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AO-MBR工艺短程硝化处理高氨氮废水试验研究孙星凡摘要：采用AO-MBR工艺短程硝化处理模拟高氨氮废水，系统可以快速启动实现全程硝化，试验运行结果表明：AO-MBR工艺在24~32℃，pH在7.8~8.4，通过降低DO为0.5mg/L，21天后全程硝化转变为稳定的短程硝化，氨氮去除率和亚硝酸盐氮积累率都大于了90%。在整个试验过程中，污泥浓度在接种后和硝化类型转变时大幅降低，中后期污泥浓度后期基本稳定。关键词：短程硝化高氨氮废水AO-MBRStudyonShortcutNitrification-DenitrificationofnitrogenremovalbyAO-MBRProcessforHigh-StrengthAmmoniaWastewaterTreatmentSunXingfan1ZhangYan2WenYibo1LiTianzeng1(1.BeijingSoundGroupCO.LTD,Beijing,101102;2.JinanJinanZhiHuaconsultingCO.LTD)Abstract:ThestabilizationofshortcutnitrificationisstudiedinAO-MBRtreatingthesimulatehigh-strengthammoniawastewater.thesystemcanquicklystarttoachievefullnitrification.Theexperimentalresultsshowthat:undertheconditionoftemperatureis24~32℃,pHis7.8~8.4,lowerDOfor0.5mg/L,Thestableshortcutnitrificationisformedafter21dayswithAO-MBR.Undertheoptimalcondition,nitriteaccumulationrateupto90%withtheaverage90%removalofammonianitrogen.Intheexperiment,whenthevaccinationandnitrationtypetransformation,theMLSSreducessharply,Inthelast,theMLSSincreasemoreandmoreslowly,thestabilityofthelatter.Keywords:ShortcutNitrificationHigh-StrengthAmmoniaWastewaterAO-MBR短程硝化反硝化工艺是近年来开发的一种新型生物脱氮工艺，该工艺能节省曝气量和反硝化碳源，并具有污泥生成量小等一系列优点，但是短程硝化反硝化工艺的实现条件较为苛刻，常规条件下更是很难维持稳定的短程硝化反硝化[1]。膜生物反应器（MBR）是污水生物处理与膜分离技术结合的新型处理工艺，它具有占地省、能耗少、高污泥浓度等特点[2]-[4]。试验基于短程硝化反硝化的脱氮原理以及膜生物反应器的优点，采用前置缺氧好氧膜生物反应器作为本次试验的主要工艺，以人工配制的高氨氮废水为处理对象，系统的研究了短程硝化的实现及其稳定运行的影响因素和活性污泥特性。1.实验材料与方法1.1原水水质试验用水采用人工配水，即在自来水投加NH4Cl和CH3OH来模拟高氨氮废水。其中，NH4Cl的投加量由每日进水控制的氨氮浓度来确定，甲醇的投加量根据总氮的去除率﹥60%所需用量来确定。配水中可能缺乏细菌生长所必需的锰、铁、铜、锌等无机元素，因此需向反应器中投加一定浓度的营养液。废水水质参数：COD300~2500mg/L，NH4+-N48~1300mg/L，pH7.8~8.4。1.2.1试验装置试验装置如图1所示。AO-MBR反应装置由进水区、A池、O池组成，Ａ池和Ｏ池反应器采用PVC有效容积为分别为28L、70L，O池内置1片PVDF中空纤维超滤膜,每片膜有效过滤面积为1.0m2，膜组件尺寸为a×b×c(mm)=300×210×450，纤维内外径0.6/1.1(mm)，膜孔径0.1μm。自控系统真空泵泥水回流变频搅拌机A池O池进水区进水泵流量计回流泵风机膜组件出水流量计液位控制仪储碱池加碱泵图1AO-MBR反应器1.2.2试验设计(1)试验进水1.7L/h，A区采用变频搅拌器强化了水流紊动性，以更好的保持缺氧状态，有效防止污泥淤积；O区采用曝气头曝气方式，利用曝气头提高氧向水中的转移速率，强化传质效果，保证反应器内有足够的溶解氧。(2)中空纤维膜浸没O池，运行方式是抽吸8分钟，停2分钟；O池底部设有曝气装置，主要为生化系统提供充足的氧气和持续不断的冲刷膜表面减缓膜的污染。(3)温控保证常温环境即24～32℃。1.3检测方法试验过程中需要检测NH4+-N，MLSS，化学需氧量COD，pH值，DO，其分析方法分别为：GB7479-1987钠氏比色法，重量法，GB11914-1989重铬酸盐法，pH酸度计，便携式溶解氧仪。2.试验启动2.1污泥接种与驯化试验接种污泥取自北京某污水处理厂二沉池的回流污泥，首先将取来的污泥反复淘洗，去掉上层漂浮物和下层大块沉积物，留下颗粒细小的污泥，然后闷曝24小时，利用内源呼吸作用，使异氧菌自身消耗并去掉有毒物质，恢复活性后的污泥呈黄褐色，将污泥倒入AO-MBR反应池中培养。此时缺氧和好氧池内的MLSS分别为3432mg/L、3568mg/L，开启鼓风机、电动搅拌机和回流泵，并向反应池中注入污水进行培养，运行一天后，按照AO-MBR工艺运行方式。2.2系统启动与全程硝化形成逐步提高进水负荷，逐渐降低C/N比例，使污泥渐渐适应高浓度氨氮废水的水质环境。驯化过程中每提高一次负荷都要保证出水稳定。经过一个多月的培养，污泥基本成熟，缺氧和好氧池的MLSS分别为6483mg/L、7540mg/L，镜检生物相微生物活跃丰富。3.试验结果与分析3.1全程硝化的稳定运行系统启动之后，氨氮的去除效果随着系统的稳定运行而逐渐增加，进出水氨氮及氨氮去除率随运行时间的变化曲线见图2。050100150200250300350400450500135791113151719212325272931333537时间/d氨氮浓度/mg/L020406080100氨氮去除率/%进水氨氮浓度出水氨氮浓度氨氮去除率图2AO-MBR全程硝化进出水氨氮浓度及去除率随时间的变化曲线由上图可知，进水氨氮浓度从48.2mg/L逐渐提高到498.1mg/L，出水氨氮为平均2.3mg/L，平均氨氮去除率为99.1%，启动完成之后，硝化率长期稳定在99%以上；同时，全程硝化阶段，亚硝氮积累率仅为7.9%，说明反应器能够把亚硝氮全部转化为硝态氮。该反应装置能在较短时间内达到氨氮的稳定去除效果，反应装置启动迅速，能够缩短污泥驯化时间，很快进入较高负荷的运行状态，是一种较好的硝化反硝化反应器。系统启动初期，反应器内硝化菌和亚硝化菌数量较少，氨氮去除效果较差，随着运行时间的延长硝化菌的数量随之增加，系统出水氨氮浓度明显下降，去除率逐步升高，较低负荷时，经11天后达到99%以上，逐渐加大负荷，系统经过几天的稳定，氨氮去除效果良好。020040060080010001200135791113151719212325272931333537时间/dCOD浓度/mg/L020406080100COD去除率/%进水COD浓度出水COD浓度COD去除率图3AO-MBR全程硝化进出水COD浓度及去除率随时间的变化曲线由上图可知，在此阶段运行期间平均进水COD浓度为408.76mg/L；出水COD平均值36.70mg/L；COD最大去除率为94.7%，最低去除率为72.4%，平均去除率为90.3%。即使在有大的冲击负荷时，系统COD去除效果仍比较好。AO-MBR对有机物的去除效果来自两个方面：一方面是膜生物反应器中微生物对有机物的降解，由于膜的截留作用，膜生物反应器内形成高浓度的生物种群，能够达到较高的MLSS，使得MBR系统中生物降解作用增强；另一方面是膜对大分子有机物质的截留作用，大分子物质可以被截留在好氧反应器内，获得比传统活性污泥法更多的与微生物接触反应时间，并有助于某些专性微生物的培养，提高有机物的去除效率[5]。由以上两图可见，COD去除率和氨氮去除率不会同时达到最大值。硝化菌是一类自养菌，有机基质的浓度并不是它的生长限制因素，但若有机基质浓度过高，会使生长速率较高的异氧菌迅速繁衍，争夺溶解氧，从而使自养菌的生长缓慢且好氧的硝化菌得不到优势，结果降低硝化速率。因此出于对生存空间的竞争，在一定的基质浓度条件下自养菌和异养菌不会同时处于最高效状态。3.2全程硝化转变为短程硝化影响短程硝化的因素众多，实现全程硝化向短程硝化的转变主要研究集中以下三个方面：FA、DO、温度选择抑制理论[6]，本试验通过改变环境因素以改变硝化类型，控制全程硝化向短程硝化转变。在全程硝化的亚硝氮积累率为7.9%的基础上，保持其他影响条件不变，通过控制DO在0.5mg/L，约11天后形成了亚硝酸菌的竞争优势（亚硝氮积累率50%）。015030045060075013579111315171921时间/d进出水氨氮浓度/mg/L405060708090100氨氮去除率/%进水氨氮浓度出水氨氮浓度氨氮去除率图4硝化类型转变期间氨氮浓度随时间变化02040608010013579111315171921时间/d亚硝氮和硝态氮浓度/mg/L0102030405060708090100亚硝氮积累率/%亚硝氮浓度硝态氮浓度亚硝氮积累率图5短程硝化期间各物质浓度变化DO可以利用两类细菌的动力学特性差异在活性污泥系统中达到淘洗的目的，亚硝酸盐氧化菌和氨氧化菌两者在氧和生存空间方面存在着竞争。由于氨氧化菌的溶解氧饱和常数比亚硝酸盐氧化菌的小，所以在稳定的硝化系统中，当溶解氧浓度降低时，两者之间将进行动力学选择[7]。图4、图5表明当降低DO至0.5mg/L时，硝酸菌和亚硝酸菌的活性都受到了不同程度的影响，系统氨氮去除率的迅速降低，此时的氨氮去除率仅为44.3%。由于硝酸菌的活性受到更大程度的影响，而亚硝酸产率的成倍提高抵消了低溶解氧对氨氧化速率降低的影响[8]。在此环境下，硝酸菌的产率和氧化亚硝态氮的速率并未因溶解氧的降低而提高，综合作用的结果导致了反应器中亚硝态氮的积累。反应第7天，亚硝氮积累率与第3天相比增加到了48.65%，而后亚硝酸盐氮浓度和硝酸盐氮浓度虽有波动，但是亚硝酸盐积累率一直稳步上升，直至形成明显的短程硝化。当硝酸菌不适应低氧环境而逐渐被淘洗出系统后，亚硝酸菌的大量增值使氨氮去除率有所增加。在降低DO的11天后氨氮去除率上升到了78.4%，亚硝氮积累率达到66.36%，至此形成了较为明显的短程硝化。直到第21天，氨氮去除率和亚硝酸盐氮去除率都大于了90%。3.3反应器的污泥特性观察3.3.1MLSS的变化0246810120102030405060708090100110120130140150160170180运行时间/d污泥浓度/g/L缺氧池好氧池图6系统污泥浓度的变化缺氧池和好氧池的污泥浓度一直下降到第20天的1609mg/L，1217mg/L。因为进水氨氮浓度不断提高，硝化率一直保持在99%以上，严格控制碳氮比，使进水氨氮浓度较高，COD浓度相对较低，所以反应器中硝化菌的数量是一直在增加的，接种污泥中的异氧微生物会因为得不到充足的基质而大量的死亡，导致污泥浓度显著降低，同时，自养硝化菌由于可以便利的获得氨氮、充足的溶解氧和碱度，因此在经过短时间的适应期之后，硝化菌会在反应器中大量的增殖。另外进水中的高浓度氨氮对异氧细菌的抑制、自养硝化菌与异氧菌对溶解氧的竞争等作用又会进一步减少活性污泥中异氧细菌的数量，最终使自养硝化微生物成为了反应器内的优势微生物，污泥浓度开始显著上升。图6说明在系统运行的初期，好氧池经历了由异养菌为主到自养硝化菌为主的转变过程。之