不同回流比和SRT对A/O-MBR脱氮除磷的影响

王德美，王晓昌，唐嘉陵，夏四清，2

（1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055；2.同济大学环境科学与工程学院，上海200092）

不同回流比和SRT对A/O-MBR脱氮除磷的影响

王德美1，王晓昌1，唐嘉陵1，夏四清1，2

（1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055；2.同济大学环境科学与工程学院，上海200092）

通过改变回流比和污泥龄（SRT）考察其对A/O-MBR脱氮除磷效果的影响，结果表明：在整个运行过程中，不同回流比对氨氮的去除率都在96%以上。提高回流比，使得反硝化过程不能完全进行，从而导致出水NO3--N升高，脱氮效率降低。而SRT对NH4+-N、NO3--N和TN没有明显影响。此外，在SRT=30 d，回流比较低时（回流比为2），厌氧释磷作用较为明显，而提高回流比（回流比为3），反硝化聚磷过程得到强化，反应器均能达到较高的除磷效果（95%以上）。而当污泥中TP含量达到饱和时，增加SRT至60 d，并不能有效改善除磷效果。

A/O-MBR；回流比；污泥龄；除磷

自80年代起，N、P污染已经成为全球性的问题。富含N、P等营养物质的污水排入水体会损害正常的水体功能〔1〕。因此开发经济高效的脱氮除磷技术对改善水环境质量具有十分重要的意义〔2-3〕。MBR工艺以其较好的出水水质受到了科研工作者的青睐。此外，其高效的污泥截留性能使污泥停留时间（SRT）不受水力停留时间（HRT）的影响，保证了处理系统内较高的污泥浓度，污染物去除效率大大提高。A/O-MBR工艺作为一种常见的脱氮除磷组合形式将传统脱氮工艺和MBR互补地结合起来。然而对于不同的回流比和SRT，A/O-MBR的脱氮除磷效果并不相同。首先，改变回流比会对系统脱氮效果有影响。污泥混合液由膜池回流到厌氧池，回流比的大小直接影响着厌氧池反硝化容量的充分利用及系统出水总氮（TN）浓度〔4〕。其次，改变SRT会对系统除磷效果有影响。除磷主要是通过排放含高磷剩余污泥而实现的，如果SRT过长则排出的剩余污泥量太少，就达不到较高的除磷效率。T.A.Alper等〔5〕指出，反应器中的MLSS及MLVSS随SRT增大而增大。对于不同工艺，SRT的改变带来的影响不一致。试验以生活污水为处理对象采用A/O-MBR工艺研究了不同污泥回流比（分别为2和3）以及不同SRT（分别为30 d和60 d）条件下系统对NH4+-N、TN和P去除率的影响。

1　材料与方法

1.1A/O-MBR反应器

A/O-MBR反应器如图1所示。

图1　A/O-MBR反应器

反应器有效体积为37.5 L，其中厌氧池、好氧池和膜池的体积比为1∶1∶1。膜组件为PVDF中空纤维膜，面积为0.5 m2，孔径为0.1 μm。好氧池与膜池之间利用穿孔隔板分开，膜池采用穿孔管曝气冲刷膜表面控制膜污染，气水比为20∶1，好氧池采用微孔曝气头曝气供氧。运行期间，水力停留时间（HRT）为17.5 h，初始运行时回流比为2，SRT=30 d，一段时间后增大回流比，使回流比为3，SRT不变，再运行一段时间后在回流比为3的条件下增大SRT，使SRT=60 d。其中MLVSS/MLSS为0.7～0.75。反应器进水为投加厨余发酵液的校园生活污水，进水COD为350～430mg/L，PO43--P为4～13mg/L，TP为6～15mg/L，NH4+-N为15～29 mg/L，NO3--N为1～2.2 mg/L，TN为18～31 mg/L。厨余发酵液COD为100～200 g/L，SCOD 为60～120 g/L，TN为500～1 000 mg/L，挥发性脂肪酸VFA为10～15 g/L，蛋白质为10～30 g/L，多糖为50～100 g/L。

1.2水质测定方法

每天定时从反应器中取样检测，分析方法参考APHA〔6〕，测定COD、SCOD、TP以及污泥浓度，其中样品通过0.45 μm滤膜过滤后测定NH4+-N、NO3--N、NO2--N、PO43--P。

1.3污泥TP分析方法

污泥中P含量可直接反映污泥对磷的去除能力以及P在反应器中的存在形态。每天从反应器中取样，泥水混合液直接消解后测定TP1。另外，混合液在3 500 r/min离心10 min后，通过0.45 μm滤膜过滤，测定溶解性总磷TP2。污泥中TP含量为：TP= （TP1-TP2）/MLSS。

2　结果与讨论

2.1脱氮效果

2.1.1NH4+-N的变化

不同回流比和不同SRT下A/O-MBR中NH4+-N的变化情况如图2所示。

图2　　反应器中NH4+-N的变化

由图2可见，在回流比为2，SRT=30 d期间内，进水NH4+-N在15～29 mg/L之间波动，范围变化较大，而出水NH4+-N较低，基本保持在0.6 mg/L以下，去除率达97%以上。由此表明反应器对NH4+-N的去除效果非常好，硝化菌的活性较高，硝化作用较为彻底。在SRT不变的情况下将回流比增至3，在此期间进水 NH4+-N在 16～26 mg/L之间波动，出水NH4+-N同样较低，基本保持在0.8 mg/L以下，去除率达96%以上。第三阶段维持回流比为3的条件下将SRT增大，使SRT=60 d，此期间进水NH4+-N在12～22.5 mg/L之间波动，出水NH4+-N较低，去除率达96%以上。厌氧池中NH4+-N随进水波动较大，而好氧池、膜池和出水中NH4+-N较低并保持稳定，说明反应器的耐冲击负荷较强。在整个运行过程中不同回流比和SRT对出水NH4+-N浓度基本没有影响，其去除率均在96%以上。这主要是膜组件具有高效的截留能力，能使AOB和NOB在反应器中有效地富集。

2.1.2NO3--N的变化

运行期间反应器中NO3--N的变化情况如图3所示。

图3　　反应器中NO3--N的变化

由图3可见，整个运行期间进水NO3--N基本维持在2 mg/L左右，比较稳定。数据显示在第一阶段，即回流比为2，SRT=30 d期间，厌氧池中NO3--N较低，在1 mg/L以下，并且较为稳定。但是在第二阶段，即SRT不变，回流比增至3，厌氧池中NO3--N有所升高，并且不太稳定，这主要是因为当内回流比增加时，使得进入厌氧段的溶解氧和异养菌增加，替代NO3--N消耗进水中的碳源，从而使得用于反硝化过程的碳源减少，不能提供充足的电子供体，导致厌氧段不能将回流液的NO3--N全部还原。此外，可以看出，增加SRT至60 d时对各部分NO3--N浓度无明显影响。由此说明在碳源不充足的条件下，回流比对反硝化具有较大的影响，而SRT影响较小。

2.1.3TN的变化

A/O-MBR反应器中TN的变化情况如图4所示。

图4　　反应器中TN的变化

由图4可见，在回流比为2，SRT=30 d期间，进水TN在18～31 mg/L范围内波动，而出水TN在3～13 mg/L范围内，TN去除效率达到60%以上，多数为70%至85%。在SRT不变的条件下，回流比增至3，此期间进水TN在17～27 mg/L范围内波动，比前一阶段偏低，而出水TN浓度范围与前一阶段类似，TN去除率50%以上，多数为70%至80%，略低于前一阶段。改变SRT阶段无明显变化，可见SRT的改变对TN没有明显影响。数据表明，增大回流比并未使TN的去除率提高，反而有所降低，这主要是因为增大回流比可能导致缺氧段的溶解氧增加，替代NO3--N消耗进水中的碳源，使TN的去除率下降〔7〕。而SRT的增加并不能有效地提高脱氮能力，这主要可能是因为异养反硝化过程的主要限制因子是基质含量（如电子受体和供体）。

2.2除磷效果

2.2.1PO43--P去除效果

A/O-MBR反应器中PO43--P的变化情况如图5所示。

图5　　反应器中PO43--P的变化

由图5可见，回流比为2，SRT=30 d期间，反应器进水PO43--P基本保持在10 mg/L左右，最高达到12.6 mg/L。而出水中PO43--P逐渐降低，第7天后出水PO43--P为0.41 mg/L，去除效率达到95.1%。第12天利用NaClO清洗膜组件导致第13天除磷效果不理想，仅为27.17%。这可能是因为聚磷菌受到抑制所致。但从第14天后，反应器除磷效果逐渐恢复，到第16天达到96.49%。此外，可以看出厌氧池中PO43--P较高，保持在10～25 mg/L左右，这主要是因为聚磷菌在厌氧条件下的释磷作用所致。研究表明，聚磷菌在厌氧条件下利用有机物合成PHB，需要释放PO43--P。厌氧池中较为彻底的释磷过程有利于聚磷菌在好氧条件下过量吸磷。可以看出在好氧池和膜池中PO43--P含量始终保持在较低水平。

在SRT不变的情况下，将回流比增至3，期间反应器进水PO43--P基本保持在10 mg/L左右，但是厌氧池中PO43--P明显降低，仅为0.1 mg/L左右。而此时好氧池、膜池和出水中PO43--P依然较低，去除效率达到95%以上。这主要是因为厌氧池中存在反硝化聚磷菌群。当回流比增大时，厌氧池中NO3--N含量增加（图3所示），反硝化聚磷菌（DPAOs）利用NO3--N将PO43--P吸入体内，从而导致好氧区含量较低。而将SRT增至60 d时，由于排泥量减少，反应器PO43--P去除效率逐渐下降，至60%左右。而当进水中PO43--P降低至6 mg/L时，去除效率依然较低。由此说明，SRT对磷酸盐的去除影响较大。

2.2.2污泥中TP的变化

运行期间污泥中TP的变化情况图6所示。

图6　　运行期间污泥中TP的变化

由图6可见，回流比为2时，厌氧池中TP为22 mg/g左右，低于好氧池和膜池含量（30 mg/g），由此表明污泥在厌氧条件下释磷，从而导致厌氧池中PO43--P含量较好氧池和膜池高。而当回流比增至3时，厌氧池、好氧池和膜池污泥中TP升高至42 mg/g左右，这主要是因为反硝化聚磷菌在厌氧条件下的吸磷过程，使得厌氧污泥中磷含量升高，而在好氧区无法释磷，从而使得污泥中TP含量增加。可以看出污泥中TP含量在22 d后几乎不变，说明污泥的吸磷过程达到平衡，通过排泥实现进水TP的去除。因此当污泥中TP含量已经达到饱和时，提高SRT至60 d减少排泥量，进水中的PO43--P不能有效地去除，从而使得去除效率降低（图5所示）。

3　结论

通过改变回流比和污泥龄SRT观察其对A/OMBR脱氮除磷效果的影响，结果表明：在整个运行过程中，回流比对NH4+-N去除效果并没有较大的影响。而提高回流比可能导致反硝化不完全，从而导致TN去除效率下降。由于膜组件较高的截留效率，微生物在反应器中容易富集，因此STR对氮的去除效果影响较小。

SRT=30 d的条件下，在回流比为2时，厌氧池NO3--N含量较低，释磷过程较为明显，而当回流比提高到3时，厌氧池NO3--N含量较高，此时反硝化聚磷过程较为明显，PO43--P去除效率能达到95%以上。而当SRT=60 d时，磷的去除效率逐渐下降。表明SRT对磷的影响较大。

厌氧释磷时，厌氧池污泥中TP含量明显低于好氧池和膜池污泥TP含量，而反硝化聚磷过程存在时，厌氧池污泥中TP含量和好氧池、膜池接近。同时污泥中TP含量达到饱和时，延长SRT不能有效改善污泥的除磷效果。

［1］Xia Siqing，Gao Tingyao，Zhou Zengyuan.Simultaneous nitrogen and phosphorus removal under low dissolved oxygen conditions［J］.Journal of Environmental Sciences，2001，13（1）：46-50.

［2］Kuba T，van Loosdrecht M C M，Heijnen J J.Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrification in a two-sludge system［J］. Water Research，1996，30（7）：1702-1710.

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［4］De Barbadillo C，Carrio L，Mahoney K，et al.Practical considerations for design of a step-feed biological nutrient removal system［J］.Florida Water Resource Journal，2002（1）：18-20.

［5］Alper T A，Ozge E，Lan M，et al.Effect of sludge age on the bacterial diversity of bench scale sequencing batch reactors［J］.Environment Science&Technology，2009，43（8）：2950-2956.

［6］APHA.Standard methods for the examination of water and wastewater，21stedition［R］.WashingtonDC：AmericanPublicHealthAssociation，American Water Works Association，Water Pollution and Control Federation，2003.

［7］Tan T W，Ng H Y.Influence of mixed liquor recycle ratio and dissolved oxygen on performance of pre-denitrification submerged membrane bioreactors［J］.Water Research，2008，42（4/5）：1122-1132.

Influences of different reflux ratio and SRT on denitrification and dephosphorization in A/O-MBR

Wang Demei1，Wang Xiaochang1，Tang Jialing1，Xia Siqing1，2
（1.School of Environmental and Municipal Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China；2.School of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

By means of changing the reflux ratio and sludge age solid residence time（SRT），their influences on denitrification and dephosphorization effects in A/O-MBR have been investigated.The results demonstrate that during the whole operation period，all of the ammonia nitrogen removing rates by different reflux ratios is above 96%.Raising the reflux ratio makes the denitrification process unable to complete，which results in the increase of influent NO3--N，and decrease of denitrification effect.However，SRT does not have obvious influence on NH4+-N、NO3--N and TN.In addition，when SRT is 30 d and reflux ratio is low（reflux ratio=2），the anaerobic phosphate releasing action is pretty obvious，while the reflux ratio is raised to 3，the denitrifying phosphate accumulation process can be enhanced. Moreover，the reactors can all reach higher dephosphorization effect（95%）.When the TP content is saturatedin sludge，and SRT lengthened to 60 d，the dephosphorization effect cannot be improved effectively.

A/O-MBR；reflux ratio；solid residence time（SRT）；dephosphorization

X703.1

A

1005-829X（2016）01-0055-04

水体污染与治理科技重大专项（2013ZX07310）；陕西省污水处理与资源化重点科技创新团队（2013KCT-13）；城市内湖氮磷去除及富营养化控制技术研究（2013ZX07310-001）；城市污水处理设施升级改造及资源化利用技术（CX12160）

王德美（1989—），硕士。E-mail：wangdemei11@163.com。

2015-11-10（修改稿）