MBR中的同步硝化—反硝化
王琳1，何圣兵2宝宝缺锌的表现，王宝贞2
1．中国海洋大学，青岛市鱼山路5号 266003
2．哈尔滨工业大学，哈尔滨市西大直街66号，150006
摘要：试验考察了在膜生物反应器中进行同步硝化反硝化的可能性。并给出在不影响系统的运行效能的前提下，进行同步硝化反硝化的宪制性试验条件和运行参数，适宜的溶解氧浓度为：0.8-1.0mg/L.最高的F/M条件下，硝化菌的硝化效能并没有因占优势种群异养菌的竞争而受到抑制。当进水F/M提高至0.423kgCOD/kgMLSS.d时，MBR对TN的平均总去除率升高到了89.90%。C/N比对总氮的去除率影响较大，随着C/N比从6.12增加到39.37,总氮去除率从18.14%增加到92.54%。
关键词：硝化、反硝化、MBR、
在生物污水处理厂中对氮的去除主要是通过硝化和反硝化两个过程来实现的。硝化和反硝化
过程是由活性污泥中两类不同的微生物来完成的。由于硝化菌和反硝化菌的不同生理特性，污水处理中对总氮的去除往往是在两级系统中实现的。硝化和反硝化这两个过程能够在一个反应器中同时发生。这个现象也被称为同步硝化—反硝化。
从生物学角度来看，由于超滤膜的强制截留作用，使得自养型硝化菌和异养型反硝化菌能够在MBR中并存，从而使同步硝化—反硝化的发生成为可能。MBR中能够存在高浓度的活性污泥，限制了氧气向污泥絮体内部的扩散，因而在污泥絮体内部能够形成缺氧环境，在这种条件下，硝化反应可以在有氧的污泥絮体表面进行，而反硝化则可以在缺氧的絮体内部进行。
有研究表明，只有当系统的有机负荷小于复方胃蛋白酶0.18kgBOD5/kgMLSS.d时，硝化菌才能在生化系统中得以保留。在该研究中，系统中由于膜的截流作用，系统中的污泥浓度高于常规活性污泥工艺，致使系统中的有机负荷小于上述条件。
由于膜组件的物理截留作用，能够将HRT和SRT完全分离，在MBR中较容易获得实现同步硝化—反硝化的条件。在本研究中，考察DO、有机负荷（F/M）和C/N比等因素对同步硝化—反硝化的性能的影响，并建立同步硝化—反硝化的动力学模型，以加深对单级脱氮工
艺的理解。
1 实验装置与方法
1．1 实验原水
此阶段实验用原水采用人工配水，原料为淀粉、蔗糖、氯化铵、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠和碳酸氢钠，根据实验需要配制相应的原水。实验期间，生物处理单元的水温控制在20~22℃，MBR中水力停留时间为6小时。在实验中，通过排泥使MBR中污泥浓度维持在5 000~6 000mg/L之间。
1．2 实验装置
实验装置如图1所示，具体的参数如下：
（1）高位水箱
尺寸为：1000´600´400mm3,有效容积为200升，用以贮存实验用原水。
（2）液位平衡箱
尺寸为：200´200´200mm3,内设有浮球阀，用以调节MBR反应器中的水位，使进水量与膜出水保持平衡。
1高位水箱, 2液位平衡箱, 3 MBR反应器, 4 膜组件, 5 微孔曝气器, 6空压机, 7气体流量计
图1 实验装置图
（3）MBR反应器
反应器尺寸为：160´160´700mm3,有效容积为16.3升，在反应器的底部布设一直径为150mm的微孔曝气器。在反应器的上部淹没放置一个中空纤维式超滤膜组件，膜出水的动力由静水头H提供。超滤膜的性能如表1所示。
表1 超滤膜性能
Table 1 Characteristics of the test ultrafiltration membrane
指标 数值或说明
膜材料 聚丙烯
膜表面积 (m2) 约2.0
最大孔径 (µm) 0.1
纤维长度 (m) 约0.35
截留分子量 (dalton) 50000
1．3 实验分析方法
实验采用的水质分析方法为国家环保局水与废水检测分析方法，具体方法见表2。
表2 水质分析方法
Table 2 Analytical methods for wastewater quality
编号 分析项目 单位 分析方法
1 CODcr mg/L 回流法
我爱运动2 BOD5 mg/L 稀释接种法
钓鱼诀窍
3 NH3-N mg/L 钠试剂分光光度法
4 NO2-N mg/L N—(1—萘基)—乙二胺光度法
5 NO3-N mg/L 酚二磺酸分光光度法
6 TN mg/L 过硫酸钾氧化—紫外分光光度法
7 TP mg/L 过硫酸钾氧化—氯化亚锡还原光度法
8 pH PHS—3C型酸度计
9 SS mg/L 重量法
10 VSS mg/L 重量法
11 DO mg/L YSI (MODEL 50B)溶氧仪
12 O3 mg/L 碘量法
13 温度 ℃ 温度计
14 细菌总数 CFU/mL 平板计数法
15 膜通量 L/m2.h 体积法
2 实验结果与分析
2．1 同步硝化—反硝化的影响因素
生物脱氮理论认为硝化、反硝化是通过两个相互独立的过程实现的，即硝化发生在好氧条件下，反硝化发生在严格的缺氧或厌氧条件下，这种理论认为好氧和厌氧必须严格分开才能很好地进行硝化和反硝化。因此，DO是影响同步硝化—反硝化的一个限制条件，要想在同一个反应器中实现硝化和反硝化，就必须在同一反应器中创造出好氧和厌氧并存的环境。
硝化是在自养型好氧硝化菌的作用下发生的生化反应，硝化菌的比增殖速率要比异养型好氧菌约小一个数量级，前者最小比增殖速率为0.21d-1，后者为1.2d-1。要使硝化菌在生化反应系统中生存，要求污泥龄大于4.76d，而异养型好氧菌只需要0.8d，污泥龄是影响系统的硝化性能重要的运行参数。
硝化细菌生存的另一个重要的条件是有机负荷，只有当系统的有机负荷小于0.18kgBOD5/kgMLSS.d时，硝化菌才能在生化系统中得以保留，在不影响系统的运行性能的条件小，如何有效地降低系统的有机负荷也是影响系统的硝化性能的因素之一。
反硝化过程是由反硝化细菌来完成的，大多数反硝化细菌属于异养型兼性厌氧菌，在缺氧条件下，反硝化细菌以有机物为电子供体（供氢体），以硝酸盐为最终电子受体，氧化水中的有机物，用于产能和增殖；同时，NO3-、NO2-被还原成N2、N2O从水中逸出，从而达到脱氮的目的。为使反硝化进行得完全，必须向反硝化池中投加一定数量的有机物。硝化过程和反硝化过程对有机物的要求刚好相反。因此，在一个反应器中实现同步硝化—反硝化，F/M和C/N比也是非常重要的影响因素。
此外，影响同步硝化—反硝化的因素还有很多，如污泥的絮体结构、大小、密实度、污泥浓度、pH值以及碱度等。如果各种因素控制得好，就可以在同一个生物反应器中实现同步硝化—反硝化。
在实验中，利用膜生物反应器能维持高浓度活性污泥的基础上，通过排泥使MBR中污泥浓度维持在5 000~6 000mg/L之间，研究DO、C/N、F/M等因素对膜生物反应器中同步硝化—
反硝化性能的影响。
2．2 DO对COD去除效果的影响
实验配水，进水COD控制在236.56mg/L-382.86mg/L之间，平均310.67mg/L。考察DO分别为0.8mg/L、1.5mg/L、3mg/L和5mg/L四种情形下，上清液滤纸过滤水的COD，和MBR膜过滤出水的COD值，考察不同的DO顺境逆境对COD的去除情况的影响，实验结果如图2和3所示。从图中可以看出，DO为0.8mg/L左右时，MBR对COD的平均总去除率为92.27%；当DO升高至1.5mg/L左右时，MBR对COD的平均总去除率为92.48%；当DO又分别升高至3mg/L和5mg/L时，MBR对COD的平均总去除率分别为92.02%和94.73%。在这四个不同含量的DO水平下，膜出水的COD值非常稳定，一直低于30mg/L。DO的变化并没有对膜出水的COD造成影响。在实验中，膜出水中的最高COD是在DO为3mg/L的实验段出现的。总体而言，在这四个DO水平下，MBR对进水COD均表现出了良好的去除效果。此外，通过比较滤过液和膜出水的COD，可以看出超滤膜对COD的去除起着很好的稳定作用。
图2 进水、滤过液和膜出水中COD的变化Figure 2 Variation of influent, filtrate and permeate COD with operation time
图3 DO与COD去除率的关系人抽筋是什么原因引起Figure 3 COD removal as a function of DO
2．3 DO对NH3-N去除效果的影响
当进水氨氮的浓度为29.49mg/L-44.72mg/L,平均37.18mg/L时，考察了不同DO对氨氮去除率的影响。从图4和5看出，当DO为0.8mg/L左右时，膜出水中的NH3-N含量在2mg/L左右，NH3-N的总去除率为92.09%~94.52%；随着DO的升高，膜出水中NH3-N的含量也有所降低。当DO分别升高至1.5mg/L、3mg/L、5mg/L左右时，硝化均进行得较为彻底，膜出水中的NH3-N含量基本上能够保持在1mg/L以下，对NH3-N的平均总去除率分别达到了97.06%、96.99%和97.19%。此外，比较滤过液和膜出水中的NH3-N含量可以看出，超滤膜对NH3-N的去除基本上没有效果，因为NH3-N的分子量较小，超滤膜对NH3-N起不到孔径截留作用，膜出水和滤过液中NH3-N含量的少量差别应该归于超滤膜上附着的活性污泥中硝化细菌作用的结果。
图4 进水、滤过液和膜出水中NH3-N的变化Figure 4 Variation of influent, filtrate and permeate NH3-N with operation time
图5 DO与NH3-N去除率的关系Figure 5 NH3-N removal as a function of DO
2．4 DO对TN去除效果的影响
实验考察了DO对TN去除效果的影响，结果如图6和图7所示。
图优势大学6 进水、滤过液和膜出水中TN的变化Figure 6 Variation of influent, filtrate and permeate TN with operation time
从实验结果发现，DO对TN的去除效果影响较大，在初期DO为0.8mg/L左右时，MBR对TN的平均去除率为86.58%；当DO升至1.5mg/L时，膜出水中的总氮含量升高，平均去除率降至77.53%；DO又分别升高至3mg/L和5mg/L时，TN的平均去除率降低为65.33%和54.21%。由此可以看出，在DO含量不影响硝化效果的前提下，随着DO的降低，TN的去除率升高。也就是在低的DO含量下，反应器中的厌氧—好氧微环境比较容易形成，因而同步硝化—反硝化也就能够进行地更为彻底。福建分数线
