低氧膜生物反應(yīng)器(MBR)高效脫氮機(jī)理研究

王學(xué)艷，邵玉玲

(1.齊齊哈爾水文局水環(huán)境分中心，黑龍江齊齊哈爾161005;2.齊齊哈爾水文局瀏園站，黑龍江齊齊哈爾161005)

目前，氮污染所造成的環(huán)境問題已引起人們的高度關(guān)注，國內(nèi)外主要采用生物脫氮技術(shù)，生物脫氮機(jī)理的研究是生物脫氮技術(shù)開發(fā)與工藝優(yōu)化、操作運(yùn)行的基礎(chǔ)。近年來，在低DO條件下運(yùn)行的一些脫氮裝置中產(chǎn)生了很多令人關(guān)注的脫氮現(xiàn)象，比如短程硝化作用(short-cut nitrificationdenitrification)、同時硝化和反硝化(simultaneous nitrificationdenitrification，SND)以及厭氧氨氧化作用，使脫氮處理開拓了新的思路，具有重要的研究價值。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

1.1 目前的研究

目前的研究集中在厭氧條件下研究。傳統(tǒng)的硝化反硝化是有機(jī)物濃度較低時，在好氧條件下將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽或硝態(tài)氮，然后在缺氧條件下由反硝化細(xì)菌利用碳源將硝態(tài)氮或亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣去除。這一過程能耗高，且反硝化必須要有碳源。

1)厭氧氨氧化(ANAMMOX)是指在厭氧條件下，微生物直接以NH4為電子供體，以或為電子受體，將和轉(zhuǎn)變成N2的生物氧化過程。2)厭氧氨氧化不需碳源，還能節(jié)約大量能源。3)厭氧氨氧化反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為污水處理過程中氮素的轉(zhuǎn)換途徑提供了新的思路，但傳統(tǒng)觀點認(rèn)為厭氧氨氧化細(xì)菌完全自養(yǎng)，只能在厭氧條件下生存，生長速率極低，時代時間很長(約11 d)，很難用于實際工程。4)厭氧氨氧化是突破傳統(tǒng)脫氮理念的新型工藝，也是自養(yǎng)脫氮工藝的核心。

對于厭氧氨氧化，國內(nèi)外的研究主要集中在厭氧條件下研究其生長降解特性，根據(jù)目前研究已發(fā)現(xiàn)了6種厭氧氨氧化細(xì)菌在污水處理系統(tǒng)中比較常見的有Candidatus Brocadia anammoxidans和Candidatus Kuenenia sttuttgartiensis兩種，它們在細(xì)胞結(jié)構(gòu)、代謝特性等方面十分相似。

1.2 最新的研究

最新研究報道厭氧氨氧化細(xì)菌廣泛存在污水處理系統(tǒng)中，數(shù)量可觀。在許多氧受到限制的環(huán)境中氨好氧硝化菌和厭氧氨氧化細(xì)菌是分不開的，很多研究發(fā)現(xiàn)低DO條件下可發(fā)生同步硝化反硝化和厭氧氨氧化。

1)膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor，MBR)是一種將高效膜分離技術(shù)與活性污泥生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。膜生物反應(yīng)器去除污染物是基于活性污泥的生化作用和膜過濾的物化作用，活性污泥微生物的代謝作用是去除污染物的中心環(huán)節(jié)，將膜分離技術(shù)引入活性污泥法中，克服了傳統(tǒng)法的污泥流失和膨脹的弊病，徹底分離了HRT和SRT，出水水質(zhì)好。

該技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一種污水治理技術(shù)，已成為目前國內(nèi)外研究和應(yīng)用的熱點之一。

2)溶解氧(DO)是膜生物反應(yīng)器重要的運(yùn)行控制參數(shù)之一。膜生物反應(yīng)器由于曝氣強(qiáng)度很大，運(yùn)行費(fèi)用高，影響了該工藝的推廣。為節(jié)約能耗，希望能夠在較低的DO條件下運(yùn)行。而低DO是普遍認(rèn)同的導(dǎo)致污泥膨脹的原因之一，眾所周知污泥膨脹一直是活性污泥法的棘手問題，但由于膜生物反應(yīng)器采用了膜過濾的泥水分離，低氧造成的污泥膨脹對其來說幾乎沒有影響，因此膜生物反應(yīng)器在低溶解氧的條件下運(yùn)行是可行的。

3)在MBR工藝中，由于膜的截留作用使SRT大大延長，創(chuàng)造了有利于厭氧氨氧化細(xì)菌生長的環(huán)境，因而可以提高厭氧氨氧化的能力;同時由于污泥濃度高，污泥絮凝顆粒存在從外到內(nèi)的溶解氧梯度，相應(yīng)形成好氧、缺氧和厭氧區(qū)，可實現(xiàn)反硝化脫氮和厭氧氨氧化作用。

2 研究方案

2.1 研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題

1)建立低氧膜生物反應(yīng)器(MBR)，研究反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化與反硝化脫氮效果及其影響因素，使反應(yīng)器的脫氮的效果最優(yōu)。促進(jìn)MBR工藝向低耗、高效的方向發(fā)展。

2)研究內(nèi)容:①建立低氧膜生物反應(yīng)器(MBR)試驗平臺;②研究低氧MBR中厭氧氨氧化和反硝化脫氮作用進(jìn)行研究，并研究有機(jī)物、溶解氧、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮、溫度等因素對厭氧氨氧化和反硝化脫氮作用的影響;③優(yōu)化反應(yīng)器運(yùn)行條件，提高脫氮效果。

3)擬解決的關(guān)鍵問題:①充分利用膜生物反應(yīng)器的特點，建立低氧膜生物反應(yīng)器;②在低氧條件下，探索膜生物反應(yīng)器脫氮的主要反應(yīng)，并確定厭氧氨氧化和反硝化對脫氮作用的貢獻(xiàn)程度。

2.2 擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實驗方案及可行性分析

2.2.1 擬采取的研究方法

在查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上采用靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗相結(jié)合的方法，揭示低氧膜生物反應(yīng)器的脫氮機(jī)理，研究溶解氧、污泥齡(SRT)、水力停留時間(HRT)、溫度等因素對厭氧氨氧化和反硝化脫氮作用的影響。

2.2.2 技術(shù)路線和實驗方案

首先建立低氧MBR試驗平臺，研究其脫氮效率，然后研究各因素影響，優(yōu)化反應(yīng)器的運(yùn)行，技術(shù)路線見圖1。

圖1 本研究的技術(shù)路線

3 結(jié)論

可以目前:MBR工藝尚處于發(fā)展完善的階段，許多研究還處于剛起步階段，對脫氮的生物機(jī)理在基礎(chǔ)理論的研究方面不夠深入。低氧膜生物反應(yīng)器內(nèi)同時完成多種生化反應(yīng)的過程，這系列反應(yīng)包括有機(jī)物的氧化去除、氨亞硝化反應(yīng)、硝化反應(yīng)、厭氧氨氧化脫氮反應(yīng)和反硝化脫氮反應(yīng)等，本課題定位為低氧膜生物反應(yīng)器中污水脫氮的反應(yīng)機(jī)理研究，探明低氧膜生物反應(yīng)器在脫氮時，厭氧氨氧化和反硝化對脫氮所起作用的大小，各種因素對脫氮反應(yīng)的影響，用動力學(xué)、化學(xué)計量式進(jìn)行模擬評價，從而確定優(yōu)化的運(yùn)行條件。

［1］國家環(huán)保局.水與廢水監(jiān)測分析方法［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［2］鄒聯(lián)沛，張立秋，王寶貞，等.MBR中DO對同步硝化反硝化的影響［J］. 中國給水排水，2001，17(6):10-14.