膜-生物反应器脱氮除磷的研究进展

1 传统膜-生物反应器的脱氮效果的研究

膜-生物反应器由于其自身技术上的优势, 在固液分离、微生物截留、出水浊度控制等方面都有非常良好的表现, 但其在脱氮除磷方面的表现, 在最初一直不被看好, 因为氮磷在水中大量以溶解组分状态存在, 而直观地认为单靠微滤膜的过滤是无法实现对溶解物质的良好截留的。但随着研究的逐步深入, 膜-生物反应器的脱氮除磷能力逐渐得到了认识。主要是由于膜的过滤性质对于原有传统脱氮、除磷工艺生物过程的强化, 从而使得膜-生物反应器具有了更强的脱氮除磷能力。传统膜-生物反应器脱氮工艺研究是建立在传统硝化-反硝化机理上的, 根据硝化-反硝化反应发生的空间和时间, 又可分为空间分离的两级分置式和时间分离的一体式生物脱氮工艺, 其中两级分置式M B R脱氮工艺中, 又以反硝化前置形式 (A-O形式的MBR脱氮工艺) 较为常见。MBR对生物脱氮效果的强化, 包括对硝化过程的强化以及对反硝化过程的强化。MBR对于硝化过程具有明显的强化作用, 主要体现在以下两个方面: (1) 世代周期较长的硝化细菌能够在M B R中得到富集, 使硝化进程比较完全。由于硝化细菌是自养细菌, 生长繁殖的世代周期长, 为了使硝化菌能在连续流的活性污泥系统中生存下来, 要求系统的污泥龄大于硝化菌的泥龄, 否则硝化菌会因为其流失率大于繁殖率而从系统中被淘汰。因此, 良好的硝化系统应具有泥龄长及负荷较低的特点。M B R能够完全截留微生物, 可防止硝化菌的流失, 使其得到富集生长, 是一种比较理想的硝化反应器。

(2) 在大多数MBR中, 为防止膜的污染, 反应器内的剪切力较大, 导致M B R中的污泥絮体尺寸一般要比普通活性污泥絮体小, 而较小的污泥絮体有更大的周长/面积比, 有利于降低氧的传质阻力, 增加硝化细菌对氧气的利用速率, 提高硝化的速率和程度。M B R对于反硝化过程的强化作用并不明显。Ueda等认为, MBR内较高的污泥浓度有利于反应器内兼性环境的形成, 为反硝化的进行创造条件。但在大多数单一M B R中, 由于缺氧环境仍不充分, 反硝化能力较弱。因此对M B R反硝化效果的优化研究, 更多地不是建立在M B R本身的优势上, 而是着眼于工艺的改进。在耿琰等的试验中, 通过增加缺氧段或将MBR按照缺氧-好氧的工况序批式运行, 可将T N去除率提高到60%~80%。MBR还能够实现同步的硝化、反硝化。邹联沛等通过控制M B R内的D O值实现了同步硝化反硝化, 取得了氨氮9 5%的去除率和总氮9 2%的去除率。在膜-生物反应器中由于能够保持较高的污泥浓度, 能够更好地在反应器内造成局部厌氧/缺氧的环境, 从而实现在单一反应器内的同步硝化反硝化。但由于必须严格控制D O保证菌胶团内的厌氧环境, 或者保证反应器内的局部厌氧, 同时又要保证较高的C O D浓度, 使其能进入菌胶团内部的厌氧区, 或者保证反应器内好氧厌氧区的物质交换, 因此在膜-生物反应器中同步的硝化反硝化的控制要求较高。

2 传统膜-生物反应器的除磷研究

传统膜-生物反应器的除磷方面也有部分学者进行了研究, 迟军等在利用传统膜-生物反应器进行含磷污水处理的过程中发现, 其除磷率在2 0%~3 1.7%, 而加上厌氧段后其除磷率可以提高到6 3%。这也说明了膜-生物反应器可以通过结合原有的传统生物除磷过程取得较好的除磷效果。但是由于磷去除需要的厌氧释磷与好氧吸磷的过程, 同时也需要提高排泥保证污泥龄在一个较低的水平, 因此在多数传统的单一反应器的膜-生物反应器中, 较少取得对于总磷的较好的去除。张捍民等也通过研究发现对于生活污水的处理, 传统的膜-生物反应器TN、TP的平均去除率分别为30.5%和3 5.3%, 脱氮除磷效果不佳。因此对于传统的膜-生物反应器来说, 磷的去除几乎无法取得令人满意的效果。

3 基于膜-生物反应器的脱氮除磷工艺研究进展

(1) 膜-生物反应器由于能够保持较高的污泥浓度, 较大的污泥停留时间S R T, 而随着污泥停留时间S R T的提高, 单位体积污泥的含磷量也会相应提高, 这就一定程度上缓解了原有传统同步脱氮除磷技术遇到的最大困难, 硝化菌与聚磷菌对于S R T的竞争, 也就是说在膜-生物反应器中可以在不影响聚磷效果的同时, 尽量延长S R T给硝化菌带来适宜的生长条件。 (2) 膜-生物反应器对菌体的高效截留, 解决了由于污泥膨胀造成菌体流失而带来的出水水质恶化等问题。 (3) 由于传统的活性污泥法采用二沉池来进行分离, 在污泥层内容易形成厌氧或者缺氧的环境导致菌体内磷的二次释放从而导致出水磷浓度的提高, 而膜-生物反应器完全采用好氧出水, 可以很好地避免磷的二次释放, 保证出水磷浓度稳定在一个较低的水平。基于以上的分析, 不同的研究单位开发了不同类型的基于膜-生物反应器的脱氮除磷工艺。其设计的理念主要是在原有传统同步脱氮除磷工艺 (AA/O、倒置AA/O、SBR等) 的基础上将原有的二沉池出水改为膜出水, 来强化同步脱氮除磷。其中Pre-DN MBR (前置反硝化膜-生物反应器) 工艺是在原有的A A/O工艺的基础上, 加上一个膜区出水, 其优点是保持了原有传统A A/O工艺的脱氮除磷特性, 特别是其布设的多级缺氧池能够充分的发挥反硝化聚磷的作用, 实现了一碳两用的同步反硝化聚磷。但是Pre-DN MBR工艺也存在问题:由于进行硝化的好氧池布置在最后, 因此出水的总氮只能维持在一个相对低的水平, 而无法再进一步的降低。而Post-DN MBR (后置反硝化膜-生物反应器) 工艺将好氧池提前到缺氧池之前, 很好的改善了对硝氮的去除, 使得总氮的去除率保持在一个较高的水平, 但也由于提前的好氧区会消耗掉进水中快速降解的C O D, 使得聚磷菌首先进入好氧池, 进行好氧聚磷, 而削减了反硝化聚磷的比例, 没有实现整个装置的经济运行, 也使得出水的总磷略高于P r e-D N M B R工艺。HANTR工艺是倒置AA/O与膜-生物反应器的结合。优点是结构简单, 便于应用, 但其缺点是进水没有直接进入到厌氧区, 而导致快速降解C O D没有高效地被聚磷菌吸收转化为P H A, 这就导致了到达好氧段和缺氧段的聚磷菌没有充足的吸磷的能量, 而试验证明P H A是聚磷的关键。因此H A N T工艺无法取得较好的除磷效果。Modified MBR工艺类似于双污泥系统的想法, 将进水充分吸收P H A的污泥与含有氨氮的溶液分开, 让含有氨氮的溶液进入硝化池后转变为硝氮, 再与污泥一起进入缺氧池进行反硝化聚磷, 使得反硝化聚磷更为充分。但是同时也引入了沉淀池在整个系统中。首先, 沉淀池存在分离不完全的问题, 会导致污泥中夹带大量的氨氮, 影响整个系统最终总氮的去除, 另外沉淀池本身的分离效果受到混合液性状的影响, 而在膜-生物反应器中较高的污泥浓度下, 很容易影响到污泥的沉降性, 因此整个系统的运行控制是一个技术难点。总的来说, 当HRT控制在12~17h, SRT控制在20d~27d时, 不同种类的改良型M B R都取得了较好的总磷及总氮的同步去除效果。特别是在Lesjean的研究中总磷的去除率始终保持在99%左右, 出水的总磷在0.15mg/L以下, 符合了美国E P A公布的防止富营养化需要控制的总磷浓度的要求。因此利用改良型膜-生物反应器反应器进行污水的同步脱氮除磷处理的前景是乐观的。

摘要：膜-生物反应器 (membrane bioreactor, 简称MBR) 是一种新型高效的污水处理工艺。本文对膜生物反应器 (MBR) 在脱氮, 除磷方面的应用与研究情况进行了探讨。

关键词：膜生物反应器,脱氮,除磷,硝化,反硝化