膜生物反应器脱氮技术.doc

膜生物反应器脱氮技术 膜生物反应器技术脱氮工艺随着污水排放总量的不断增加，以及合成洗涤剂、化肥和农药的广泛使用，氮、磷营养物质引起的水质富营养化问题日益突出，严重污染了水体，丧失和限制了水体原有的使用功能。因此污水除磷脱氮问题在全球范围内引起广泛重视，围绕除磷脱氮这一要求展开了广泛的技术研究和工程运用，并取得了重大进展。出现了各种各样的高效低耗型污水除磷脱氮处理技术和工艺流程，其中就有膜生物反应器脱氮技术。利用膜生物反应器脱氮主要工艺流程1有：传统的生物脱氮工艺与膜生物反应器的结合，新型脱氮工艺与膜生物反应器的结合。传统工艺包括膜生物反应器与两级和单级（SBR-MBR）工艺的结合。新型脱氮工艺包括膜生物反应器与同时硝化反硝化工艺(Simultaneous nitrification and denitrification，简称SND),短程硝化反硝化工艺（Shortcut nitrification-denitrification）的结合。1、传统工艺上的两级复合式脱氮膜生物反应器在复合淹没式中空纤维膜生物反应器将多种污水处理工艺包含在简单的装置中，并在A/O系统中实现了A2/O的运行。张军等人2在研究中发现膜生物反应器在去除有机污染物的同时可有效去除氮、磷，但必须控制好反应器内的运行条件：温度控制在2530，DO为46mg/L,营养比为BOD5：TN:TP=100:5:1，进水PH为中型或碱性。出水效果好，由于硝化反应要消耗碱度，出水PH值略高，系统对NH3-N的去除率可高达97，对磷去除率为70。该装置系统工艺流程如下图中的流程所示。同时耿琰3研究发现泥龄长可能使微生物的代谢产物或其他大分子物质积累，从而抑制硝酸盐细菌的活性，导致NO2-积累而有利于短程脱氮的进行，但泥龄过长也会影响亚硝酸盐细菌的活性，从而影响对氨氮的处理效果。运行初期在保证一定温度、pH值、DO的条件下，进水氨氮240mg/L时的出水氨氮均为5mg/L以下，达到了很好的氨氮去除效果。春季硝化启动后系统进、出水氨氮的变化见图2，相应的污泥负荷与污泥浓度的变化见图3。该系统的硝化具有以下几方面的特点： 强化了对氨氮的去除运行初期微生物代谢产物的积累比较少，系统具有较高的处理效率，以氨氮去除计算的容积负荷最高可达0.19kg/(m3d)，而出水氨氮1mg/L，对氨氮的去除率为99.9%；若采用A/A/O工艺处理水质相似的废水，当进水氨氮负荷0.1kg/(m3d)时才能保证出水氨氮10mg/L，而氨氮负荷0.18kg/(m3d)时，出水氨氮40mg/L，去除率降至50%以下。采用膜生物反应器可以取得很好的氨氮去除效果的原因在于：在反应器内保持了较高的污泥浓度，降低了F/M值，减弱了异养菌对DO的竞争，有利于硝化反应的进行；反应器内微生物絮体较活性污泥法的细碎，污泥呈分散生长，有利于氧的传质；膜的截留作用使微生物不会随出水流失，硝化菌得以在反应器内富集成为优势菌种，使氨氮的转化更为彻底。 短程脱氮反应器运行初期未受温度影响时，进水氨氮基本转化为NO3-N而无NO2-N的积累。经过冬季运行后硝化作用完全受到抑制，次年5月温度回升至23后硝化作用迅速启动，出水氨氮在5d内降至1mg/L以下，其主要转化产物为NO2-N，而NO3-N的浓度一直保持在较低水平(大部分时间在10mg/L以下)。2、传统工艺上的单级脱氮膜生物反应器序批式膜生物反应器反应步骤为：进水搅拌、缺氧反应、好氧反应（同时出水），有的工艺流程在好氧反应后加一步缺氧反应再曝气出水。此发应器在具有普通膜生物反应器的优点的同时，还具有序批式活性污泥法的优点，进水后反应器内的溶解氧浓度从曝气出水时的46mg/L迅速降至0.51mg/L，可有效避免了传统前置反硝化膜生物反应器中的氧可能连续进入反硝化区的弊端。有利于污水脱氮。天津大学环境工程系4在中空纤维膜生物反应器污水处理系列装置研究中提到采用序批式膜生物反应器处理生活污水，厌氧段中末段溶解氧的浓度一直维持在0.5 mg/L以下，甚至接近0。硝酸盐氮浓度几乎为0的进水中总氮浓度维持在1215mg/L。进水中COD/NH3-N比值介于2.0310.41之间。进水进入反应器后首先经过混合后，由于物理的稀释和微生物的吸附作用氨氮大大降低，再经过缺氧段后，一部分被吸附的物质从新回到混合液中，使得混合液中氨氮浓度再次升高，但由于上一周期产生的硝酸盐浓度由于反硝化作用大大降低；当进入曝气阶段后，氨氮迅速转化成硝酸盐氮。出水中总氮的浓度维持在0.5 mg/L以下，总氮的去除率平均为9.75%，最高可达98.2%。后续进行的生产性的试验证明单级脱氮膜生物反应器对脱氮有很好的效果。Jorg Krrampe1等在一体式的膜生物反应器处理生活污水的试验中发现交换比（定义为每一循环交换的体积与总体积之比）可直接影响到反应器的脱氮效果。试验交换比分别为0.1、0.2、0.3。结果发现较低的交换比可以得到较好的出水水质，但相应的生物转化率随之降低。3、间歇式曝气单级MBR脱氮工艺该工艺与序批式膜生物反应器不同点在于其缺氧、好氧间歇运行时间很短，进水即可以是连续进水也可以间歇进水。4、MBR同步硝化和反硝化脱氮工艺5膜生物反应器中而维持的污泥浓度可高达500030000mg/L，而DO是影响同步硝化、反硝化的一个限制条件，硝化是在好氧下发生的，而反硝化是在缺氧或厌氧条件下发生的，但在对DO实行控制的条件下，可同时在污泥颗粒的不同部位形成好氧区和缺氧区，这样便具有了同步硝化反硝化的条件。试验装置见图。邹联沛等人在控制混合液中溶解氧浓度为6mg/L、3mg/L、1mg/L、0.5mg/L时研究了污泥絮体同时硝化和反硝化的效果和机理。研究表明膜生物反应器中，MLSS为8 000 mg/L9 000 mg/L，温度为24 ，进水COD、NH3-N分别为523700 mg/L和17.2424 mg/L的相对稳定的条件下，在DO为6 mg/L左右，时对COD、NH3-N的去除率都非常高，但对TN的去除率不是很高。DO为3 mg/L左右时对COD、NH3-N的去除率仍很高。由于DO的下降，TN的去除率略有上升。DO为1 mg/L左右时，对COD、NH3-N、TN的去除率都很高，同步硝化反硝化在反应器中起到了很好的作用，这一条件为本试验的最佳条件。DO为0.5 mg/L左右时，对COD、NH3-N、TN的去除率很不稳定。并在此基础上首次提出了在单级好氧反应器中控制DO可发生短程硝化反硝化生物脱氮的机制。5、膜生物反应器中影响脱氮的因素5.1温度温度对生物硝化和反硝化均有较大影响。硝化菌适宜的生长温度在2530之间，反硝化最适宜的运行温度为1535。 5.2 DO 反应器内DO浓度对硝化反应速度及硝化细菌的生长速率均有极大的影响，但普遍认为DO2.0mg/L时，DO浓度对硝化作用的影响可不予考虑。为了保证膜表面不会产生浓差极化，将DO控制在46mg/L，因此，DO不会成为限制硝化的因素。但由于厌氧环境有限，除磷效果不理想，且出水中硝态氮含量稍高。5.3 pH值pH是影响硝化和反硝化作用的重要环境因素之一。生物除磷合适的pH范围为中性或微碱性，在此条件下，硝化和反硝化过程迅速。硝化反应每氧化1g氨氮要消耗碱度7.14g(以CaCO3计)，每还原1gNO-3-N产生3.5g碱度(以CaCO3计)，对于一般污水的硝化反应来说，碱度往往是不充足的。在污泥停留时间长的情况下，每去除1gBOD5可产生0.3 g碱度，从而对硝化引起的pH值的降低具有缓冲作用。另外，复合系统较大的曝气量可以吹脱微生物氧化有机物产生的CO2，使CO2+H2OHCO3+H+的电离平衡向左进行，也能削弱pH值的降低。5.4碳源一般认为，当废水中所含碳(BOD5)、氮比值大于3：1时，无须外加碳源即可达到脱氮的目的。研究表明，进水CODCr浓度会影响厌氧放磷，当进水TKN/CODCr0.1时，反硝化完全，除磷效果好。5.5微生物活性系统运行初期在未受到冲击负荷、温度和pH值的影响时氨氮去除率很高，硝化效果良好；随着运行时间的增加和污泥浓度的升高，死亡后的细胞残留物和微生物代谢产物在反应器内的浓度逐渐积累升高，而这些物质大部分为高分子物质，在反应器内积累到一定程度就会对硝化产生抑制。由于硝酸盐细菌对环境比亚硝酸盐细菌敏感，因而硝酸盐细菌的活性几乎完全被抑制，出水中NO3-N含量很低，从氨氮的去除情况来看，亚硝酸盐细菌也受到了影响。6、结论膜生物反应器技术运用于污水除磷脱氮已经引起了人们的关注。而膜生物反应器技术与脱氮技术的有机结合运用证明，这是一种高效可靠有着发展前景的技术。随着制膜工艺的改进，以及人们对膜生物反应器机理的进一步掌握，该项技术势必在污水除磷脱氮领域发挥着越来越重要的角色。参考资料：1 顾国维