%、17.06%、8.3%，而在A79中則為77.11%、16.99%、2.96%。Proteobac-teria和Bacteroidetes在A0與A79中無較大變化，而Deinococcus-Thermus在A79中明顯降低，可能因為Deinococcus-Thermus是一類嗜熱菌，在MBR運行后期，反應器內部溫度低于20 ℃，造成其活性下降[10]。

經過79 d馴化過程，微生物在細菌屬水平上發生明顯變化，結果如圖4(b)所示。在反應器運行初期，A0中嗜甲基菌屬(Methyloversatilis)(17.82%)和生絲微菌屬(Hyphomic-robium)(16.89%)這2種反硝化菌占主導地位，這2種細菌能夠在pH為中性、溫度為34 ℃的條件下富集，為反應體系提供反硝化能力，使MBR啟動時，具有0～0.5 kg N/(m3·d)的脫氮負荷。隨著MBR運行，反應器內反應條件發生變化，其內部溫度約為19 ℃，pH值為8.6，而A79中富集了具有反硝化能力的脫氮副球菌屬(Paracoccus)(16.35%)和Thermomonas(9.75%)，這2種高效反硝化細菌的富集為反應器提供了高效反硝化的能力，在反應器運行至79 d時，其脫氮負荷達到1.07 kg N/(m3·d)。

圖4 A0和A79微生物群落分布 (a)門水平；(b)屬水平Fig.4 Distribution of A0 and A79 Microbial Communities (a)Phylum Level;(b)Genus Level

3 結論

(3)高通量測序顯示了反應器運行至79 d時，污泥中富集了Paracoccus和Thermomonas等高效反硝化菌屬，這為MBR提供高效脫氮能力，其脫氮負荷達到1 kg N/(m3·d)以上。