碳氮比对气水交替式膜生物反应器同步脱氮除碳的影响

王宏杰，董文艺，甘光华，杨 跃，李伟光

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，150090哈尔滨;2.哈尔滨工业大学深圳研究生院，518055广东深圳，whj1533@yahoo.com.cn)

为缓减膜污染，传统膜生物反应器(membrane bioreactor，MBR)常采用较大曝气量，使反应器内的水流能够充分搅动，混合液中污泥和颗粒很难沉淀下来，减缓膜上滤饼层的形成速度、减小滤饼层的厚度，从而达到减小膜阻力的效果.同时，较大的气水比还可以减缓膜的吸附污染［1］.但该措施使混合液中DO含量较高，导致MBR反硝化效果差，TN去除效果不佳.而膜曝气生物反应器(membrane aeration bioreactor，MABR)是将膜组件代替传统曝气头进行曝气的污水生物处理工艺［2-4］，一些研究表明，该工艺在有效去除-N的同时，还具有较好的脱氮功能［5-9］.但常规 MABR工艺采用后加沉淀池出水，当反应器处理效果不稳定或发生污泥膨胀时，出水水质得不到保证，且占地面积较大.

本实验中将膜曝气和膜分离相组合，构成新型的气水交替式膜生物反应器(gas-water alternate membrane bioreactor，AMBR)，该反应器将有效地结合传统MBR出水水质好、占地面积小、运行稳定和MABR可同步除碳脱氮等优点.

对于活性污泥法，因为产率不同，活性污泥系统中异养菌与硝化菌竞争底物和溶解氧，导致硝化菌的生长受到抑制.一般认为处理系统的BOD负荷小于0.15 g/(g·d)时，硝化反应才能正常进行［10］，过高的碳氮比将抑制硝化反应.而对于反硝化过程，则需要一定量的碳源才能满足反硝化脱氮的需求.硝化和反硝化两者对碳源需求的不同导致传统生物反应器很难实现同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification，SND).AMBR虽然由于独特的供氧方式，其生物膜分层及底物降解规律与传统生物反应器有较大区别，可以实现单一反应器的同步除碳脱氮，但碳氮比对反应器所能达到的SND效率仍具有一定的影响［11］.因此，本文采用人工配水，考察了碳氮比对AMBR同步脱氮除碳的影响.

1 实验

1.1 实验装置及运行条件

实验装置如图1所示.MBR中两膜片进行交替运行，通过PLC和电磁阀进行控制.当电磁阀9开启时，电磁阀8也处于开启状态，膜片4用于曝气，膜片5用于出水;此时电磁阀7和10处于闭合状态.运行60 min后，电磁阀8和9自动关闭，而7和10处于开启状态，此时膜片4用于出水，而膜片5用于曝气.再次运行60 min后进行交替.气源为由氧气瓶15提供的质量分数为99.9%的纯氧，通过流量计14控制曝气量以改变反应器中的DO值.由于膜曝气过程中无肉眼可见的气泡产生，无法起到混合作用，因此在反应器底部设置一水力循环泵6，有利于原水和反应器内混合液的混合均匀.实验所用膜材料为亲水性聚丙烯中空纤维膜(PP)，膜孔径为0.2 μm，每片膜面积为0.1 m2.反应器的有效体积为8 L，水力停留时间控制为8 h.

图1 实验装置

1.2 实验材料

实验原水为人工配水，由淀粉、葡萄糖、蛋白胨、氯化铵、磷酸氢二钾、氯化钙、硫酸镁、氯化铁配制而成，并加入碳酸氢钠调节pH值.原水TN质量浓度为36 mg/L左右，NH4+-N质量浓度为34 mg/L左右，pH为7.0左右，COD根据碳氮比的不同进行调整.实验用的污泥取自深圳市某污水处理厂脱水机房，并利用SBR反应器驯化.

1.3 检测方法

试验中的水质分析方法均参照国家环保总局制定的水与废水分析检测方法进行.COD采用重铬酸钾密闭消解法-N采用纳氏试剂光度法，TN采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法-N采用N-(1-萘基)-乙二铵光度-N采用紫外分光光度法.

1.4 实验过程

按3 000 mg/L的活性污泥量向反应器内投加驯化成熟的污泥，进行气水交替连续运行.前期的研究表明，当混合液DO质量浓度在0.5 mg/L左右时，AMBR具有较好的同步脱氮除碳效果［12］，因此在本实验过程中混合液DO控制在0.5 mg/L.通过改变COD，考察碳氮比(COD和TN质量浓度比)为3、4、5、7和10左右的条件下，AMBR对污染物的去除效果.每种碳氮比条件下各运行30 d.

2 结果与讨论

2.1 COD去除效果

碳氮比对AMBR去除COD的影响如图2所示.可以看出，混合液中的COD随着碳氮比的上升有所增加，由碳氮比为3时的27.8 mg/L增加至碳氮比为10时的83.9 mg/L.这主要是由于随着碳氮比的增高，COD负荷也由碳氮比为3时的13.24 g/(m2·d)上升至碳氮比为10时的45.63 g/(m2·d).COD负荷的增加导致有机物无法迅速渗入至生物膜内部，因而附着于膜丝表面的异养菌对COD的去除效果有所下降，混合液中的COD有所积累.但是通过出水膜表面的微生物及膜过滤的作用，碳氮比在3～10的条件下，出水的COD均在20 mg/L左右.可见，在保证溶解氧的条件下，碳氮比对AMBR去除COD的影响较小.

图2 碳氮比对AMBR去除COD的影响

图3 碳氮比对AMBR去除－N的影响

而对于AMBR，曝气膜丝上附着的微生物及基质分布如图4所示.由于其硝化菌附着于膜丝表面，大部分存在于生物膜内侧，而有机物到达该区域前已经被外侧异养微生物充分降解.因此，尽管碳氮比的提高将导致有机物进一步渗入至生物膜内侧，但相对于进水，其碳氮比仍大幅度下降，使该区域硝化菌仍成为优势菌种，因此对-N的去除影响不大.

2.3 TN去除效果

不同碳氮比条件下，AMBR对TN的去除效果如图5所示，可以看出，碳氮比对AMBR去除TN有很大的影响.当碳氮比为3左右时，反应器对TN的去除率仅为28.4%，随着碳氮比的上升，TN去除率也随之提高，当碳氮比为5左右时，TN去除率已提高至66%左右，出水TN平均质量浓度为12.4 mg/L，满足国家一级A的要求［17］.当碳氮比进一步上升时，对TN去除的提高有限，当碳氮比为10左右时，TN的去除率仅上升至75.2%.可见，虽然AMBR所构成的特殊的微生物环境有利于脱氮，但当碳氮比较低(＜5)时，由于反硝化过程中碳源的不足，对TN的去除效果仍然不理想.

图4 曝气膜丝上生物膜及基质的分布

图5 碳氮比对AMBR去除TN的影响

本实验的研究结果与 Matsumoto等［11］对MABR通过数据模型模拟得到的结果有所差别.该研究中发现碳氮比为3～5.25时均能获得较优的TN去除效果，当碳氮比为3.75时，能获得最佳的TN去除效果，其去除率达到78.9%.而当碳氮比大于6时，TN去除效果迅速下降.本文分析认为，在碳氮比高于6时，附着于膜丝表面的生物膜几乎完全是异养菌，硝化菌数量受到了限制，由此导致TN的去除效果下降.而在本实验中，碳氮比的升高有利于TN的去除，即使在碳氮比为10的条件下，仍未见TN的去除率下降.

对各碳氮比条件下出水中的氮形态进行分析，结果如图6所示.

图6 原水及不同碳氮比条件下出水氮的组成

3 结论

1)通过模拟生活污水小试实验，考察了混合液DO质量浓度控制在0.5 mg/L左右、碳氮比在3～10之间变化时，碳氮比对AMBR同步脱氮除碳的影响，结果显示:碳氮比对AMBR去除COD和-N无明显影响，出水中COD和-N的平均质量浓度分别在 20 mg/L和2 mg/L左右.

2)碳氮比对AMBR去除TN具有较大的影响，随着碳氮比的增加，TN去除率逐渐上升，当碳氮比大于5时，出水 TN平均质量浓度为12.4 mg/L，满足国家一级A的15 mg/L的要求.

3)出水中TN质量浓度随碳氮比的增加而减少主要通过加强反硝化作用，减少出水中的-N含量实现.

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