MBR处理高浓度氨氮废水中生物脱氮问题的探讨*

崔喜勤，林君锋

(福建农林大学资源与环境学院，福建　福州　350002)



MBR处理高浓度氨氮废水中生物脱氮问题的探讨*

崔喜勤，林君锋

(福建农林大学资源与环境学院，福建福州350002)

在以好氧膜生物反应器(MBR)处理高浓度氨氮废水的试验研究中，针对系统获得极高生物硝化率(氨氮的去除率基本保持在99%以上)的原因、试验初期出现的亚硝态氮积累现象、试验中期总氮去除效果高于理论值的原因三个方面进行了详细分析，结果表明，MBR的运行特点是其实现完全硝化的重要保证，高浓度氨条件下的亚硝化过程是不稳定的，微生物合成代谢对总氮的去除有一定贡献。

膜生物反应器(MBR)；生物脱氮；生物硝化；亚硝化过程

1　实　验

1.1装置

实验装置详见图1，采用恒压一体式运行方式，膜组件参数：聚乙烯中空纤维膜，面积0.6 m2，孔径0.18 μm；反应器分为缺氧区、主曝气区和膜区三部分，相应的容积分别为3 L、3 L和8 L。进水由电磁阀和液位控制计控制，出水通过时间继电器控制采用16.2 kPa的恒压间歇出水，为了增强水力冲刷在膜区设有循环导流板。

图1　MBR试验装置图Fig.1　Experimental set-up of MBR

1.2实验用水水质

本试验用水取自生活垃圾卫生填埋场产生的渗滤液，其水质情况见表1。

表1　生活垃圾卫生填埋场渗滤液水质情况Table 1　Water quality of the leachate from municipal solid waste landfill site

1.3分析方法

本试验分析的主要指标及测定方法如表2所示。

表2　主要监测指标与分析方法Table 2　Monitoring indexes and analysis means

注：表中各监测指标的分析方法均来自参考文献[2]。

2　结果与讨论

2.1MBR获得良好氨氮去除效果的分析

图2　整个试验阶段氨氮的去除情况Fig.2　Variation of removal rates of -N with time

(1)参与硝化过程的硝化细菌属于自养菌，其生长速率慢，增殖周期长，故需要较长的污泥停留时间以保证其成为优势菌种。但在传统的以悬浮态生长的活性污泥法系统中，通过重力沉降和污泥回流通常难以保证较长的污泥停留时间使硝化细菌得以充分增殖，故硝化系统启动缓慢且硝化过程不彻底。而MBR之所以能够实现完全彻底硝化的重要原因是其以膜的物理过滤实现活性污泥和水的分离，可保证活性污泥被100%截留在反应器中，进而可维持很长的污泥停留时间以利于硝化细菌的充分生长繁殖，最终取得稳定良好的硝化效果。

(2)在MBR中与硝化细菌存在竞争关系的好氧异养菌受到一定程度的限制。本试验装置的水解区因维持缺氧环境而担负了重要的反硝化功能，进水中一部分有机物通过此作用去除，这使得后续好氧区中的异养菌因有机营养基质的限制而不能得以优势增殖；此外由于MBR中膜的高效截留作用虽然可有效进行泥水分离，但同时也会截留积累过多的溶解性微生物产物(SMP)[3-4]，进而影响好氧异养菌的活性[3,5-7]，这均使得硝化细菌不会受到与其在获取溶解氧和营养物质方面存在竞争关系的好氧异养菌的不利影响，从而确保硝化细菌成为优质菌种。

(3)MBR反应器中活性污泥絮体结构尺寸较普通活性污泥法更细小[1]，微生物生长更分散，这些都更有利于氧的传质，确保好氧硝化反应的顺利进行。

由此可见，在合适的pH值和水温、充足的碱度和溶解氧等适宜环境条件下，MBR的构造和运行特点是其实现完全硝化的重要保证。

2.2试验初期出现的亚硝态氮积累问题分析

图3　亚硝态氮积累情况Fig.3　Variation of accumulation of nitrite nitrogen with time

2.3试验中期系统对总氮去除效果的分析

图4　系统总氮的去除情况Fig.4　Variation of removal rates of total nitrogen with time

(1)总氮的去除需要经过好氧条件下的硝化作用和缺氧条件下的反硝化作用协同完成，其中能够作为反硝化电子供体的必须是各种有机物，MBR反应器中主要有两类可供反硝化利用的有机物，即废水中易降解的有机物和微生物的细胞质物质。以废水中原有的易降解有机物(BOD)为反硝化碳源时，每去除1 g的NO3-N理论上需要消耗2.86 gBOD[13]，以微生物细胞物质作为反硝化碳源时，每去除1 g的NO3-N理论需要消耗1.61 g的细胞物质(VSS)[13]。

由图4可知，试验中期(第48～104 d)系统对总氮的去除效果较好(去除率基本保持在75%以上)，分析第55～81天中5次检测的数据根据上面的关系计算结果如表3所示。

表3　总氮去除与COD去除的关系Table 3　The relationship between removal of total nitrogen and COD

注：生物去除的COD=进水COD-膜区混合液经滤纸过滤后出水COD。

由表3可知，生物去除的COD量均大于反硝化消耗的BOD量，即该反硝化过程所需的碳源主要来源于试验废水所提供的BOD，废水中满足反硝化碳源是充足的。由此可见，供给反硝化过程充足的有机碳源是系统总氮去除效果好的一个原因；此外，生物脱氮过程硝化反应是限制步骤，而本系统好氧区高程度的硝化反应即是缺氧区反硝化过程顺利进行的前提，从而保证了整个系统良好的总氮去除效果。

(2)通常情况下，缺氧/好氧(A/O)法脱氮系统中总氮的去除率与混合液回流比之间存在着一定的关系，混合液回流比越大，脱氮效果越好，其理论关系式为ηTN=R/(1+R)。由此关系式计算可知，系统生物硝化产生的NOx-N不能全部通过反硝化作用转化为N2去除，其去除率ηTN与混合液回流比R有关，可以通过增加R值提高ηTN值，但工程上R值一般不超过400%，因为其过大则会将混合液中过多的溶解氧引入反硝化的缺氧区而破坏缺氧环境，同时也会使回流混合液的能耗增加。因此R值若按400%计ηTN的理论最大值应为83%，如果考虑一部分氮作为营养物质用于微生物同化合成，则系统的脱氮率会比理论计算值高一些[13]。

表4　微生物合成代谢所需氮量占总氮去除率的比例Table 4　The ratio of total nitrogen removal rate of microbial synthesis metabolism

在实验的第55～81 d，混合液回流比为300%时，本试验系统实现了良好的总氮去除效果，其中5次的监测结果发现总氮去除率均高于R为300%时的理论计算值。根据文献[14]，生物合成代谢所需氮量N=0.122△X(△X为污泥产率kgVSS/d)，经核算此阶段MBR中平均污泥产率系数为0.14 kgVSS/kgCOD，通过关系式计算结果如表4所示。

从表4可以看出，一部分氮量作为营养物质用于微生物同化合成是此阶段总氮去除率高于理论值的主要原因。

3　结　论

(1)MBR在处理高浓度氨氮的垃圾渗滤液时，在良好的环境条件下(反应器中充足的碱度和溶解氧、合适的pH值以及温度等)，MBR的运行特点是其实现稳定高效的生物硝化过程的重要保证。

(3)当回流比为300%、C/N为5.2时，系统总氮的去除率为75.2%～82.2%，高出理论计算值0.2%～7.2%，经分析微生物同化合成所需氮量占总氮的百分比为5.2%～6.3%，即微生物同化合成对总氮的去除有一定贡献。

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[14]张自杰.环境工程手册(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

福建省教育厅科技项目：MBR实现同步短程硝化-反硝化的控制因素及稳定性研究(JB12057)。

崔喜勤(1977-)，女，副教授，研究方向为污水生物处理技术。

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1001-9677(2016)09-0061-04