膜曝气生物膜反应器脱氮性能研究

任志鹏，陈小光，唐崇俭，陆慧锋

（1.东华大学环境科学与工程学院，上海 201600； 2.中南大学冶金与环境学院，湖南长沙 410083；3.浙江沃乐科技有限公司，浙江杭州 311100）

截至2020年我国氨氮排放量达98.4万t〔1〕，已成为水体富营养化等环境问题〔2〕的重要致因。传统污水脱氮技术多以生物脱氮为主，如A²/O、A/O、MBR等，但这些工艺存在效率低、能耗大、占地大以及工艺复杂等缺点〔3〕。因此，研发新型高效的脱氮工艺已成为当前热点。膜曝气生物膜反应器（MABR）是一种将生物膜法污水处理技术和膜分离技术结合的新兴技术，其具有无泡曝气和硝化反硝化一体的优点〔4〕。MABR将氧气或空气从中空纤维膜腔内充入，氧气或空气可通过中空纤维膜壁表面微孔传递至膜表面，进而传递至水体中；而污水中的微生物可附着于中空纤维膜的表面，同时随着溶解氧（DO）梯度的变化，生长在中空纤维膜表面的生物膜可分为好氧层、缺氧层和厌氧层，从而满足同步硝化反硝化的要求，在污水深度脱氮方面潜力巨大。丁国良等〔5〕研究发现在曝气压力0.06 MPa、HRT为12 h、C/N=5时，MABR对模拟生活污水的处理效果达 到 最 佳，COD、NH4+-N、TN的去除率分别为95.4%、79.6%、71.8%。Ming LI等〔6〕研究了低温下（8.7～19.1 ℃） MABR的脱氮性能，发现当模拟废水C/N在3～4时，MABR可通过部分硝化/厌氧氨氧化/部分反硝化的形式脱氮，其对NH4+-N、TN、COD的去 除 率 分 别 可 达100%、88.03%、93.42%。H.RAVISHANKAR等〔7〕研究表明，在碳源充足、供氧与需氧量匹配的条件下，采用纯MABR系统处理城市污水可稳定实现同时硝化反硝化，在最佳条件下（即COD/N为3.4，供氧量/需氧量为2.4），出水TN仅为5 mg/L，TN去除率达到92%。

然而，现有可查的文献多局限于对低浓度模拟废水或生活污水的处理研究〔5-8〕，缺乏对高浓度工业有机实际废水的工艺稳定性及其脱氮效能的相关报道。基于此，本研究以某食品行业高浓度的豆制品加工废水作为处理对象，以模拟生活污水为参照，着重考察该工艺的稳定性及脱氮性能，以期为MABR生产性应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 MABR主要结构参数

采用矩形反应器，反应器的长、宽、高分别为350、80、700 mm，其有效容积为15 L。膜组件采用帘式膜，中空纤维膜内外径分别为1.0 mm和2.0 mm，长度为50 cm，膜丝数为400，膜表面积为1.256 m2。采用连续式进水，污水从底部进入，从顶部溢出。

1.2 模拟生活污水水质

模拟生活污水〔8〕是向清水中添加葡萄糖、乙酸钠、氯化铵和硫酸铵等药剂控制进水COD及氨氮浓度，其水质：COD 300～500 mg/L、氨 氮10～40 mg/L、pH 7～8。实际废水为豆制品加工废水，其水质：COD 2 500～3 400 mg/L、TN 60～80 mg/L、氨氮10～42 mg/L、SS 1 300 mg/L、pH=4.6。可以看出该废水C/N在25～57之间波动，且SS浓度较高，不宜采用MABR直接处理，因此先将该废水泵入螺旋对称流厌氧反应器（Spiral symmetrical steam anaerobic bioreactor，SSSAB）〔9-10〕中，MABR处理后续出水。经SSSAB处理 过 后 的 废 水 水 质：COD 300～600 mg/L、TN 60～80 mg/L、氨氮40～62 mg/L、SS 2.3 mg/L、pH 7.8～8.2，可知其C/N在3～10之间，SS降至10 mg/L以下，适宜MABR处理。

1.3 启动运行

启动运行期采用循环挂膜法进行挂膜，接种污泥取自上海市松江区某生活污水厂曝气池，该曝气池内污泥主体为絮绒状，呈黄褐色，并伴有土腥味，其SV30为22%，MLSS为3 000 mg/L，SVI为136。排出曝气池上清液后向MABR内部加入污泥并添加模拟废水至15 L（控制MABR内COD为400 mg/L左右，氨氮质量浓度为30 mg/L左右），启动期间MABR内污泥质量浓度控制在（3 500±100） mg/L左右，曝气压10 kPa左右，水体DO控制在0.5～2.0 mg/L之间，回流流量为60 mL/min，HRT为24 h。24 h后排出MABR内上清液，并补充相同体积的模拟生活污水。

1.4 测试方法

DO和pH采用多参数水质分析仪测定；COD、NH4+-N、TN、NO3--N、NO2--N及MLSS采用中华人民共和国国家环境保护标准方法测定。

2 结果与讨论

2.1 启动运行

挂膜期间出水水质变化见图1。

图1 挂膜期间出水水质变化Fig.1 Change of effluent quality during biofilm growing

启动运行期间进水COD为400 mg/L左右，氨氮质量浓度为30 mg/L左右。出水水质变化如图1所示，在第1天—第7天中，MABR出水COD和氨氮分别在88～146 mg/L和10.6～12.0 mg/L之间波动，在第8天—第24天中，出水COD及氨氮逐渐分别稳定在54.8 mg/L和8.3 mg/L左右，而在第24天—第33天中出水COD和氨氮进一步降低，出水COD和氨氮分别稳定在25 mg/L和6 mg/L左右，COD和氨氮去除率分别在90%和80%左右。MABR系统出水稳定，此时，中空纤维膜表面逐渐覆盖一层明显的生物膜〔图1（b）中照片从左到右分别为第5天、第20天和第33天中空纤维膜上微生物生长状况〕。

2.2 曝气压力对MABR处理效果的影响

曝气压力影响着氧传质效率和水体中的DO。由于硝化作用及反硝化作用都需要在合适的DO下进行，因此实验首先研究曝气压力对COD和TN去除率的影响。进水为模拟生活废水，其COD控制在400 mg/L左右，TN为45 mg/L左右。曝气压力对MABR处理效果的影响见图2。

图2 曝气压力对MABR处理效果的影响Fig.2 The influence of aeration pressure on the treatment ettect of MABR

从图2可以看到，当曝气压力较低即P=6 kPa时，MABR对COD和TN的平均去除率较低（分别为81%、73%），这可能是因为曝气压力较低会导致氧气供给不足，硝化作用较弱；而当曝气压力提高到10 kPa时，好氧和硝化作用突显，COD和TN的平均去除率也由81%、73%升高为85%、82%；当曝气压力升至14 kPa时，COD平均去除率达到顶峰（最高为93%），但TN的平均去除率却随之下降（降低为77%），这是因为此时内层生物膜中具有足够的DO，通过硝化作用将TN转化为硝酸盐，但生物膜外侧水体中DO较高，抑制了MABR内反硝化作用，从而使水体中TN的平均去除率有所下降。且可观察到较P=6 kPa或10 kPa时MABR内生物膜脱落量明显增加，致使MABR内TN的平均去除率下降。由此可见，本装置的曝气压控制在10 kPa最佳，此时COD、TN的平均去除率分别为84%、82%。

2.3 HRT对MABR处理效果的影响

理论上HRT越长对污染物的去除越彻底，但是过长的HRT势必会造成资源浪费，因此一个合适的HRT对MABR十分重要。HRT变化期间进水COD控制在400 mg/L左右，氨氮质量浓度在45 mg/L左右，TN质量浓度为60 mg/L左右，曝气压控制在10 kPa。HRT对MABR处理效果的影响见图3。

图3 HRT对MABR处理效果的影响Fig.3 The influence of HRT on the treatment effect of MABR

如图3所示，当HRT呈梯度性变化时即分别为24、20、16、12、8 h时，MABR对NH4+-N、TN的平均去除率从最开始的97.2%、87.5%分别降至86.5%、51.25%。在此过程中，未明显监测到NO2--N的积累，而观察到了NO3--N的积累，这说明在此过程中脱氮形式主要以同步硝化反硝化为主。当HRT=8 h时，可明显看到NO3--N的积累，此时NH4+-N、TN的平均去除率明显下降（分别降低为87.5%、51.25%），说明此时反硝化细菌短时间内未能把NO3--N转化为N2，从而导致TN去除率降低。同时，当HRT由24 h逐渐缩短至12 h，平均出水COD分别为29、46、57、66 mg/L，出水COD平均去除率分别为92.6%、88.5%、85.8%、83.4%，出水pH较为稳定，总体在7.5±0.3之间变化。出水COD去除率最低为83.4%，最高为92.60%。而当HRT降为8 h时，出水COD达到72 mg/L，相应平均去除率降至81.85%，这是因为HRT进一步缩短，MABR内的微生物来不及消耗污水中的碳源，从而导致出水COD偏高。综合而言，在HRT为12 h时，MABR对COD、TN、氨氮的综合去除效果最佳（平均去除率分别为83.4%、63.75%、91.6%）。

2.4 C/N对MABR处理效果的影响

进水C/N会影响MABR内生物膜的生长及构成，适宜的C/N对反应器内部菌种分层具有重要意义。调整MABR内进水C/N期间，HRT设置为12 h，通过添加NaHCO3和Na2CO3控制进水的pH在7.5左右，控制进水TN为60 mg/L，通过调节进水葡萄糖和乙酸钠浓度控制进水的C/N分别为3、4、5、6、7，出水水质变化如图4所示。

图4 C/N对COD、氨氮及TN的去除影响Fig.4 Effect of C/N on COD，ammonia nitrogen and TN removal

如图4所示，在为期20 d的运行期间，当C/N分别为3、4、5、6、7时，出水COD的平均去除率分别为80%、85%、92%、87%、83%，随着C/N的升高，COD的去除率总体表现为先升高后降低的变化趋势，在C/N为5时，COD去除率最高达到92%，而当C/N为7时，COD去除负荷最高，达到了7.92 g（/m2·d）；氨氮平均去除率从92.2%降低至78.5%，TN平均去除率从72.3%上升至83.3%，随后又降低至77.3%，在C/N为5时达到顶峰。可见，C/N为5时，COD、氨氮、TN的综合去除效果最佳，平均去除率分别达到92%、86.5%、83.3%。

2.5 MABR处理实际废水

MABR处理实际废水期间曝气压力设置为10 kPa，HRT为12 h，回流量为60 mL/min。进出水水质变化如图5所示。

图5 HRT=12 h时MABR进出水水质变化Fig.5 Change of MABR influent and effluent（ HRT=12 h）

如图5（a）所示，在第1天—第16天中MABR进水COD波动较大，从642 mg/L逐步降低至452 mg/L，后逐步稳定在520 mg/L左右；MABR出水COD逐步降低到108 mg/L，之后稳定在160 mg/L左右，COD去除率稳定在69%左右。在第17天—第24天中，中空纤维膜表面微生物逐渐适应SSSAB的出水，出水COD逐步降低为58.4 mg/L，COD去除率提升至87.4%。第25天—第43天中MABR进水COD波动较大，最低为362 mg/L，最高512 mg/L，而MABR出水平均COD为70 mg/L，COD平均去除率也达到了84.2%，单位膜面积COD去除负荷最高可达到7.46 g （/m2·d）。从图5（b）可以看出，MABR进水TN和氨氮的波动较大，分别在62.0～83.3 mg/L和39.4～53.9 mg/L之间波动，其均值分别为72.4 mg/L和47.2 mg/L，经过MABR处理后，出水TN和氨氮的均值分别为14.7 mg/L和8.5 mg/L，平均去除率分别为79.7%、81.5%，单位膜去除负荷分别为1.38 g（/m2·d）和0.92 g（/m2·d）（以N计）。

2.6 水力条件优化

待MABR处理实际废水稳定后，逐步将HRT降低为8 h，其出水水质变化如图6所示。

图6 HRT=8 h时MABR进出水水质变化Fig.6 Change of MABR influent and effluent（ HRT=8 h）

如图6（a）所示，在第1天—第15天中出水COD从84 mg/L降至40 mg/L，在第16天—第30天中出水COD在35～39 mg/L之间波动，COD平均去除率高达92.13%。经过上一阶段生物膜的驯化，MABR表现出优越的脱氮性能，由图6（b）可知，第1天—第10天中，氨氮和TN逐步从15.6 mg/L和25.0 mg/L分别降至3.4 mg/L和10.93 mg/L，平均去除率可达到92.96%、84.98%；而在第11天—第30天中，出水氨氮和TN较为稳定，其分别在2～5 mg/L和10～15 mg/L之间波动，平均去除率可达到93.7%、83.6%，单位COD和N的膜 去除负荷分别为1.5 g（/m2·d）和2.2 g（/m2·d），与文献〔11-13〕报道处理模拟废水效能水平相当，其氨氮和TN的容积负荷分别为125.5 g（/m3·d）和184 g（/m3·d），优于传统生物脱氮如AAO、AO和MBR等的容积负荷〔氨氮容积负荷为22～100 g（/m2·d），TN容积负荷为16～120 g（/m2·d）〕〔14-19〕。

3 结论

1）为实现MABR工艺的高效性，优化了MABR工艺参数。当HRT为12 h，曝气压力为10 kPa，C/N为5时，MABR对模拟生活污水的处理效果最好，此时COD、氨氮、TN的平均去除率分别为92%、86.5%、83.3%。

2）获得了MABR处理实际废水的高效能。在最优工艺参数条件下，即HRT 12 h，曝气压力10 kPa时，MABR的COD、氨氮、TN的平均去除率分别可达到84.2%、81.5%、79.7%；MABR的COD、氨氮、TN的容积负荷分别为1 320、125.5、184 g（/m3·d），优于传统生物脱氮。