膜生物反應(yīng)器除磷研究進(jìn)展

王 赟，謝光炎，賓麗英

(廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境與科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510006)

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膜生物反應(yīng)器除磷研究進(jìn)展

王 赟，謝光炎*，賓麗英

(廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境與科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510006)

從膜生物反應(yīng)器(Membrane bioreactor，MBR)研究背景、MBR除磷研究現(xiàn)狀以及MBR在應(yīng)用中存在的問(wèn)題等方面綜述了近年來(lái)MBR除磷的研究進(jìn)展。

膜生物反應(yīng)器；磷；研究進(jìn)展

近年來(lái)，化肥、農(nóng)藥和含磷洗滌劑大量使用，水體中磷污染日益加劇。磷是引起富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素之一。治理富營(yíng)養(yǎng)化水體是一個(gè)世界性難題。利用生物技術(shù)和生物控制的方法來(lái)控制水體污染是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一[1]。膜生物反應(yīng)器(Membrane bioreactor，簡(jiǎn)稱MBR)是一種膜生物反應(yīng)器，是膜分離和生物處理技術(shù)相結(jié)合的、高效率的污水處理技術(shù)[2]。 MBR最初的研究始于20世紀(jì)60年代的美國(guó)。 20世紀(jì)70年代以后，日本由于污水回收利用的需要，MBR研究工作取得飛速進(jìn)步[3]。膜生物反應(yīng)器目前的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，并得到廣泛應(yīng)用。筆者從膜生物反應(yīng)器(MBR)的分類、特點(diǎn)、膜污染以及MBR除磷現(xiàn)狀及其在應(yīng)用中存在的問(wèn)題等方面對(duì)近年來(lái)MBR除磷研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1　膜生物反應(yīng)器(MBR)

1.1MBR的分類MBR根據(jù)機(jī)理可分為3大類型：膜曝氣生物反應(yīng)器(MABR)、萃取膜生物反應(yīng)器(EMBR)、膜分離生物反應(yīng)器(MBR)[4]。目前，國(guó)內(nèi)膜曝氣生物反應(yīng)器和萃取膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用較少，工程應(yīng)用較多的是膜分離生物反應(yīng)器[5]。早期的MBR大多為完全好氧式活性污泥反應(yīng)器，為強(qiáng)化脫氮除磷效果，研究人員通過(guò)在好氧反應(yīng)器前增加前置反硝化反應(yīng)器來(lái)達(dá)到脫氮除磷的目的，形成了好氧和缺氧/厭氧系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的活性污泥法一樣，增加前置/后置反硝化反應(yīng)器后，在去除有機(jī)污染物的同時(shí)，能強(qiáng)化對(duì)氮和磷的去除效果。但是，這些MBR系統(tǒng)由于反應(yīng)器增多，導(dǎo)致水力停留時(shí)間較長(zhǎng)、反應(yīng)流程長(zhǎng)，不能更好地發(fā)揮出膜生物反應(yīng)器緊湊、水力停留時(shí)間短的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[6]。

1.2MBR的特點(diǎn)MBR具有以下特點(diǎn)[7]：①出水水質(zhì)優(yōu)良且穩(wěn)定；②裝置更加緊湊，占地面積??；③有利于增殖緩慢的硝化細(xì)菌等的截留、生長(zhǎng)和繁殖，系統(tǒng)硝化效率高。通過(guò)改變運(yùn)行方式有脫氮除磷功能；④實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器水力停留時(shí)間(HRT)和污泥齡(SRT)的完全分離，運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定；⑤便于維護(hù)管理。MBR省去了沉降池，污泥濃度容易控制?？偠灾琈BR具有許多其他污水處理方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)，出水水質(zhì)可滿足目前最嚴(yán)格的污水排放或回用標(biāo)準(zhǔn)。

1.3MBR膜污染MBR工藝中膜污染的最大根源來(lái)自胞外聚合物(Extracellular polymeric substance，EPS)在膜表面的吸附[8]。以EPS為媒介，菌落能夠穩(wěn)定聚集在一起，種群之間能夠更好地發(fā)揮代謝的協(xié)同性。EPS的黏附作用可以促進(jìn)生物反應(yīng)池的污泥顆?；?，增加污泥的沉降性，但會(huì)給膜分離系統(tǒng)帶來(lái)吸附性膜污染。影響EPS組成和工藝參數(shù)有食物與微生物比(F/M值)、溶解氧濃度和基質(zhì)的性質(zhì)等[9]。處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)的微生物的胞外聚合物中蛋白質(zhì)含量較高，說(shuō)明碳水化合物更容易被微生物所降解。污泥停留時(shí)間越長(zhǎng)，其疏水性也越強(qiáng)。這是由于延長(zhǎng)污泥停留時(shí)間時(shí)、微生物更多地處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)，蛋白質(zhì)比例的增加提高了污泥的疏水性。結(jié)合熱力學(xué)分析可知，延長(zhǎng)生物反應(yīng)池的污泥停留時(shí)間可以有效減輕吸附性污染的潛在趨勢(shì)[10]。

2　MBR除磷研究現(xiàn)狀

2.1生物除磷聚磷菌是一類可以超出其生理需要，從外界吸收過(guò)量的可溶性磷酸鹽的微生物。1993年，荷蘭Delft大學(xué)的Kuba在試驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)缺氧環(huán)境中的有些細(xì)菌能吸收大量過(guò)量的磷，為反硝化除磷菌[11]。在有氧條件下某些細(xì)菌也能吸收大量的磷，為好氧聚磷菌。進(jìn)一步研究表明，不動(dòng)桿菌屬、氣單胞菌屬、假單胞菌屬等都具有吸收過(guò)量的磷在水中的能力，并且不動(dòng)桿菌是磷的主要吸收者[12]。

所有生物除磷工藝皆為活性污泥法的修改[13]。在現(xiàn)有活性污泥的基礎(chǔ)上，通過(guò)提供一種厭氧階段選擇能夠吸收和儲(chǔ)存多余的磷的微生物，以減少出水中的磷含量。當(dāng)廢水進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，在產(chǎn)酸菌的發(fā)酵作用下其中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為乙酸[14]。聚磷細(xì)菌在厭氧條件下將積累在體內(nèi)的多聚磷酸鹽分解，釋放能量。同時(shí)，聚磷菌通過(guò)使用此能量吸收乙酸、H+和電子，以PHB的形式存儲(chǔ)在體內(nèi)，這就是聚磷菌厭氧釋磷現(xiàn)象。進(jìn)入好氧區(qū)后，聚磷菌可以將存儲(chǔ)的PHB有氧分解，釋放出大量的能量。該能量為聚磷菌的生長(zhǎng)和繁殖提供條件。同時(shí)，當(dāng)環(huán)境中可溶性磷存在的條件下，聚磷菌利用該能量對(duì)磷酸鹽進(jìn)行主動(dòng)吸收，并以聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)存在體內(nèi)，這就是聚磷菌好氧吸磷現(xiàn)象。厭氧和好氧交替的系統(tǒng)就像是聚磷細(xì)菌的“選擇器”，使聚磷菌得以富集[15]。

研究表明，聚磷菌和發(fā)酵產(chǎn)酸菌對(duì)除磷起著決定性的作用。聚磷菌既能存儲(chǔ)PHB，又能存貯聚磷酸鹽。它通常只能使用低分子量的脂肪酸，不能直接使用和分解大分子有機(jī)物。發(fā)酵產(chǎn)酸菌能夠降解大分子有機(jī)物，使之成為聚磷菌可利用的小分子有機(jī)物，因此發(fā)酵產(chǎn)酸菌的作用不可忽視[16]。

2.2MBR對(duì)磷的去除特性

2.2.1MBR的生物法除磷[17]。生物除磷主要是通過(guò)聚磷菌超量地從外界環(huán)境中吸收磷，以聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)存在體內(nèi)，形成高磷污泥，通過(guò)排出剩余污泥，從而達(dá)到從污水中除磷的效果。對(duì)于MBR，污泥齡通常較長(zhǎng)，不利于磷的去除。除磷是MBR工藝中的難點(diǎn)。以缺氧-好氧方式運(yùn)行的MBR工藝研究較多，具有較高的除磷效率。從大多數(shù)MBR運(yùn)行結(jié)果來(lái)看，出水的磷濃度很難降到1.0 mg/L以下。很多MBR工藝采用投加絮凝劑進(jìn)行除磷，并取得較好的效果。

2.2.2MBR的化學(xué)法除磷[18]。在MBR工藝中，較高的污泥齡不利于磷的去除。一般情況下，只采用生物法除磷，出水的磷濃度很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。因此，在MBR工藝中采用化學(xué)除磷法。通過(guò)投加絮凝劑以共沉淀的方式來(lái)提高對(duì)磷的去除效果。試驗(yàn)表明，在MBR工藝中投加鋁鹽比投加鐵鹽好。因?yàn)榱姿徜X溶解度最低時(shí)的pH為6.5，而磷酸鐵溶解度最低時(shí)的pH為5.5。同時(shí)，鐵鹽易造成膜污染。此外，當(dāng)進(jìn)水TP濃度較高時(shí)，建議采用前置化學(xué)除磷，當(dāng)進(jìn)水TP濃度較低時(shí)采用在MBR中協(xié)同化學(xué)除磷。

2.3MBR除磷工藝

2.3.1A/O程序MBR除磷工藝[19]。通過(guò)限制曝氣方式，大多采用單池曝氣。在時(shí)間序列上實(shí)現(xiàn)缺氧-好氧的組合，并控制每一步的時(shí)間比例，可以得到良好的除磷效果。若在A/O程序MBR除磷工藝的反應(yīng)器中加入懸浮填料，可以提高脫氮除磷的效率，且去除效果穩(wěn)定。

2.3.2A/O MBR除磷工藝[20]。A/O MBR除磷工藝是在空間上實(shí)現(xiàn)缺氧-好氧的組合。硝化和反硝化在2個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)操作。許多A/O MBR工藝脫氮效果較好，但除磷效果較差。為此，研究人員開發(fā)了序批式A/O MBR除磷工藝。序批式A/O MBR除磷工藝采用好氧區(qū)污泥間歇回流方式，使缺/厭氧反應(yīng)器內(nèi)交替形成缺氧和厭氧的環(huán)境。通過(guò)開啟、關(guān)閉回流液，在同一反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí)間序列上的缺氧和厭氧環(huán)境，提高了除磷效率。

2.3.3A2/O MBR除磷工藝[21]。A2/O MBR除磷工藝能實(shí)現(xiàn)同步除碳和脫氮除磷。通過(guò)A2/O MBR除磷工藝，活性污泥由好氧區(qū)向缺氧區(qū)和厭氧區(qū)回流，同時(shí)通過(guò)排泥來(lái)強(qiáng)化工藝對(duì)氮和磷的去除效果。耦合A2/O工藝可以進(jìn)一步拓展MBR的應(yīng)用范疇，使其在城市污水處理中得到更廣泛應(yīng)用。

2.4MBR的工業(yè)化經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，MBR已成為城市污水、工業(yè)廢水處理和回用的一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的工藝。我國(guó)MBR的應(yīng)用研究起步較晚，但發(fā)展迅速，多個(gè)大型MBR污水處理工程相繼投入運(yùn)行。此外， 在我國(guó)MBR已經(jīng)被成功用于食品、石化、印染、啤酒、煙草等工業(yè)廢水的處理[22]。我國(guó)部分MBR工程應(yīng)用實(shí)例見表1[23]。

表1　MBR工程應(yīng)用實(shí)例

3　MBR在應(yīng)用中存在的問(wèn)題

目前，MBR在應(yīng)用中存在以下問(wèn)題：①污泥齡長(zhǎng)，不利于除磷，出水中TP容易超標(biāo)[24]。若想獲得良好的除磷效率，需要首先明白磷在MBR中的分布及其遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律。②膜污染導(dǎo)致高費(fèi)用和高能耗[25]。膜污染在很大程度上決定了膜的更換頻率及膜壽命，增加投資費(fèi)用。另外，膜污染導(dǎo)致膜通量下降，能耗增大，這是造成膜生物反應(yīng)器高能耗的主要原因之一。③膜材料、膜組件及工程設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)化[26]。膜產(chǎn)品的型號(hào)不同，無(wú)法實(shí)現(xiàn)各廠商之間膜產(chǎn)品的更換。沒(méi)有統(tǒng)一、綜合的設(shè)計(jì)手冊(cè)和規(guī)范，設(shè)計(jì)人員缺乏設(shè)計(jì)依據(jù)。④MBR對(duì)運(yùn)行人員和維護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)要求高[27]。由于缺乏專門的管理者、操作者和工程師等技術(shù)人才，未能充分發(fā)揮MBR本身的優(yōu)勢(shì)。

4　小結(jié)與展望

MBR作為一項(xiàng)迅速發(fā)展的新型污水處理技術(shù)，具有許多其他污水處理技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，其必將成為水處理領(lǐng)域中最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)之一。與傳統(tǒng)工藝相比，MBR工藝的脫氮除磷研究還不是很成熟，并且許多研究只停留在實(shí)驗(yàn)室階段。因此，今后MBR研究的重點(diǎn)應(yīng)放在脫氮除磷的微生物學(xué)機(jī)理研究、強(qiáng)化脫氮除磷的MBR組合新工藝以及膜污染防治等方面。

[1] 賽世杰.MBR 脫氮除磷工藝在城市污水處理中的工程應(yīng)用研究[D].北京：清華大學(xué)，2011.

[2] 吳湘.漂浮栽培植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中磷的去除效應(yīng)基因型差異及原因分析[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[3] TANG B，QIU B.Distribution and mass transfer of dissolved oxygen in a multi-habitatmembrane bioreactor[J].Bioresource technology，2015(2)：323-328.

[4] 王銳剛.活性污泥法除磷動(dòng)力學(xué)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

[5] 邴帥.A2/O污水處理工藝過(guò)程中磷的賦存形態(tài)及除磷機(jī)理的研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2012.

[6] 杜加春.菹草根際環(huán)境磷遷移轉(zhuǎn)化研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[7] 黃霞，曹斌，文湘華，等.膜-生物反應(yīng)器在我國(guó)的研究與應(yīng)用新進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(3)：416-432.

[8] 李森.查干湖低溫期內(nèi)源磷的釋放及其對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的影響[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

[9] 嚴(yán)杰能，許燕濱，段曉軍，等.胞外聚合物的提取與特性分析研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2009，27(20)：106-110.

[10] 李晶.強(qiáng)化脫氮除磷實(shí)驗(yàn)研究[D].合肥：安徽建筑大學(xué)， 2015.

[11] STEPHENS H L，STENSEL H D.Effect of operating conditions on biological phosphorus removal[J].Water environment research，1998，70：362-369.

[12] 劉立.反硝化聚磷菌快速富集、培養(yǎng)及鑒別[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

[13] 李金娟.活性污泥利用揮發(fā)性脂肪酸儲(chǔ)存聚羥基脂肪酸酯的研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[14] 成英俊.膜生物反應(yīng)器脫氮除磷功能強(qiáng)化研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2004.

[15] 曹斌，黃霞，北中郭，等.A2/O-膜生物反應(yīng)器強(qiáng)化生物脫氮除磷中試研究[J].中國(guó)給水排水，2007(2)：22-26.

[16] 葛艷輝.強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)除磷效果及微生物群落結(jié)構(gòu)分析[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[17] 丘繼彩.生活污水化學(xué)除磷試驗(yàn)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[18] 李楠.生物除磷影響因素的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[19] 張捍民，成英俊，肖景霓，等.序批式膜生物反應(yīng)器脫氮除磷性能研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(1)：22-25.

[20] 湯桂蘭.水體中磷的生物去除技術(shù)研究[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[21] 方治國(guó)，孫培德，鐘曉，等.強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)水溫變化響應(yīng)的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011(5)：941-947.

[22] 趙曙光，姜志琛，徐東耀，等.新型一體化A2/O-MBR曝氣能效研究[J].水處理技術(shù)，2014(12)：79-82.

[23] 李軍，彭永臻.序批式生物膜法反硝化除磷特性及其機(jī)理[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2004，24(2)：219-223.

[24] 曹雪梅. A2/O工藝反硝化除磷的實(shí)現(xiàn)及性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

[25] 汪林.反硝化同步除磷動(dòng)力學(xué)原理及其在改善MSBR性能中的應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[26] 白玲，藍(lán)偉光，萬(wàn)金保，等.廢水處理中膜生物反應(yīng)器的研究進(jìn)展[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2008(2)：91-96.

[27] 吳鵬，陸爽君.ABR-MBR一體化工藝節(jié)能降耗措施優(yōu)化研究[J].環(huán)境科學(xué)，2015(8)：2934-2938.

Research Progress of Phosphorus Removal in Membrane Bioreactor

WANG Yun, XIE Guang-yan*, BIN Li-ying

(School of Environmental Science, Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510006)

The research progress of phosphorus removal in membrane bioreactor(MBR) in recent years were elaborated from aspects of MBR research background, research status of phosphorus removalin MBR and existing problems in application.

Membrane bioreactor; Phosphorus; Research progress

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21476050)。

王赟(1990- )，男，河南鄭州人，碩士研究生，研究方向：水污染控制。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事環(huán)境污染控制研究。

2016-06-17

X 703.1

A

0517-6611(2016)21-020-02