新型強(qiáng)化內(nèi)源反硝化MBR工藝處理高氮、磷污水的研究

王智鵬，董欣楊，蔚龍鳳

（核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149）

眾所周知，當(dāng)?shù)?、磷在自然水體中濃度較高時(shí)，常常導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，其結(jié)果是嚴(yán)重破壞水體的生態(tài)環(huán)境及水質(zhì)。

現(xiàn)有水處理工藝不能妥善解決脫氮和除磷之間對(duì)碳源競(jìng)爭(zhēng)的固有矛盾，在氮、磷去除能力上的不足也越來(lái)越明顯。因此，改造現(xiàn)有工藝和開(kāi)發(fā)新型工藝，有效利用碳源，提高污水脫氮、除磷效果，已成為目前急需解決的問(wèn)題。新型強(qiáng)化內(nèi)源反硝化工藝是將常規(guī)污水處理工藝主體部分的厭氧—缺氧—好氧（A—A—O）改為厭氧—好氧—缺氧（A—O—A），并利用膜生物反應(yīng)器（MBR）來(lái)加強(qiáng)內(nèi)源反硝化。研究了采用新型強(qiáng)化內(nèi)源反硝化MBR工藝對(duì)高氮低碳污水脫氮、除磷。

1 試驗(yàn)部分

1．1 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水水質(zhì)：pH 為6．0～9．0，CODcr為200mg／L，氨氮為 41．02mg／L，總磷為 7．91 mg／L。

1．2 試驗(yàn)裝置

反應(yīng)器原理如圖1所示。接種污泥取自某污水處理廠。試驗(yàn)裝置總池容40L。所有裝置均自主設(shè)計(jì)。通過(guò)隔膜計(jì)量泵進(jìn)水，用蠕動(dòng)泵對(duì)混合液回流和分流，用流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣系統(tǒng)的氣量。MBR反應(yīng)器膜組件為中空纖維簾式微濾膜，材料為聚乙烯，單個(gè)膜組件總表面積為0．2m2，有效垂直長(zhǎng)度300mm，膜絲數(shù)量322～327。

圖1 反應(yīng)器原理圖

1．3 試驗(yàn)方法

采用靜態(tài)試驗(yàn)法考察反應(yīng)條件對(duì)處理效果的影響，確定反應(yīng)裝置對(duì)污水脫氮、除磷的最佳反應(yīng)條件。反應(yīng)條件有水力停留時(shí)間（HRT）和污泥齡（SRT）。在確定的最佳條件下考察強(qiáng)化內(nèi)源反硝化工藝對(duì)污水的處理效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1 強(qiáng)化內(nèi)源反硝化

內(nèi)源反硝化是以微生物的胞內(nèi)儲(chǔ)存物質(zhì)以及細(xì)胞死亡后溶出的有機(jī)成分作為碳源進(jìn)行反硝化脫氮。采用內(nèi)源反硝化可以充分節(jié)省進(jìn)水中的碳源，在無(wú)外加碳源條件下，解決脫氮、除磷之間對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)良好的脫氮、除磷效果。利用MBR特有的高微生物量強(qiáng)化內(nèi)源反硝化，將常規(guī)反硝化過(guò)程（A—A—O）改為內(nèi)源反硝化過(guò)程（A—O—A）。

2．2 HRT對(duì)COD去除效果的影響

在其他條件相同及基本不排泥工況下，水力停留時(shí)間對(duì)污水COD去除效果的影響如圖2所示。

圖2 水力停留時(shí)間對(duì)COD去除率的影響

由圖2看出：系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，COD去除率比較平緩，均高于80%；水力停留時(shí)間（HRT）為16h時(shí)，COD去除率達(dá)到峰值。因此，確定最佳水力停留時(shí)間為16h。

2．3 HRT對(duì)氨氮去除效果的影響

在其他條件相同及基本不排泥工況下，水力停留時(shí)間對(duì)氨氮去除效果的影響如圖3所示。

圖3 水力停留時(shí)間對(duì)氨氮去除率的影響

由圖3看出，氨氮去除效果相當(dāng)好，平均去除率在96%以上，好于常規(guī)工藝的60%。

常規(guī)反硝化過(guò)程中，大部分氨氮最終被微生物轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，只有一小部分被微生物同化利用。亞硝化和硝化反?yīng)是好氧生化過(guò)程，而反硝化反應(yīng)則是缺氧或厭氧生化過(guò)程［1］。反硝化作用在無(wú)氧或低氧條件下，兼性反硝化菌將亞硝酸鹽、硝酸鹽還原成氣態(tài)氮，從而實(shí)現(xiàn)氮的去除。利用原水碳源的前置反硝化工藝，一般氮的去除率不高，內(nèi)源反硝化過(guò)程效率很低［2］，如果要進(jìn)一步提高脫氮效率，需外加碳源，這勢(shì)必增加污水處理成本。內(nèi)源性反硝化脫氮速率決定于細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)狀況［3］，所以根據(jù)部分聚磷菌具有快速內(nèi)源性反硝化脫氮能力這一特點(diǎn)，對(duì)常規(guī)反硝化工藝加以改造，使其在缺氧段初期的5～10min內(nèi)即完成內(nèi)源性反硝化脫氮反應(yīng)，其反應(yīng)速度不低于反硝化菌直接進(jìn)行的外源性反硝化脫氮的反應(yīng)速度。采用內(nèi)源脫氮既可以節(jié)省外加碳源，又可以減少剩余污泥量和污泥處置費(fèi)用，同時(shí)又取得了很好的脫氮效果。

2．4 HRT對(duì)總磷去除效果的影響

在其他條件相同及基本不排泥工況下，水力停留時(shí)間對(duì)總磷去除效果的影響如圖4所示。

圖4 水力停留時(shí)間對(duì)總磷去除率的影響

由圖4看出，水力停留時(shí)間對(duì)總磷去除率的影響不大，均在80%以上。

生物除磷主要是由一類統(tǒng)稱為聚磷菌的微生物完成的。該類微生物屬異養(yǎng)型細(xì)菌，Jignesh等［4］的研究表明：在厭氧條件下，磷的釋放和硝酸鹽氮的吸收呈負(fù)相關(guān)；同時(shí)，在缺氧攝取磷的過(guò)程中，存在反硝化菌與聚磷菌之間對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)，反硝化反應(yīng)會(huì)優(yōu)先消耗易降解的有機(jī)物，抑制聚磷菌對(duì)磷的釋放。常規(guī)脫氮除磷工藝無(wú)法有效解決這種矛盾。由圖4看出，通過(guò)有效控制工藝條件，強(qiáng)化內(nèi)源反硝化可以有效解決反硝化菌與聚磷菌之間對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)這一問(wèn)題，使磷的去除率達(dá)到相當(dāng)高的水平。

2．5 污泥齡對(duì)污水處理效果的影響

在水力停留時(shí)間為16h條件下，不同污泥齡（SRT）對(duì)污水處理效果的影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?，SRT為30d時(shí)，該工藝對(duì)主要污染物的去除效果比較明顯。

表1 不同污泥齡條件下各主要污染物的平均去除率

2．6 最佳條件下的綜合試驗(yàn)

在水力停留時(shí)間為16h、污泥齡為30d（處理水量2．5L／h）的最佳條件下，運(yùn)行6個(gè)月。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 最佳條件下各主要污染物的平均去除率

從表2看出，在最佳運(yùn)行條件下，強(qiáng)化內(nèi)源反硝化工藝對(duì)該污水有較好的脫氮、除磷效果：出水COD質(zhì)量濃度在50mg／L以下，去除率大于85%；出水氨氮質(zhì)量濃度低于1mg／L，磷質(zhì)量濃度為0．83mg／L。出水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

強(qiáng)化內(nèi)源反硝化工藝在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，脫氮、除磷效果穩(wěn)定，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；在最優(yōu)條件（HRT＝16h，SRT＝30d）下，總磷的平均去除率在80%以上；氨氮、COD的去除率均高于85%；采用強(qiáng)化內(nèi)源反硝化，有效地解決了脫氮、除磷對(duì)碳源需求的矛盾，在不需外加碳源情況下，達(dá)到了很好的預(yù)期效果，出水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

［1］趙慶良，劉雨．廢水處理與資源化新工藝［M］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006：118－119．

［2］Abufayed A A，Schroeder E D．Kinetics and Stoichiometry of SBR／denitrification With Primary Sludge Carbon Source［J］．J Water Pollut Control Fed，1986，58（3）：398－405．

［3］羅寧，羅固源，吉方英，等．利用聚磷菌快速內(nèi)源性反硝化脫氮研究［J］．重慶環(huán)境科學(xué)，2003，25（6）：32－34．

［4］Jignesh Patel，George Nakhla．Interaction of Denitrification and P removal in Anoxic P Removal Systems［J］．Desalination，2006，201（1／3）：82－99．