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书书书 第６０卷 第４期 化 工 学 报 Ｖｏｌ．６０ Ｎｏ．４ ２００９年４月 ＣＩＥＳＣ Ｊｏｕｒｎａｌ Ａｐｒｉｌ ２００９檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文不同曝气条件对膜生物反应器工艺脱氮性能的影响石晓庆，王 锦，张 倩（北京交通大学土建学院市政与环境工程系，北京１０００４４）摘要：为了改善膜生物反应器（ＭＢＲ）的脱氮效果，考察了不同溶解氧浓度（ＤＯ）、曝气／停曝时间对ＭＢＲ工艺实现短程硝化反硝化生物脱氮的可能性以及对膜污染的影响。第一阶段采用５ｍｉｎ／１ｍｉｎ的间歇曝气模式，改变ＤＯ，在２、３ｍｇ·Ｌ－１时出现了亚硝酸盐氮的积累，相应的总氮的去除率较１、４ｍｇ·Ｌ－１时高，但最高值仅接近４０％。第二阶段ＤＯ控制在２ｍｇ·Ｌ－１左右，改变曝气／停曝时间，在１０ｍｉｎ／５ｍｉｎ时，亚硝酸盐氮积累率最高，总氮去除率也最高，接近７０％；同时发现亚硝酸盐氮的浓度过高（在６ｍｇ·Ｌ－１左右）会降低脱氮效果。说明改变ＤＯ与曝气／停曝时间均可实现短程硝化反硝化脱氮，但后者效果更为显著。另外，ＤＯ过低（１ｍｇ·Ｌ－１）、过高（４ｍｇ·Ｌ－１）时，膜污染均恶化；曝气率越低，停曝的时间越长，膜污染越严重。关键词：膜生物反应器；脱氮；曝气／停曝时间；膜污染；短程硝化中图分类号：Ｘ７０３．１ 文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００９）０４－１０１７－０５犈犳犳犲犮狋狅犳犪犲狉犪狋犻狅狀狅狀狀犻狋狉狅犵犲狀狉犲犿狅狏犪犾犻狀犿犲犿犫狉犪狀犲犫犻狅狉犲犪犮狋狅狉犛犎犐犡犻犪狅狇犻狀犵，犠犃犖犌犑犻狀，犣犎犃犖犌犙犻犪狀（犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋狅犳犕狌狀犻犮犻狆犪犾犪狀犱犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犛犮犺狅狅犾狅犳犆犻狏犻犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犅犲犻犼犻狀犵犑犻犪狅狋狅狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犅犲犻犼犻狀犵１０００４４，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎ（ＴＮ）ｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｍｅｍｂｒａｎｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ（ＭＢＲ），ｄｉｓｓｏｌｖｅｄｏｘｙｇｅｎ（ＤＯ）ａｎｄａｅｒａｔｉｏｎｏｎ／ｏｆｆｔｉｍｅｗｅｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｔｈｒｏｕｇｈｓｈｏｒｔｃｕｔｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｍｅｍｂｒａｎｅｆｏｕｌｉｎｇｗａｓａｌｓｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ａｔｔｈｅｆｉｒｓｔｓｔａｇｅ，ｔｈｅａｅｒａｔｉｏｎｏｎ／ｏｆｆｔｉｍｅｗａｓ５ｍｉｎ／１ｍｉｎａｎｄＤＯｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖａｌｕｅｓ．ＷｈｅｎＤＯｗａｓａｔ２ｍｇ·Ｌ－１，３ｍｇ·Ｌ－１，ｎｉｔｒｉｔｅｗａｓａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＴＮｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｗｈｅｎＤＯｗａｓ１ｍｇ·Ｌ－１，４ｍｇ·Ｌ－１．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＴＮｗａｓｏｎｌｙｎｅａｒ４０％．Ａｔｔｈｅｓｅｃｏｎｄｓｔａｇｅ，ＤＯｗａｓ２ｍｇ·Ｌ－１ａｎｄａｅｒａｔｉｏｎｏｎ／ｏｆｆｔｉｍｅｗａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｗｈｅｎａｅｒａｔｉｏｎｏｎ／ｏｆｆｔｉｍｅｗａｓ１０ｍｉｎ／５ｍｉｎ，ｔｈｅｎｉｔｒｉｔｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｒａｔｉｏａｎｄｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＴＮｗｅｒｅｂｏｔｈｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ，ａｎｄｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＴＮｗａｓｎｅａｒ７０％．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ＴＮｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｗｈｅｎｎｉｔｒｉｔｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓｔｏｏｈｉｇｈ（ａｂｏｕｔ６ｍｇ·Ｌ－１）．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｈｏｗｅｄｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｔｈｒｏｕｇｈｓｈｏｒｔｃｕｔｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｈｅｎＤＯａｎｄａｅｒａｔｉｏｎｏｎ／ｏｆｆｔｉｍｅｗｅｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄａｔａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｖａｌｕｅｓ．Ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｅｒａｔｉｏｎｏｎ／ｏｆｆｔｉｍｅｗａｓｍｏｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｔｈａｎｔｈｅＤＯｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．ＭｅｍｂｒａｎｅｆｏｕｌｉｎｇｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅｄｗｈｅｎＤＯｗａｓｅｉｔｈｅｒｔｏｏｌｏｗ（１ｍｇ·Ｌ－１）ｏｒｔｏｏｈｉｇｈ（４ｍｇ·Ｌ－１）；ｔｈｅｌｏｗｅｒｔｈｅａｅｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｌｏｎｇｅｒｔｈｅａｅｒａｔｉｏｎｏｆｆｔｉｍｅｗａｓ，ｔｈｅｗｏｒｓｅｔｈｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｏｕｌｉｎｇｂｅｃａｍｅ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｍｅｍｂｒａｎｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ；ｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌ；ａｅｒａｔｉｏｎｏｎ／ｏｆｆｔｉｍｅ；ｍｅｍｂｒａｎｅｆｏｕｌｉｎｇ；ｓｈｏｒｔｃｕｔｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ２００８－０８－１９收到初稿，２００９－０１－０５收到修改稿。联系人：王锦。第一作者：石晓庆（１９８２—），女，硕士研究生。基金项目：北京交通大学校基金项目。 犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００８－０８－１９．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：ＷＡＮＧＪｉｎ．犈－犿犪犻犾：ｊｗａｎｇ１＠ｂｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＢｅｉｊｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ． 引 言膜生物反应器（ＭＢＲ）工艺由于泥龄长、曝气充分，对氨氮的去除效果非常好，去除率通常大于９０％，出水氨氮浓度低于１ｍｇ·Ｌ－１［１］。但在多数曝气ＭＢＲ中，由于缺氧环境不充分，反硝化能力较弱，导致系统对总氮（ＴＮ）的去除率不高。通过增加缺氧段，可将ＴＮ的去除率提高至６０％～８０％［２］。邹联沛等［３］认为控制溶解氧浓度可实现短程硝化反硝化生物脱氮，提高总氮去除效率。研究表明，通过调整曝气时间来实现短程硝化脱氮比通过改变污泥龄实现短程硝化脱氮更具有吸引力［４］。为了改善ＭＢＲ的脱氮效果，本研究考察了改变溶解氧浓度、曝气／停曝时间对ＭＢＲ工艺实现短程硝化反硝化生物脱氮的可能性以及对膜污染的影响。１ 试验材料和方法１１ 装置与材料膜生物装置如图１所示，反应器规格为０．４５ｍ×０．４ｍ×０．１ｍ，有效体积为１５Ｌ，膜组件采用聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）中空纤维膜，膜丝外径为１．４４ｍｍ，膜组件有效面积０．２５ｍ２，膜孔径０．０３μｍ。膜组件下设有５个曝气砂头，进行鼓风曝气，以保证微生物的供氧条件。人工配制的模拟生活污水由进水蠕动泵打到反应器中，由时间继电器控制间歇出水方式，曝气量由在线溶解氧控制仪控制。反应器采用间歇曝气模式，为了减轻膜污染，曝气与膜出水同步。保持恒流出水，通过记录过膜压力的变化来考察膜污染状况。１２ 试验方法接种污泥取自门头沟污水处理厂，驯化期内为了抑制硝化菌生长，富集亚硝化菌，用加热棒控制系统温度在３０℃，控制低的溶解氧浓度（从小于１．０ｍｇ·Ｌ－１逐渐增加至２．０ｍｇ·Ｌ－１）。驯化期间保持膜装置正常运行。驯化约一个月后，清洗膜组件，使过膜压力恢复到初始值，正式进入试验阶段。模拟生活污水用蔗糖、牛肉膏、大豆蛋白胨、ＮＨ４Ｃｌ、Ｎａ２ＨＰＯ４·１２Ｈ２Ｏ、ＫＨ２ＰＯ４、无水乙酸钠、无水Ｎａ２ＣＯ３、ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ和ＣａＣｌ２配制而成，ＣＯＤ∶ＴＮ∶ＴＰ＝１００∶１０∶２，本试验ＣＯＤ、总氮、总磷、氨氮、亚硝酸盐氮（ＮＯ－２Ｎ）、硝酸盐氮（ＮＯ－３Ｎ）等水质指标的测定均采图１ 浸没式膜生物反应器试验装置Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｕｂｍｅｒｇｅｄｍｅｍｂｒａｎｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ１—ｆｅｅｄｉｎｇｔａｎｋ；２—ｉｎｆｌｕｅｎｔｐｕｍｐ；３—ｌｅｖｅｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；４—ｏｘｙｇｅｎｓｕｐｐｌｙａｅｒａｔｏｒ；５—ｇａｓｆｌｏｗｍｅｔｅｒ；６—ｒｅａｃｔｏｒ；７—ｍｅｍｂｒａｎｅｍｏｄｕｌｅ；８—ａｅｒａｔｉｏｎｈｅａｄ；９—ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；１０—ｓｏｌｅｎｏｉｄｐｉｌｏｔａｃｔｕａｔｅｄｖａｌｖｅ；１１—ｅｆｆｌｕｅｎｔｐｕｍｐ；１２—ｂａｃｋｗａｓｈｐｕｍｐ；１３—ｂａｃｋｗａｓｈｔａｎｋ 用国家标准方法［５］。系统运行过程中污泥浓度保持在４５００～５５００ｍｇ·Ｌ－１，温度３０℃，ｐＨ值为７～８，膜通量１１Ｌ·ｈ－１·ｍ－２，水力停留时间（ＨＲＴ）为８ｈ。试验分为两阶段，第一阶段控制间歇曝气／停曝时间为５ｍｉｎ／１ｍｉｎ，采用在线溶解氧仪控制各周期溶解氧浓度分别为１、２、３、４ｍｇ·Ｌ－１。第二阶段控制溶解氧浓度为２ｍｇ·Ｌ－１，控制各周期曝气／停曝时间［６］分别为５ｍｉｎ／１ｍｉｎ，２０ｍｉｎ／４ｍｉｎ，２０ｍｉｎ／１０ｍｉｎ，１０ｍｉｎ／５ｍｉｎ，５ｍｉｎ／２．５ｍｉｎ。以上两阶段每个周期开始之前，都先将污泥在该周期特定的试验条件下驯化２０ｄ，污泥龄（ＳＲＴ）约为１２ｄ。待污泥性状稳定后再进入正式试验阶段，运行１２ｄ。每隔１ｄ测一次常规指标并记录过膜压力，周期结束后，用０．１％的次氯酸钠溶液清洗膜组件，先化学清洗，后水力清洗，使过膜压力恢复到初始状态（５～６ｋＰａ）。２ 结果与讨论２１ 不同溶解氧浓度下氮的去除不同溶解氧浓度下系统对总氮的去除效果如图２所示。由图可见，随溶解氧浓度增加，总氮去除率先增大后减小。溶解氧为３ｍｇ·Ｌ－１时去除率达到最高值３９．８５％，溶解氧大于３ｍｇ·Ｌ－１时去除率开始下降。·８１０１·化 工 学 报 第６０卷 图２ 不同溶解氧条件下系统对总氮的去除效果Ｆｉｇ．２ ＲｅｍｏｖａｌｏｆＴＮｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔＤＯｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ 为了进一步解释总氮去除规律，分析了在不同溶解氧浓度下上清液各形态氮的含量及亚硝酸盐氮的积累情况，如表１和表２所示。表１ 不同溶解氧条件下上清液各形态氮的平均含量犜犪犫犾犲１ 犃狏犲狉犪犵犲犮狅狀狋犲狀狋狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犳狅狉犿狊狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀犻狀狊狌狆犲狉狀犪狋犪狀狋狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犇犗犮狅狀犱犻狋犻狅狀狊ＤＯ／ｍｇ·Ｌ－１ＮＨ３Ｎ／ｍｇ·Ｌ－１ＮＯ－２Ｎ／ｍｇ·Ｌ－１ＮＯ－３Ｎ／ｍｇ·Ｌ－１１８．９０±２．４４０．０２３±０．００６０２３．９２±０．３３２．４７±０．０９１０．６５±１．５８３０．８８±０．３０３．１１±０．２１１１．６３±１．０４４０．２６±０．０８０．２９±０．０５１９．７７±１．６５表２ 不同溶解氧条件下亚硝酸盐氮积累及总氮的去除情况犜犪犫犾犲２ 犃犮犮狌犿狌犾犪狋犻狀犵狉犪狋犻狅狅犳狀犻狋狉犻狋犲犪狀犱狉犲犿狅狏犪犾犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔狅犳犜犖狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犇犗犮狅狀犱犻狋犻狅狀狊ＤＯｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ／ｍｇ·Ｌ－１犚／％ＴＮｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ／％１—１１．２８±１．４４２１８．８２±１．５８３０．７２±２．１９３２１．１０±１．７２３９．８５±１．６４４１．４４±０．６７２１．９６±１．１８定义亚硝酸盐氮积累率犚＝亚硝酸盐氮／（亚硝酸盐氮＋硝酸盐氮）［４］，由表１和表２可见，溶解氧为１、４ｍｇ·Ｌ－１时，均未出现亚硝酸盐氮的积累现象，总氮去除率都较低。溶解氧为２、３ｍｇ·Ｌ－１时上清液的亚硝酸盐氮得到了积累，相应的总氮去除率也明显提高。说明溶解氧太低或太高均不利于总氮的去除，亚硝酸盐氮积累率高，总氮的去除率也高。溶解氧为２、３ｍｇ·Ｌ－１时的总氮去除率相对溶解氧为１、４ｍｇ·Ｌ－１时较高，且均有部分亚硝酸盐氮的积累。这是由于２、３ｍｇ·Ｌ－１时的曝气量不能使所有污泥悬浮，有一部分污泥沉于底部，而底部溶解氧浓度较低，抑制着硝化菌的生长，有利于亚硝化菌的生长。因此推断溶解氧在２、３ｍｇ·Ｌ－１时，反应器内实现了短程硝化反硝化。蒋燕等［７