鄒聯(lián)沛，張立秋，王寶貞，王琳
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090)

　　摘　要：膜生物反應(yīng)器(MBR)中，在DO為1 mg/L左右，MLSS為8 000～9 000 mg/L，溫度為24 ℃，進水pH值為7.2，COD、NH3-N分別為523～700 mg/L和17.24～24 mg/L的相對穩(wěn)定條件下，對COD、NH₃-N、TN的去除率分別為96%、95%、92%。詳細分析了在控制DO的條件下，MBR發(fā)生同步硝化、反硝化的原因，并提出了在單級好氧反應(yīng)器中控制DO可發(fā)生短程硝化—反硝化生物脫氮的機制。
　　關(guān)鍵詞：膜生物反應(yīng)器；同步硝化反硝化；短程硝化—反硝化生物脫氮
　　中圖分類號：X703
　　文獻標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2001)06-0010-05

Effect of DO on Simultaneous Nitrification and Denitrification in MBR

ZOU Lian-pei，ZHANG Li-qiu，WANG Bao-zhen，WANG Lin

(School of Municipal & Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)

　　Abstract：In the membrane bioreactor,under the relative stable conditions of DO 1 mg/L,MLSS 8 000 ～ 9 000 mg/L,temperature 24 ℃,influent pH 7.2,COD 523 ～700 mg/L and NH4+17.24～24 mg/L,96%,95%,and 92% are achieved respectively for the removal of COD,NH4+,and TN.The reason of simultaneous nitrification and denitrification occurring in MBR under controlled DO is described in details.The mechanism that shortcut nitrification and denitrification may occur under controlled DO in a single-stage aerobic reactor is also presented.
　　Keywords:membrane bioreactor;simultaneous nitrification and denitrification;shortcut nitrification/denitrification

　　膜生物反應(yīng)器是由膜組件和生物反應(yīng)器兩部分組成，由于膜具有分離截留作用，所以可使污泥被完全地截留在反應(yīng)器中而維持很高的污泥濃度，DO是影響同步硝化、反硝化的一個限制條件，硝化是在好氧下發(fā)生的，而反硝化是在缺氧或厭氧條件下發(fā)生的，但在對DO實行控制的條件下，可同時在污泥顆粒的不同部位形成好氧區(qū)和缺氧區(qū)，這樣便具有了同步硝化反硝化的條件。

1　試驗裝置及方法

　　試驗裝置見圖1。

　　圖1中，8為中空纖維膜組件，膜材質(zhì)為聚丙烯酰胺，膜孔徑為0.05 μm，膜組件長度為0.35 m，膜的表面積為1.5m²，反應(yīng)器的溫度用加熱器調(diào)至24 ℃，采用微孔曝氣器進行曝氣，反應(yīng)器的有效體積為5.4 L。
　　試驗用水為人工配水，由淀粉、蔗糖、氯化銨、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、食用堿等配制而成，COD為523～700 mg/L，NH₃-N為17.24～24mg/L，TP為2.47～5.1 mg/L左右。

2　DO對MBR處理效果的影響

2.1 DO為6 mg/L左右時的處理效果

　　在DO較高的情況下，MBR的處理效果如表1所示(MLSS通過排泥穩(wěn)定在8 000 mg/L～9 000 mg/L，以下試驗同)。

表1　　DO為6 mg/L左右時的MBR處理效果 表 處理時間(d) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 DO(mg/L) 6.1 6 6.2 5.6 5.7 6.3 6.1 5.9 5.8 進水COD(mg/L) 661.34 671.92 650 543 523 563 542 539 534 上清液COD(mg/L) 31.87 19.31 23 27 31 34 30 14.2 15.9 出水COD(mg/L) 19.92 11.59 14 16 15 19 17.2 13.2 10.6 去除率(%) 96.99 98.28 97.85 97.05 97.13 96.63 96.83 97.55 98.02 進水NH₃-N(mg/L) 18.7 19 21.5 19.3 20.1 23 19.86 21 20.2 上清液NH₃-N(mg/L) 0 0 0.3 0 0.5 0.6 0 0.2 0 出水NH₃-N(mg/L) 0 0 0 0 0.2 0.5 0 0.09 0 去除率(%) 100 100 100 100 99 97.83 100 99.57 100 上清液NO-₂(mg/L) 1.2 1.03 1.68 0.32 0.86 0.92 0.68 0.56 0.8 出水NO-₂(mg/L) 1.56 0.82 1.1 0.6 0.3 0.39 0.31 0.3 0.45 上清液NO-₃(mg/L) 6.3 5.1 7.2 6.3 6.53 5.23 5.6 6.4 5.1 出水NO-₃(mg/L) 5.0 4.7 6.3 4.5 5.8 4.45 5.1 5.62 4.68 進水TN(mg/L) 20.8 21 22 19.8 21 24 19.5 21.9 21.4 上清液TN(mg/L) 9 8.7 11 11 8 9.2 7.9 8.2 6.7 出水TN(mg/L) 8.4 7.9 10 7 6.7 7.7 7.1 7.3 6 去除率(%) 59.62 62.38 54.55 64.65 68.1 67.92 63.59 66.67 71.96

2.2 DO為3 mg/L左右時的處理效果
　　DO在3 mg/L左右時的MBR處理效果見表2。

表2　　DO為3 mg/L左右時的MBR處理效果 表 處理時間(d) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DO(mg/L) 3.2 3 2.8 3.1 2.9 3 2.96 3.2 2.94 3.1 進水COD(mg/L) 661 632 621 645 634 583 596 593 623.6 619.3 上清液COD(mg/L) 27.89 34 23 21 29 26.3 31 29.6 35 30.2 出水COD(mg/L) 19.92 20 16 14 21 18.2 20.3 18.6 23 19.5 去除率(%) 96.99 96.84 97.42 97.83 96.69 96.88 96.59 96.86 96.31 96.85 進水NH₃-N(mg/L) 17 18 18.6 24 23 21.1 20.6 21 22 19.2 上清液NH₃-N(mg/L) 1 0 0.5 1.2 0.7 0.2 0.1 0 0.1 0.05 出水NH₃-N(mg/L) 0.5 0 0 0.4 0.3 0 0.06 0 0.03 0 去除率(%) 97.06 100 100 98.33 98.7 100 99.71 100 99.86 100 上清液NO-₂(mg/L) 0.03 0.06 0.37 0.67 0.36 0.056 0.52 0.064 1.02 0.94 出水NO-₂(mg/L) 0.09 0.02 0.31 0.63 0.2 0.09 0.31 0.07 0.63 0.62 上清液NO-₃(mg/L) 2.36 2.16 3.02 5.66 4.69 1.98 2.14 1.63 3.67 3.96 出水NO-₃(mg/L) 2.1 1.35 2.21 4.58 3.22 1.56 1.69 1.25 3.12 3.35 進水TN(mg/L) 18 18.5 19.7 25 24.3 20.2 21.6 19.5 21.3 20.6 上清液TN(mg/L) 6 5 6.7 11 *9 4.5 5.3 4.2 8 8.3 出水TN(mg/L) 5.2 4 5 8 6.7 3.2 4 2.36 6.9 7.05 去除率(%) 71.11 78.38 74.62 68 72.43 84.26 85.44 87.9 67.61 65.78

　　MBR在DO為3 mg/L左右時，對COD和NH3-N的去除率都很高，對TN的去除率也較高，但存在很大的波動性。這是因為在F/M、C/N、pH、溫度等恒定的情況下，DO為反硝化除氮的限制因素。當(dāng)DO約為3 mg/L時，在污泥絮體內(nèi)部能形成缺氧區(qū)，NO-₂和NO-₃的生成量與DO為6 mg/L時相比略有下降，說明前者比后者具有更好的反硝化效果，但由于DO還是較高，且存在波動性，導(dǎo)致污泥絮體內(nèi)部形成的缺氧區(qū)大小和多少不恒定，所以脫氮率不能很好地保持穩(wěn)定。
2.3 DO為1 mg/L左右時的處理效果
　　DO受控在1 mg/L左右時的MBR處理效果如表3所示。

表3　DO為1 mg/L左右時的MBR處理效果 處理時間(d) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 DO(mg/L) 1.2 1.03 1.1 1 1.2 1.5 1.23 0.86 1.1 1.05 0.97 進水COD(mg/L) 661.3 636 561.2 498.1 518.8 636 671.9 700 642 635.2 598 上清液COD(mg/L) 35.86 60 86.94 22.64 31.74 50 69.51 89.84 49.6 74 56.8 出水COD(mg/L) 15.94 30 27.66 18.87 19.84 30 11.59 15.63 20.3 21.6 23.5 去除率(%) 97.59 95.28 95.07 96.21 96.18 95.28 98.28 97.77 96.84 96.6 96.07 進水NH₃-N(mg/L) 19.55 20.97 23.8 22 18.9 20.97 18.13 20.68 21 20.9 22 上清液NH₃-N(mg/L) 0 1.7 1.42 1.6 1.7 1.13 1.98 1.98 2.3 1.6 2.4 出水NH₃-N(mg/L) 0 0.85 0.85 0.9 0.5 1.13 1.08 0.85 14.7 1.03 1.14 去除率(%) 100 95.95 96.43 95.91 97.36 94.61 94.04 95.89 91.91 95.07 94.82 上清液NO-₂(mg/L) 0.37 0.015 0.015 0.006 0.004 0.008 0.34 0.054 0.002 0.038 0.03 出水NO-₂(mg/L) 0.037 0.006 0 0 0 0.0142 0.068 0.036 0 0 0.006 上清液NO-₃(mg/L) 0.065 0 0.048 0.056 0.047 0 0.45 0.042 0 0 0.008 出水NO-₃(mg/L) 0.048 0 0.048 0.034 0.06 0 0.39 0.040 0 0 0 進水TN(mg/L) 22 20.13 24 22.8 19.4 21.6 19.6 22.1 20.6 22.3 24.32 上清液TN(mg/L) 1.31 2.22 3.4 3 3.2 2.5 4.2 3.1 2.24 2.93 2.91 出水TN(mg/L) 0.9 0.33 2.1 1.6 2 1.33 3 2.2 0.85 1.28 1.54 去除率(%) 95.91 98.36 93.25 92.98 89.69 93.84 84.69 90.05 95.87 94.26 93.67

　　從表3可以看出，DO約為1 mg/L時，對COD去除的影響不是很大，反應(yīng)器污泥對COD的去除率可維持在91%，經(jīng)過膜過濾后，對COD的總?cè)コ嗜钥删S持在97%左右。此時，上清液的COD值略有上升，這可為反硝化細菌提供較充足的有機物。DO約為1 mg/L時，對NH₃-N的去除率在95%左右，所以對NH3-N的去除也無太大的影響，但對TN的去除率很高，去除率可達92%左右。此時，基本無NO-₂和NO-₃的生成，說明反硝化效果良好。TN的去除率很高且相對較穩(wěn)定，這是因為在F/M、C/N、pH、MLSS、溫度恒定的情況下，DO為反硝化除氮的限制因素。當(dāng)DO約為1 mg/L時，在污泥絮體內(nèi)部能形成很好的缺氧區(qū)，所以反硝化能力加強，且除氮率能很好地保持穩(wěn)定。
2.4 DO為0.5 mg/L左右時的處理效果
　　DO受控在0.5 mg/L左右情況下的MBR處理效果如表4所示。

表4　DO為0.5 mg/L左右時的MBR處理效果 表 處理時間(d) 1 2 3 4 5 6 DO(mg/L) 0.5 0.47 0.4 0.63 0.51 0.72 進水COD(mg/L) 623 652 631 659.75 650 659.75 上清液COD(mg/L) 123 145 168 32.12 135 80.06 出水COD(mg/L) 45 79 86 22.82 54.6 14.52 去除率(%) 92.78 87.88 86.37 96.54 91.6 97.8 進水NH₃-N(mg/L) 24 23 22 18.13 19.2 18.4 上清液NH₃-N(mg/L) 12 13 12 1.98 7.4 5.1 出水NH_3-N(mg/L) 8 7.8 9 1.59 6.2 2.83 去除率(%) 66.67 66.09 59.09 91.23 67.71 84.62 上清液NO-₂(mg/L) 0 0 0 0.085 0 0.023 出水NO-₂(mg/L) 0 0 0 0 0 0 上清液NO-₃(mg/L) 0 0 0 0.065 0 0.11 出水NO-3(mg/L) 0 0 0 0 0 0 進水TN(mg/L) 24.9 25.2 23.2 19.4 18.6 19.6 上清液TN(mg/L) 15 14 11 2.5 9.87 4.5 出水TN(mg/L) 10 8.9 11 2.5 9.87 4.5 去除率(%) 59.84 64.68 52.59 87.11 46.94 77.04

　　從表4可以看出，當(dāng)DO控制在0.5 mg/L左右時，MBR對COD、NH₃-N、TN的去除率都迅速下降，并且很不穩(wěn)定，這說明此時供氧已嚴(yán)重不足，造成出水效果很不好；而當(dāng)DO在0.5 mg/L以上時，出水COD存在波動，有時處理效果還很好。當(dāng)出水COD很高時，而總氮只比出水氨氮大一點，這種情況是配水時沒有使用含氮有機物的緣故。

3　同步硝化反硝化的機理探討

　　污泥絮體同時硝化反硝化模型見圖2。

　　如圖2所示，在菌膠團的好氧區(qū)生活著很多異養(yǎng)好氧菌群，它們能將有機物氧化分解，同時消耗大量的DO，這又為缺氧區(qū)的反硝化細菌創(chuàng)造了反硝化的條件。此外，含氮有機物在徹底分解之前通過氨化作用產(chǎn)生的氨又為亞硝酸細菌提供了底物，一般通過兩條途徑傳至亞硝酸細菌：一是直接擴散至相鄰的亞硝酸細菌，二是先擴散至主體區(qū)，然后再擴散至亞硝酸細菌。當(dāng)然第一種情況的機率要大些，因為這符合就近擴散利用的原則。進水中的氨通過主體區(qū)擴散至亞硝酸細菌，通過亞硝化作用產(chǎn)生NO-₂，同時又為硝酸細菌提供了底物，當(dāng)然NO-₂可直接傳遞到硝酸細菌，也可先傳至主體區(qū)然后再傳至硝酸細菌。另外，NO-₂還可直接傳至缺氧區(qū)的反硝化細菌而被反硝化掉，且這種機率還是很高的。在DO較高的情況下，大量的氨被氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，硝酸鹽的含量應(yīng)比亞硝酸鹽的含量要高［1］，這是因為在氨的生物氧化過程中，NH₃-N氧化為NO-₂可釋放242.8～351.7kJ/mol的能量，亞硝酸菌從中獲取5%～14%的能量；而NO-₂氧化為NO-₃釋放的能量為64.5～87.5 kJ/mol，硝酸菌可利用其中的5%～10%的能量，是亞硝酸菌有效利用能量的1/4～1/5，所以為獲取相同的能量(硝酸菌氧化NO-₂的能量是亞硝酸菌氧化NH₃-N量的4～5倍)，不會有太多NO-₂積累，這與本試驗DO在3 mg/L以上時的結(jié)果相符。試驗在DO為6 mg/L左右時，總氮的去除率可達65%左右，這是因為膜生物反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度很高，雖然反應(yīng)器內(nèi)DO很高，但根據(jù)微環(huán)境理論，在如此高的污泥濃度情況下仍可在部分污泥內(nèi)部形成缺氧區(qū)，從而具有一定的反硝化能力。
　　微環(huán)境理論認為：由于微生物個體形態(tài)非常微小(一般都屬于微米級)，從而影響微生物的生存環(huán)境也是微小的。而宏觀環(huán)境的變化往往導(dǎo)致微環(huán)境的變化或不均勻分布，從而影響微生物群體的活動狀態(tài)并在某種程度上出現(xiàn)所謂的表里不一現(xiàn)象。事實上，由于微生物種群結(jié)構(gòu)、物質(zhì)分布和化學(xué)反應(yīng)的不均勻性，在活性菌膠團內(nèi)部和生物膜內(nèi)部存在多種多樣的微環(huán)境類型，而每一種微環(huán)境往往適合于某一類微生物的活動。由于各種物質(zhì)傳遞的變化、各類微生物的代謝活動及其相互作用，微環(huán)境所處的物理、化學(xué)和生物狀態(tài)是可變的，甚至是多變的［2］。
　　在活性污泥中，決定各類微環(huán)境分布狀態(tài)的因素包括：有機物和電子受體(溶解氧、硝態(tài)氮)的物質(zhì)傳遞特性、菌膠團的結(jié)構(gòu)特征、各類微生物的分布和活動狀態(tài)等［2］。在本試驗中，當(dāng)DO為6 mg/L時，由于DO相對較高，氧的穿透能力較強，所以在菌膠團內(nèi)部形成的缺氧區(qū)較小或只能在較少數(shù)的菌膠團內(nèi)部形成較小的缺氧區(qū)，反硝化能力不是太強；另外由于DO太高，好氧區(qū)的異養(yǎng)好氧菌活性很強，能將有機物進行快速徹底的降解，所以即使在部分污泥絮體的內(nèi)部能形成缺氧區(qū)，也會由于有機物的供應(yīng)不足而降低反硝化能力。但當(dāng)DO為3 mg/L時，氧的穿透能力就會降低，因此能形成缺氧區(qū)的污泥絮體增多或污泥絮體的缺氧區(qū)增大，使反硝化能力增強，總氮的去除率提高，可達75%左右。而當(dāng)DO為1 mg/L左右時，氧的穿透能力已很弱，大多數(shù)污泥絮體的內(nèi)部都能形成缺氧區(qū)，所以反硝化能力很強。但DO太低又會產(chǎn)生其他問題，即有機物的去除能否保證?硝化反應(yīng)能否順利進行?根據(jù)試驗可看出，DO在1 mg/L左右時，對COD的去除影響不是很大，上清液中COD略有上升，但也基本維持在60 mg/L左右，由于有膜的分離截留作用，出水COD基本維持在30 mg/L左右。當(dāng)DO為1 mg/L時，反應(yīng)器對氨的去除效果也很好，上清液NH₃-N可維持在1.6 mg/L左右, 出水NH₃-N在1 mg/L左右，出水總氮在2 mg/L左右，對總氮的去除率可達92%左右。
　　在硝化反應(yīng)時，DO對NO-2和NO-3的生成量有很大的影響［1］。Hanaki研究表明，低DO下亞硝酸菌增殖速率加快，補償了由于低氧所造成的代謝活動下降，使得整個硝化階段中氨氧化未受到明顯影響，同時積累了亞硝酸。Laanbroek［3］的研究進一步表明，低DO下亞硝酸的大量積累是由于亞硝酸菌對氧的親和力較硝酸菌強。亞硝酸菌氧飽和常數(shù)一般為0.2～0.4 mg/L，硝酸菌的為1.2～1.5 mg/L。根據(jù)這一理論，本試驗的DO控制在1 mg/L左右時，氨應(yīng)該經(jīng)亞硝化產(chǎn)生大量的NO-₂，而實際上NO-₂在反應(yīng)器中積累很少，這是因為在如此低的DO條件下，污泥絮體內(nèi)部很容易形成缺氧區(qū)，形成的NO-2可直接擴散至缺氧區(qū)被反硝化掉，這就是所謂的短程硝化—反硝化生物脫氮。而對于短程硝化—反硝化生物脫氮可有如下優(yōu)點：①對于活性污泥法，可節(jié)省氧供應(yīng)量的25%，降低能耗；②節(jié)省反硝化所需碳源的40%，在C/N比一定的情況下提高TN的去除率；③減少污泥生成量可達50%；④減少投堿量；⑤縮短反應(yīng)時間，相應(yīng)反應(yīng)器容積減少。對于以上的優(yōu)點，膜生物反應(yīng)器在DO受控的情況下是可以加以利用的。

4　結(jié)論

　?、倌ど锓磻?yīng)器中，在DO為6 mg/L左右，MLSS為8 000 mg/L～9 000 mg/L，溫度為24 ℃，進水COD、NH3-N分別為523～700 mg/L和17.24～24 mg/L的相對穩(wěn)定的條件下，對COD、NH₃-N、TN的去除率分別為98%、99%、65%，說明此時對COD、NH₃-N的去除率都非常高，但對TN的去除率不是很高。
　?、贒O為3 mg/L左右時，對COD、NH₃-N、TN的去除率分別為96.5%、98%、75%，此時對COD、NH₃-N的去除率仍很高。由于DO的下降，TN的去除率略有上升。
　　③DO為1 mg/L左右時，對COD、NH₃-N、TN的去除率分別為96%、95%、92%，說明此時對COD、NH3-N、TN的去除率都很高，同步硝化反硝化在反應(yīng)器中起到了很好的作用，這一條件為本試驗的最佳條件。
　?、蹹O為0.5 mg/L左右時，對COD、NH₃-N、TN的去除率分別為90%、70%、60%，并且對COD、NH3-N、TN的去除率很不穩(wěn)定。
　　⑤詳細分析了在控制DO的條件下MBR發(fā)生同步硝化反硝化的原因，在此基礎(chǔ)上首次提出了在單級好氧反應(yīng)器中控制DO可發(fā)生短程硝化—反硝化生物脫氮的機制。

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作者簡介：

　　鄒聯(lián)沛(1969-)，男，土家族，湖北宣恩人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在讀博士生，研究方向為水污染控制。
　　電　話：(0451)6282108(O)(0451)2320027(H)
　　E-mail:fanyz@263.net
　　收稿日期：2000-07-26