膜曝氣生物膜反應器脫氮性能研究

任志鵬，陳小光，唐崇儉，陸慧鋒

（1.東華大學環境科學與工程學院，上海 201600； 2.中南大學冶金與環境學院，湖南長沙 410083；3.浙江沃樂科技有限公司，浙江杭州 311100）

截至2020年我國氨氮排放量達98.4萬t〔1〕，已成為水體富營養化等環境問題〔2〕的重要致因。傳統污水脫氮技術多以生物脫氮為主，如A2/O、A/O、MBR等，但這些工藝存在效率低、能耗大、占地大以及工藝復雜等缺點〔3〕。因此，研發新型高效的脫氮工藝已成為當前熱點。膜曝氣生物膜反應器（MABR）是一種將生物膜法污水處理技術和膜分離技術結合的新興技術，其具有無泡曝氣和硝化反硝化一體的優點〔4〕。MABR將氧氣或空氣從中空纖維膜腔內充入，氧氣或空氣可通過中空纖維膜壁表面微孔傳遞至膜表面，進而傳遞至水體中；而污水中的微生物可附著于中空纖維膜的表面，同時隨著溶解氧（DO）梯度的變化，生長在中空纖維膜表面的生物膜可分為好氧層、缺氧層和厭氧層，從而滿足同步硝化反硝化的要求，在污水深度脫氮方面潛力巨大。丁國良等〔5〕研究發現在曝氣壓力0.06 MPa、HRT為12 h、C/N=5時，MABR對模擬生活污水的處理效果達 到 最 佳，COD、NH4+-N、TN的去除率分別為95.4%、79.6%、71.8%。Ming LI等〔6〕研究了低溫下（8.7～19.1 ℃） MABR的脫氮性能，發現當模擬廢水C/N在3～4時，MABR可通過部分硝化/厭氧氨氧化/部分反硝化的形式脫氮，其對NH4+-N、TN、COD的去 除 率 分 別 可 達100%、88.03%、93.42%。H.RAVISHANKAR等〔7〕研究表明，在碳源充足、供氧與需氧量匹配的條件下，采用純MABR系統處理城市污水可穩定實現同時硝化反硝化，在最佳條件下（即COD/N為3.4，供氧量/需氧量為2.4），出水TN僅為5 mg/L，TN去除率達到92%。

然而，現有可查的文獻多局限于對低濃度模擬廢水或生活污水的處理研究〔5-8〕，缺乏對高濃度工業有機實際廢水的工藝穩定性及其脫氮效能的相關報道。基于此，本研究以某食品行業高濃度的豆制品加工廢水作為處理對象，以模擬生活污水為參照，著重考察該工藝的穩定性及脫氮性能，以期為MABR生產性應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 MABR主要結構參數

采用矩形反應器，反應器的長、寬、高分別為350、80、700 mm，其有效容積為15 L。膜組件采用簾式膜，中空纖維膜內外徑分別為1.0 mm和2.0 mm，長度為50 cm，膜絲數為400，膜表面積為1.256 m2。采用連續式進水，污水從底部進入，從頂部溢出。

1.2 模擬生活污水水質

模擬生活污水〔8〕是向清水中添加葡萄糖、乙酸鈉、氯化銨和硫酸銨等藥劑控制進水COD及氨氮濃度，其水質：COD 300～500 mg/L、氨 氮10～40 mg/L、pH 7～8。實際廢水為豆制品加工廢水，其水質：COD 2 500～3 400 mg/L、TN 60～80 mg/L、氨氮10～42 mg/L、SS 1 300 mg/L、pH=4.6。可以看出該廢水C/N在25～57之間波動，且SS濃度較高，不宜采用MABR直接處理，因此先將該廢水泵入螺旋對稱流厭氧反應器（Spiral symmetrical steam anaerobic bioreactor，SSSAB）〔9-10〕中，MABR處理后續出水。經SSSAB處理 過 后 的 廢 水 水 質：COD 300～600 mg/L、TN 60～80 mg/L、氨氮40～62 mg/L、SS 2.3 mg/L、pH 7.8～8.2，可知其C/N在3～10之間，SS降至10 mg/L以下，適宜MABR處理。

1.3 啟動運行

啟動運行期采用循環掛膜法進行掛膜，接種污泥取自上海市松江區某生活污水廠曝氣池，該曝氣池內污泥主體為絮絨狀，呈黃褐色，并伴有土腥味，其SV30為22%，MLSS為3 000 mg/L，SVI為136。排出曝氣池上清液后向MABR內部加入污泥并添加模擬廢水至15 L（控制MABR內COD為400 mg/L左右，氨氮質量濃度為30 mg/L左右），啟動期間MABR內污泥質量濃度控制在（3 500±100） mg/L左右，曝氣壓10 kPa左右，水體DO控制在0.5～2.0 mg/L之間，回流流量為60 mL/min，HRT為24 h。24 h后排出MABR內上清液，并補充相同體積的模擬生活污水。

1.4 測試方法

DO和pH采用多參數水質分析儀測定；COD、NH4+-N、TN、NO3--N、NO2--N及MLSS采用中華人民共和國國家環境保護標準方法測定。

2 結果與討論

2.1 啟動運行

掛膜期間出水水質變化見圖1。

圖1 掛膜期間出水水質變化Fig.1 Change of effluent quality during biofilm growing

啟動運行期間進水COD為400 mg/L左右，氨氮質量濃度為30 mg/L左右。出水水質變化如圖1所示，在第1天—第7天中，MABR出水COD和氨氮分別在88～146 mg/L和10.6～12.0 mg/L之間波動，在第8天—第24天中，出水COD及氨氮逐漸分別穩定在54.8 mg/L和8.3 mg/L左右，而在第24天—第33天中出水COD和氨氮進一步降低，出水COD和氨氮分別穩定在25 mg/L和6 mg/L左右，COD和氨氮去除率分別在90%和80%左右。MABR系統出水穩定，此時，中空纖維膜表面逐漸覆蓋一層明顯的生物膜〔圖1（b）中照片從左到右分別為第5天、第20天和第33天中空纖維膜上微生物生長狀況〕。

2.2 曝氣壓力對MABR處理效果的影響

曝氣壓力影響著氧傳質效率和水體中的DO。由于硝化作用及反硝化作用都需要在合適的DO下進行，因此實驗首先研究曝氣壓力對COD和TN去除率的影響。進水為模擬生活廢水，其COD控制在400 mg/L左右，TN為45 mg/L左右。曝氣壓力對MABR處理效果的影響見圖2。

圖2 曝氣壓力對MABR處理效果的影響Fig.2 The influence of aeration pressure on the treatment ettect of MABR

從圖2可以看到，當曝氣壓力較低即P=6 kPa時，MABR對COD和TN的平均去除率較低（分別為81%、73%），這可能是因為曝氣壓力較低會導致氧氣供給不足，硝化作用較弱；而當曝氣壓力提高到10 kPa時，好氧和硝化作用突顯，COD和TN的平均去除率也由81%、73%升高為85%、82%；當曝氣壓力升至14 kPa時，COD平均去除率達到頂峰（最高為93%），但TN的平均去除率卻隨之下降（降低為77%），這是因為此時內層生物膜中具有足夠的DO，通過硝化作用將TN轉化為硝酸鹽，但生物膜外側水體中DO較高，抑制了MABR內反硝化作用，從而使水體中TN的平均去除率有所下降。且可觀察到較P=6 kPa或10 kPa時MABR內生物膜脫落量明顯增加，致使MABR內TN的平均去除率下降。由此可見，本裝置的曝氣壓控制在10 kPa最佳，此時COD、TN的平均去除率分別為84%、82%。

2.3 HRT對MABR處理效果的影響

理論上HRT越長對污染物的去除越徹底，但是過長的HRT勢必會造成資源浪費，因此一個合適的HRT對MABR十分重要。HRT變化期間進水COD控制在400 mg/L左右，氨氮質量濃度在45 mg/L左右，TN質量濃度為60 mg/L左右，曝氣壓控制在10 kPa。HRT對MABR處理效果的影響見圖3。

圖3 HRT對MABR處理效果的影響Fig.3 The influence of HRT on the treatment effect of MABR

如圖3所示，當HRT呈梯度性變化時即分別為24、20、16、12、8 h時，MABR對NH4+-N、TN的平均去除率從最開始的97.2%、87.5%分別降至86.5%、51.25%。在此過程中，未明顯監測到NO2--N的積累，而觀察到了NO3--N的積累，這說明在此過程中脫氮形式主要以同步硝化反硝化為主。當HRT=8 h時，可明顯看到NO3--N的積累，此時NH4+-N、TN的平均去除率明顯下降（分別降低為87.5%、51.25%），說明此時反硝化細菌短時間內未能把NO3--N轉化為N2，從而導致TN去除率降低。同時，當HRT由24 h逐漸縮短至12 h，平均出水COD分別為29、46、57、66 mg/L，出水COD平均去除率分別為92.6%、88.5%、85.8%、83.4%，出水pH較為穩定，總體在7.5±0.3之間變化。出水COD去除率最低為83.4%，最高為92.60%。而當HRT降為8 h時，出水COD達到72 mg/L，相應平均去除率降至81.85%，這是因為HRT進一步縮短，MABR內的微生物來不及消耗污水中的碳源，從而導致出水COD偏高。綜合而言，在HRT為12 h時，MABR對COD、TN、氨氮的綜合去除效果最佳（平均去除率分別為83.4%、63.75%、91.6%）。

2.4 C/N對MABR處理效果的影響

進水C/N會影響MABR內生物膜的生長及構成，適宜的C/N對反應器內部菌種分層具有重要意義。調整MABR內進水C/N期間，HRT設置為12 h，通過添加NaHCO3和Na2CO3控制進水的pH在7.5左右，控制進水TN為60 mg/L，通過調節進水葡萄糖和乙酸鈉濃度控制進水的C/N分別為3、4、5、6、7，出水水質變化如圖4所示。

圖4 C/N對COD、氨氮及TN的去除影響Fig.4 Effect of C/N on COD，ammonia nitrogen and TN removal

如圖4所示，在為期20 d的運行期間，當C/N分別為3、4、5、6、7時，出水COD的平均去除率分別為80%、85%、92%、87%、83%，隨著C/N的升高，COD的去除率總體表現為先升高后降低的變化趨勢，在C/N為5時，COD去除率最高達到92%，而當C/N為7時，COD去除負荷最高，達到了7.92 g（/m2·d）；氨氮平均去除率從92.2%降低至78.5%，TN平均去除率從72.3%上升至83.3%，隨后又降低至77.3%，在C/N為5時達到頂峰。可見，C/N為5時，COD、氨氮、TN的綜合去除效果最佳，平均去除率分別達到92%、86.5%、83.3%。

2.5 MABR處理實際廢水

MABR處理實際廢水期間曝氣壓力設置為10 kPa，HRT為12 h，回流量為60 mL/min。進出水水質變化如圖5所示。

圖5 HRT=12 h時MABR進出水水質變化Fig.5 Change of MABR influent and effluent（ HRT=12 h）

如圖5（a）所示，在第1天—第16天中MABR進水COD波動較大，從642 mg/L逐步降低至452 mg/L，后逐步穩定在520 mg/L左右；MABR出水COD逐步降低到108 mg/L，之后穩定在160 mg/L左右，COD去除率穩定在69%左右。在第17天—第24天中，中空纖維膜表面微生物逐漸適應SSSAB的出水，出水COD逐步降低為58.4 mg/L，COD去除率提升至87.4%。第25天—第43天中MABR進水COD波動較大，最低為362 mg/L，最高512 mg/L，而MABR出水平均COD為70 mg/L，COD平均去除率也達到了84.2%，單位膜面積COD去除負荷最高可達到7.46 g （/m2·d）。從圖5（b）可以看出，MABR進水TN和氨氮的波動較大，分別在62.0～83.3 mg/L和39.4～53.9 mg/L之間波動，其均值分別為72.4 mg/L和47.2 mg/L，經過MABR處理后，出水TN和氨氮的均值分別為14.7 mg/L和8.5 mg/L，平均去除率分別為79.7%、81.5%，單位膜去除負荷分別為1.38 g（/m2·d）和0.92 g（/m2·d）（以N計）。

2.6 水力條件優化

待MABR處理實際廢水穩定后，逐步將HRT降低為8 h，其出水水質變化如圖6所示。

圖6 HRT=8 h時MABR進出水水質變化Fig.6 Change of MABR influent and effluent（ HRT=8 h）

如圖6（a）所示，在第1天—第15天中出水COD從84 mg/L降至40 mg/L，在第16天—第30天中出水COD在35～39 mg/L之間波動，COD平均去除率高達92.13%。經過上一階段生物膜的馴化，MABR表現出優越的脫氮性能，由圖6（b）可知，第1天—第10天中，氨氮和TN逐步從15.6 mg/L和25.0 mg/L分別降至3.4 mg/L和10.93 mg/L，平均去除率可達到92.96%、84.98%；而在第11天—第30天中，出水氨氮和TN較為穩定，其分別在2～5 mg/L和10～15 mg/L之間波動，平均去除率可達到93.7%、83.6%，單位COD和N的膜 去除負荷分別為1.5 g（/m2·d）和2.2 g（/m2·d），與文獻〔11-13〕報道處理模擬廢水效能水平相當，其氨氮和TN的容積負荷分別為125.5 g（/m3·d）和184 g（/m3·d），優于傳統生物脫氮如AAO、AO和MBR等的容積負荷〔氨氮容積負荷為22～100 g（/m2·d），TN容積負荷為16～120 g（/m2·d）〕〔14-19〕。

3 結論

1）為實現MABR工藝的高效性，優化了MABR工藝參數。當HRT為12 h，曝氣壓力為10 kPa，C/N為5時，MABR對模擬生活污水的處理效果最好，此時COD、氨氮、TN的平均去除率分別為92%、86.5%、83.3%。

2）獲得了MABR處理實際廢水的高效能。在最優工藝參數條件下，即HRT 12 h，曝氣壓力10 kPa時，MABR的COD、氨氮、TN的平均去除率分別可達到84.2%、81.5%、79.7%；MABR的COD、氨氮、TN的容積負荷分別為1 320、125.5、184 g（/m3·d），優于傳統生物脫氮。