MBR在脱氮除磷方面的最新研究与进展

　　近年 来 ，膜生物反应器(MBR)由于处理效果好、占地面积少等优点日益受到污水处理界的关注〔i,2)。目前MBR在国内外的研究发展很快，主要包括:一是生化处理和工艺运行参数的影响;二是膜成套技术的研制;三是膜分离影响因素。尤其是在脱氮除磷研究和开发方面进展很快。

　　1 MBR不同工艺对氮的去除研究

　　1.1 MBR工艺处理高浓度氨氮废水技术

　　国内 外 对 于含氨氮(NH4+-N )废水的处理方法主要采用生物脱氮处理法，国内外对低浓度含氨氮废水的研究已经比较成熟。这段时间的研究主要集中在用MBR对高浓度氨氮废水处理方面。由于MBR膜的完全截留作用使得膜生物反应器的水力停留时间和污泥停留时间可以完全分开，同时反应器维持很高的MLSS，使得反应器里硝化菌的大量积累有了可能，为处理高浓度氨氮废水创造了条件。

　　王颖 采 用 缺氧/好氧MBR处理食品废水的试验中，在进水氨氮高达400 - 660 mg/L时，取得了91%的硝化效果(3)。而高蒙春在利用浸没式MBR和传统活性污泥法处理高浓度氨氮废水的对比试验中发现，SRT为 24 h时，进水氨氮为180 - 1300 mg/L，浸没式MBR中的氨氮几乎全部硝化，而传统活性污泥法氨氮的硝化率只有91%(4)。有人采用一体式浸没式MBR处理高浓度氨氮废水，研究结果表明，进水COD>100 mg/L,氨氮340 mg/L时，出水平均氨氮<3 mg/L,去除率>99%(5)。而李红岩等利用相同的膜生物反应器处理高浓度氨氮废水，在进水氨氮浓度逐渐增加到2 000 mg/L;进水氨氮的容积负荷为2.0 kg/(m3"d)情况下，去除率依然达到了99%，而且系统比较稳定 (6)0从各个研究结果来看，总体上MBR对去除高浓度氨氮废水的效果甚佳，且比较稳定。

　　1.2 MBR工艺脱氮技术

　　在好 氧 生 化池内氨氮转化为硝态氮和亚硝态氮只是氮的形态发生了变化，总氮的数量并没有减少。为了提高总氮去除率，张西旺等在一体式MBR前增设缺氧区和回流装置，形成好氧/缺氧运行方式，获得了对高浓度氨氮下总氮很好的去除。没有增设缺氧区和回流装置的情况下，进水NH4+- N为100mg/L时TN去除率只有60%，而在设置了缺氧区后，去除率达%.0%，其原因就是缺氧区设置后给反硝化菌提供了充足的有机物和反应场所，避免了由于硝酸盐和亚硝酸盐的积累对硝化反应的限制，出水TN达建设部生活杂用水水质标准〔710研究 表 明 ，在好氧MBR里加生物载体填料，可以取得对NH4+-N和TN很高的去除效果，由于反应器中高浓度的污泥有利于在污泥絮体中形成好氧区和厌氧区，而且，填料载体挂膜充分后，膜表面同样也会形成立体的好氧一缺氧层递层，客观上为在同一个反应器中实现同步硝化反硝化创造了条件。试验出水结果表明，在 DO ,pH等因素控制得当的情况下系统对NH4+一N和TN平均去除率分别达到了93.0%,88.9%1'1，比传统的工艺效果要好。齐唯等在浸没式MBR中对同步硝化反硝化效应进行了研究，得出氧的传递是影响同步硝化反硝化的主要因素;系统pH也是通过影响微环境中氧的传递，进而影响同步硝化反硝化作用的，在一定的条件下，取得了对NH4+一N为81%和TN为84%的去除率〔9-111有些研究人员在试验过程中发现了短程硝化和反硝化的现象〔12,13]，李春杰等研究了浸没式MBR处理化废水中的短程硝化反硝化，在试验运行初期，由于泥龄短使微生物代谢产物未得到充分积累，硝化过程进行得非常彻底;然后在高效短程硝化的基础上进行反硝化，当单位SS反硝化负荷<0.174k扩(kg- d),HRT> 8.44 h时，可实现反硝化率81.34%，此时外加碳源m(COD):m(N)为2.1:1(14]0相 比于 传 统活性污泥法，MBR里的污泥絮体比较松散，可能不利于剩余污泥的处理和反硝化的发生。对比投加粉末活性炭(PAC)和未投加PAC的MBR系统的脱氮效果发现，投加了PAC后的MBR系统中，污泥絮体尺寸增大，可在絮体内部形成缺氧区，更加有利于反硝过程的发生，反硝化去除率>96%〔(巧 15，,16

　　2 MB R 不 同 工 艺 对 磷 的 去 除 研 究

　　MB R 去 除磷的工艺与常规活性污泥法基本上相同，国内外对除磷工艺的研究不少，一般采用A/0和SBR的形式，多数是和脱氮联用，A/0膜法是研究得比较多的一种工艺，有人对比了有厌氧和无厌氧情况下该工艺的除磷情况，发现没有厌氧环境，TP的去除率只有22%，而在有厌氧段(A/0)的情况下，TP的去除率可达70%(");B.K ocadagistan采用在上流式厌氧固定床后的好氧反应器里面放置了微滤膜的形式，获得了对氮和磷>94%的去除率〔’“’，不过该工艺成本比较高，现阶段难以大规模的推广;P.A.C astillo等采用生物膜一膜反应器处理含磷废水，在有机负荷率为159 mg/(cm 2"d)的条件下，磷的去除率达72%('9)。由于除磷菌的世代时间较短，SRT是一个比较重要的参数，为了尽量避免SRT过长带来的负面影响，于是有人在强化生物除磷工艺(EBPR)的好氧段旁边放置膜组件，无论采用前置反硝化方式还是后置反硝化方式，都取得了令人满意的除磷效果，在SRT为25 d的情况下，依然取得了TP > 97%的去除率，后置反硝化在运行良好时同样曾经获得了很好的TP和TN的去除效果，分别为 99%,94% (20.211。而Halil Hasar在对浸没式膜生物反应器(SMBR)和传统活性污泥法(CASP)工艺进行对比研究中发现，SMBR的运行方式在SRT为50d，好氧时DO在1.9-4 mg/L，进水TP为19.0 mg/L的情况下，取得了出水TP < 1 mg/L的去除效果〔22)。这表明采用MBR完全可以实现高效脱氮除磷。由于 许 多 工艺的差异，尤其是膜组件性能因素，导致不是每一种MBR工艺对除磷效果都能达到要求，在环境的要求越来越高使得出水排放标准越来越严格的情况下，有时只依靠生物除磷出水经常难以达标，MBR工艺中也常采用投加絮凝剂以共沉淀模式来提高磷的去除效果，研究表明，当n(Al): n( TP)为1.5，进水TP为4.3一5.3 mg/L日寸，出水TP可以降到0.5 mg/L，达到TP < 1 mg/L的排放标准(23)。迟军等人基于磷的难溶金属盐化学沉淀物很难透过超滤膜的现象，在反应器内通过投加铝盐的方式除磷，获得了82% 的去除率，使出水中TP< 0 .5m g/L('')o

　　3 微生物学在脱氮除磷方面的研究进展

　　微生 物 在 废水生物处理过程中起关键作用，然而由于受到传统分析手段和方法的限制，对水处理过程尤其是脱氮除磷过程的微生物学，认识还有待进一步提高 (25)。对MBR来说，由于膜的截留以及曝气在膜表面产生的剪切力，使得好氧生物反应器中的污泥性能、微生物群落以及生物动力学都不同于常规活性污泥法。MBR中的污泥颗粒细小、豁性大、结构松散、活性低，并且沉降性能和脱水性能差〔26对脱氮除磷带来很大的影响。而磷的最终去除必须靠排剩余污泥来实现，因此全面了解聚磷菌的生理生化特性是十分重要的。

　　3.1 常规活性污泥法中的微生物技术

　　微生 物 群 落决定着污泥特性，同时微生物群落的组成也决定着系统脱氮除磷的效果，而目前对有关MBR中的微生物及其生物动力学特性知之甚少〔27)0由于传统的分析手段的局限性，我们必须建立新的分析技术和手段来深人了解MBR中活性污泥中的微生物群落结构及其多样性。人们在实验研究的过程中不断改进方法。Andrew Amis Randall在研究中利用不同的挥发脂肪酸(WAS)发现:当作为碳源的聚轻基脂肪酸醋(PHA)主要以3一经基丁酸(3HB)的形态存在时比以3一经基戊酸(3HV)的形态存在时更容易促进好氧吸磷(28);而由脂肪酸(MFAS)测量方法改进而来的醋肪酸异丙基醋方法在定量测定活性污泥法中尤其是在测定由于微生物群落的构成的改变而导致的活性污泥的质量变化时取得了很好的效果〔293;好氧呼吸速率(OUR)也被研究人员常用来表征生物的生长和活性〔301。但是上述方法只是从宏观上反映反应器中微生物的变化，并不能从微观上体现外部条件变化带来的生物的多样性和群落的变化。

　　3.2 MBR工艺中的微生物技术

　　随着 现 代 分子生物学的发展，以核酸杂交技术为主要内容的分子生物等技术，为研究生物群落构成及其多样性提供了新的强有力的方法和手段。到目前为止，人们对活性污泥系统中何种微生物对除磷起主要作用仍不清楚，不过由于现代分子生物学的发展，利用基于除磷活性污泥样品的核酸杂交技术克隆基因库构建专一性探讨，结合细胞内聚磷酸盐颗粒的特殊染色技术，R.P. X. H esselmann(31〕等和G.R .Crocetti(32) 等利用显微镜对除磷微生物进行原位观察和鉴定，利用对B-Proteobacteria专一性的探讨鉴定了实验室规模的除磷反应器中占优势的微生物种群。虽然上述研究都是在常规活性污泥法中完成的，但不妨碍他们在MBR中的应用。当MBR长时间不排泥，使MLSS维持在很高的浓度时，污泥浓度的增长是一条开始增长较快，尔后逐渐趋于平缓的曲线，常规方法解释不了该现象的发生，利用荧光原位杂交技术(FISH)对常规活性污泥法和MBR内染色细胞进行定位分析，结果表明，MBR里的高污泥浓度利用自身能量维持新陈代谢，而不是处于生理增长的状态(33)。而且 FISH和变性梯度凝胶电泳(DGGE)的分析结果也表明:MBR中的微生物群落和其多样性，不同于常规活性污泥;MBR适宜于氨氧化菌的生长;MBR中的硝化菌通常为不同形状的串状，小颗粒污泥中的硝化菌含量高于其在大颗粒污泥的含量〔2730而LuisaS .Se rafim等则利用另一项现代监测手段核磁共振(NMR)使得在线监测细胞中的能量变化成为了可能〔341。另外间歇缺氧/好氧条件的SMBR中，被认为是间歇曝气SMBR中硝化和反硝化过程中占优势的两种菌种:亚硝化单胞菌和反硝化产碱菌，它们的占优势醒是ubinone-8。间歇好氧/缺氧条件下，悬浮微生物中微生物的多样性，通过苯酿图谱里的组成可以以摩尔分数表示出来〔351。因此研究微生物的生物学机理，对MBR的开发具有重要意义。

　　4 MBR在城市污水处理中的应用及发展趋势

　　MB R 以 其独特的优点在废水需要回用和占地有限制的场合具有独到的优势。MBR对有机物和氨氮都有很好的去除效果，但是与传统活性污泥法相比，MBR脱氮除磷的技术总体来说还不是很完善，工程应用经验不太多，很多研究成果还只停留在实验室阶段。MBR处理目标一般是回用水标准，但单独依靠生物法还是难以稳定达到回用水标准，生物脱氮除磷的效果一直都不是很好，在这方面将来研究的重点主要是以下几点。

　　(1) MB R 工作条件下生物脱氮除磷的生物学机理，微生物尤其是除磷菌(PAOs)的机理，研究它们有助于我们根据不同处理要求筛选出高效而稳定的专性脱氮除磷菌种，从而研究出新型的高效脱氮除磷工艺。

　　(2) 新 型 MBR脱氮除磷工艺和相关研究成果的示范工程及推广。目前的MBR工艺基本上都是基于传统的污水处理工艺上加膜而形成的MBR,所确立的数学模型也都有相应的局限性。应研究开发更加适合于MBR工艺特点的新型工艺，如生物膜(固定生物)-MBR等工艺。一方面有利于设计规范的制定;另一方面又能在提高脱氮除磷效果的同时又可以减少后续污泥的处理成本。

　　〔参考文献〕

　　f1]Adham S, Gagliardo P, Boulos L, et al. Feasibility of the membraneb ioreactorp rocessfo rw aterre clamation[J ].W at.S ci.T ech.,20 01 ,4 3(10):203一209

　　2]吕红，等分体式膜一生物反应器在废水处理中的工艺条件【J].环境 科 学，2003,24(3):61一64

　　[3]Wang Ying, et al. Nitrogen and carbon removals from food processing w astewater场ana noxic/aerobicm embraneb ioreactor[J].P rocessB iochemistry,2005,4 0(5):17 33一17 39

　　[4]Gao Mengchun, et al. Comparison between a submerged membranebio reactora nda c onventionala ctivateds ludges ystem ont reatingamm onia-bearingi norganicw astewater[J ].B iotechnology,2 004,108 (3 ) :265一269

　　[5〕刘静文，等.膜生物反应器处理高氨氮废水【J].城市环境与城市生态 ， 20 03,16(5):19一21

　　[6]李红岩，等.组合式膜生物反应器处理高浓度氨氮废水【J].环境科学 ， 20 02,23(5):62一66