耿琰¹；周琪¹；李春杰²
（1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 200092　2.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 200240）

　　摘　要：本試驗(yàn)采用浸沒式SBR膜生物反應(yīng)器處理焦化廢水，對(duì)運(yùn)行效果的考察表明：系統(tǒng)硝化效果主要受溫度、pH、溶解氧、沖擊負(fù)荷等因素的影響。膜的截留作用能使硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)富集，提高系統(tǒng)短期的硝化能力；同時(shí)，也使微生物代謝產(chǎn)物或其它大分子物質(zhì)積累，抑制了硝酸鹽細(xì)菌的活性，導(dǎo)致NO₂^-積累。
　　關(guān)鍵詞：膜生物反應(yīng)器；SBR；焦化廢水；廢水處理；

A STUDY ON NH₃-N REMOVAL OF COKE WASTEWATER USING SUBMERGED MEMBRANE SEQUENCING-BATCH BIOREACTOR
Geng Yan¹；Zhou Qi¹；Li Chunjie²
(1.College of Environ. Scie. and Eng.,Tongji Univ.,200092
2.College of Environ.Scie.and Eng.,Shanghai Jiaotong Univ.,200240)

　　Abstract:A submerged membrane Sequencing Batch Bioreator was used to treat coke wastewater. The results show that:The system was deeply affected by temperature, pH value of the effluent, DO of mixed liquid and sudden raise of inffluent NH₃-N concentration.As the results of membrane separation, the ammonia oxidizing bacteria was all kept in the reactor and the nitrifying ability of the system was enhanced. Membrane separation results in the accumulation of the bacterial metabolic products, which inhibit the activities of nitrite oxidizing bacteria and make the nitrite accumulate.
　　Keywords:Membrane Bioreactor, Sequencing Batch Reactor, coke wastewater, wastewater treatment

1 前言

　　焦化廢水含有大量的有毒難降解物質(zhì)和較高的含氮量，傳統(tǒng)的生物處理往往工藝流程較長(zhǎng)，處理效果較難達(dá)到要求。膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor）是通過(guò)膜分離強(qiáng)化生物處理效果的組合工藝。由于膜的截留作用，微生物不隨出水流失，同時(shí)大分子難降解物質(zhì)和微生物代謝產(chǎn)物也保留在反應(yīng)器內(nèi)，其中有些物質(zhì)可能對(duì)微生物生理活動(dòng)產(chǎn)生一些影響，使得膜生物反應(yīng)器在NH₃-N的去除中，具有不同于普通活性污泥法的性質(zhì)。本試驗(yàn)通過(guò)一年多的運(yùn)行，研究了在較長(zhǎng)泥齡條件下，膜生物反應(yīng)器對(duì)焦化廢水中NH₃-N的去除特點(diǎn)，并探討了NH₃-N去除的影響因素。

2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

　　2.1 試驗(yàn)裝置及材料
　　試驗(yàn)采用一體式膜生物反應(yīng)器進(jìn)行研究，試驗(yàn)裝置如圖1所示。反應(yīng)器容積15L，膜組件采用PVDF中空纖維微濾膜，孔徑0.15μm，膜面積0.22m²。

　　2.2 運(yùn)行條件
　　生物反應(yīng)器的運(yùn)行方式分為兩階段。
　　階段一：從1999年9月27日起的310天采用缺氧—好氧工藝運(yùn)行，運(yùn)行周期為24h，其中缺氧進(jìn)水6h，曝氣反應(yīng)15h，膜排水2h（排水量11L），閑置1h。
　　階段二：2000年8月2日～9月23日（第311天～364天）為缺氧—好氧—缺氧方式運(yùn)行（9月2日～23日排水量減為8L），周期仍為24h，缺氧進(jìn)水3.5（3）h，曝氣15h，缺氧攪拌3.5（4.5）h，曝氣排水2（1.5）h。
　　試驗(yàn)期間除分析少量取泥外，污泥增長(zhǎng)緩慢，基本不排泥。經(jīng)核算，泥齡為600天。
　　2.3 膜組件運(yùn)行情況
　　排水采用恒通量方式，即固定排水量為0.14L/min，隨著混合液濃度提高和膜面污染物的沉積，抽吸壓力逐漸上升。為控制膜污染引起的壓力上升。設(shè)定抽吸10min，停歇5min^[1]，整個(gè)排水期分為8個(gè)周期。膜組件下部曝氣和膜組件的垂直運(yùn)動(dòng)，在膜表面產(chǎn)生水流剪切作用，使吸附于膜面的污染物部分脫落，緩解壓力上升。排水完畢，將膜組件用進(jìn)水清洗后，沖洗水返回反應(yīng)器內(nèi)，膜用出水浸泡。系統(tǒng)運(yùn)行一年多，未進(jìn)行化學(xué)清洗，運(yùn)行穩(wěn)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　3.1 硝化效果的影響因素
　　運(yùn)行過(guò)程中，在保證溫度、pH、溶解氧的條件下，進(jìn)水NH₃-N小于24mg/L時(shí)，出水NH₃-N均小于5mg/L。春季，硝化啟動(dòng)后，系統(tǒng)進(jìn)出水NH₃-N變化見圖2。

　　系統(tǒng)受到以下因素影響較大：
　　3.1.1 沖擊負(fù)荷的影響
　　由圖2分析，當(dāng)進(jìn)水NH₃-N濃度突然升高，系統(tǒng)對(duì)NH₃-N去除效果明顯下降，污泥負(fù)荷甚至出現(xiàn)負(fù)值（這是因?yàn)楫愷B(yǎng)菌受沖擊負(fù)荷影響比硝化菌小，進(jìn)水中的有機(jī)氮繼續(xù)被異養(yǎng)菌轉(zhuǎn)化為NH₃-N，從而使出水NH₃-N高于進(jìn)水），需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間（5天以上）才能恢復(fù)。
　　系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷的能力較差，主要由于反應(yīng)器內(nèi)微生物多數(shù)呈分散生長(zhǎng)，相對(duì)于傳統(tǒng)活性污泥法中的污泥絮體中集中生長(zhǎng)的微生物來(lái)講，抗沖擊負(fù)荷的能力要差。
　　3.1.2 pH值的影響
　　系統(tǒng)對(duì)NH₃-N的處理效果與出水pH值密切相關(guān)，圖3為進(jìn)水NH₃-N為122mg/L左右時(shí)，出水NH₃-N濃度與pH的關(guān)系。當(dāng)pH大于8.1時(shí)，出水NH₃-N才能降至10mg/L。同時(shí)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)進(jìn)水NH₃-N濃度越大，要保持處理效果，要求出水pH越高（見表1）。
pH值對(duì)硝化的影響是暫時(shí)性的，一旦pH恢復(fù)，硝化效果很快恢復(fù)正常。

A 表1 進(jìn)出水NH₃-N和出水pH值 進(jìn)水NH₃-N(mg/L) 65.2 72.8

91.3

171.3 171.8 出水NH₃-N(mg/L) ＜1 ＜1 ＜1 12 11.3 出水pH 6.62 7.77 7.54 8.12 8.15

　　3.1.3 溫度的影響
　　初期，系統(tǒng)溫度在20℃以上時(shí)，基本保持了良好的硝化效果。圖4是有代表性幾天的受溫度波動(dòng)影響時(shí)的處理效果。
　　降溫首先影響硝酸鹽細(xì)菌，使NO₂^--N積累，但NH₃-N去除率未受大的影響，出水NH₃-N濃度依然較低（見圖中24日）；30日，溫度回升，NO₂^--N很快降低，系統(tǒng)恢復(fù)；當(dāng)溫度持續(xù)低于20℃，亞硝酸鹽細(xì)菌也受到影響，NH₃-N的去除也逐漸減小，硝化作用完全停止。

　　3.1.4 泥齡
　　系統(tǒng)運(yùn)行初期，進(jìn)水NH₃-N₂40mg/L左右，在未受到?jīng)_擊負(fù)荷和溫度、pH的影響時(shí)，NH₃-N去除率為99％以上，產(chǎn)物主要為NO₃^--N，硝化效果良好；運(yùn)行300天以后，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水NH₃-N為120mg/L時(shí)，出水已經(jīng)為1Omg/L左右了，而且出水主要為NO₂^--N。
　　分析原因是因?yàn)榇x產(chǎn)物大部分為高分子物質(zhì)，不能透過(guò)膜隨出水排掉；同時(shí)，由于泥齡很長(zhǎng)，相應(yīng)的每天排泥量很少，也無(wú)法隨排泥排出。運(yùn)行初期代謝產(chǎn)物的積累還比較少，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加在反應(yīng)器內(nèi)逐漸積累。當(dāng)積累到一定程度，就對(duì)硝化產(chǎn)生抑制、由于硝酸鹽細(xì)菌對(duì)環(huán)境比亞硝酸鹽細(xì)菌敏感，硝酸鹽細(xì)菌的活性幾乎完全被抑制，出水中NO₃^--N含量很低。從NH₃-N的去除情況來(lái)看，亞硝酸鹽細(xì)菌也受到了影響。

　　3.2 膜生物反應(yīng)器的硝化特性
　　由本試驗(yàn)結(jié)果分析，由于采用了膜生物反應(yīng)器，系統(tǒng)的硝化具有以下幾方面的特點(diǎn)：
　　3.2.1 強(qiáng)化對(duì)NH₃-N的去除效果
　　反應(yīng)器運(yùn)行初期，系統(tǒng)具有較高的處理效率。以NH₃-N去除計(jì)算的容積負(fù)荷最高可達(dá)0.19kg/(m³·d)，出水NH₃-N小于1mg/L，NH₃-N去除率為99.9％。而針對(duì)相似水質(zhì)的A/A/O工藝，當(dāng)進(jìn)水NH₃-N容積負(fù)荷小于0.1kg/(m³·d)時(shí)，出水NH₃-N才小于10mg/L，容積負(fù)荷大于0.18kg/(m³·d)時(shí)，出水NH₃-N大于40mg/L，NH₃-N去除率降至50％以下^[3]。
　　采用膜生物反應(yīng)器可以達(dá)到很好的NH₃-N去除效果的原因是由于：
　?。?）反應(yīng)器內(nèi)保持較高的污泥濃度，降低了F/M值，減弱了異養(yǎng)菌對(duì)溶解氧的競(jìng)爭(zhēng)，有利于自氧硝化的進(jìn)行；
　?。?）膜生物反應(yīng)器內(nèi)微生物絮體較活性污泥法細(xì)碎。污泥呈分散生長(zhǎng)，有利于氧的傳質(zhì)；
　?。?）膜的截留作用使微生物不隨出水流失，硝化菌得以在反應(yīng)器內(nèi)富集成為優(yōu)勢(shì)菌種，使NH₃-N的轉(zhuǎn)化更為徹底。
　　3.2.2 抑制硝酸鹽細(xì)菌活性
　　反應(yīng)器運(yùn)行初期，未受到溫度的影響時(shí)，進(jìn)水NH₃-N基本完全轉(zhuǎn)化為NO₃^--N，無(wú)NO₂^--N的積累。經(jīng)過(guò)冬季，硝化作用完全受到抑制，次年5月溫度回升至23℃后，硝化作用迅速啟動(dòng)，出水NH₃-N在5天內(nèi)降至1mg/L以下，主要轉(zhuǎn)化產(chǎn)物為NO₂^-N，NO₃^-N的濃度
一直保持在比較低的水平，大部分時(shí)間在10mg/L以下。
　　NH₃-N→NO₂^-→N₂的脫氮過(guò)程稱為短程脫氮（short-cut biological nitrogen removal），短程脫氮避免了硝化時(shí)NO₂^-被轉(zhuǎn)化為NO₃^-，反硝化時(shí)又被還原為NO₂^-的無(wú)效循環(huán)，理論上可以節(jié)省40％的碳源和25％的供氣量^[4]，由NO₂^-的進(jìn)行的反硝化速率是NO₃^-的4.3倍^[5]，硝化停留在NO₂^--N階段有利于反硝化的進(jìn)行。

4．結(jié)論

　　（1）系統(tǒng)硝化效果受溫度、pH、溶解氧的影響。溫度降低首先影響硝酸鹽細(xì)菌，使NO₂^--N積累，但NH₃-N去除率未受大的影響；當(dāng)溫度持續(xù)降低（低于20℃），NH₃-N的去除也受到影響；pH對(duì)系統(tǒng)的影響是暫時(shí)的，最適pH與進(jìn)水NH₃-N濃度有關(guān)，隨進(jìn)水濃
度提高而增大。
　　（2）膜將硝化菌截留于系統(tǒng)中，有利于提高系統(tǒng)的硝化效果，在不受系統(tǒng)代謝產(chǎn)物的影響和適宜條件下，以NH₃-N去除計(jì)算的容積負(fù)荷最高可達(dá)0.19kg/(m³·d)，而出水NH₃-N小于1mg/L，NH₃-N去除率為99％。
　?。?）600天的泥齡使膜截留下來(lái)的微生物代謝產(chǎn)物和其他大分于物質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)積累，抑制硝酸鹽細(xì)菌活性，引起NO₂^-N的積累，有利于短程脫氮的進(jìn)行。但最終也會(huì)影響硝酸鹽細(xì)菌的活性，影響系統(tǒng)的硝化效果。

參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介：耿琰：(1977年1月－)，女，漢族，現(xiàn)攻讀同濟(jì)大學(xué)環(huán)境工程碩士學(xué)位。