焦化廢水含有大量的有毒難降解物質和較高的含氮量，傳統(tǒng)的生物處理往往工藝流程較長，處理效果較難達到要求。膜生物反應器（Membrane Bioreactor）是通過膜分離強化生物處理效果的組合工藝。

1 前言

焦化廢水含有大量的有毒難降解物質和較高的含氮量，傳統(tǒng)的生物處理往往工流程較長，處理效果較難達到要求。膜生物反應器（Membrane Bioreactor）是通過膜分離強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，同時大分子難降解物質和微生物代謝產物也保留在反應器內，其中有些物質可能對微生物生理活動產生一些影響，使得膜生物反應器在NH3-N的去除中，具有不同于普通活性污泥法的性質。本試驗通過一年多的運行，研究了在較長泥齡條件下，膜生物反應器對焦化廢水中NH3-N的去除特點，并探討了NH3-N去除的影響因素。

2 試驗材料和試驗方法　

2.1 試驗裝置及材料

試驗采用一體式膜生物反應器進行研究，試驗裝置如圖1所示。反應器容積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 運行條件

生物反應器的運行方式分為兩階段。階段一：從1999年9月27日起的310天采用缺氧—好氧工藝運行，運行周期為24h，其中缺氧進水6h，曝氣反應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—缺氧方式運行（9月2日～23日排水量減為8L），周期仍為24h，缺氧進水3.5（3）h，曝氣15h，缺氧攪拌3.5（4.5）h，曝氣排水2（1.5）h。試驗期間除分析少量取泥外，污泥增長緩慢，基本不排泥。經核算，泥齡為600天。

2.3 膜組件運行情況

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。設定抽吸10min，停歇5min，整個排水期分為8個周期。膜組件下部曝氣和膜組件的垂直運動，在膜表面產生水流剪切作用，使吸附于膜面的污染物部分脫落，緩解壓力上升。排水完畢，將膜組件用進水清洗后，沖洗水返回反應器內，膜用出水浸泡。系統(tǒng)運行一年多，未進行化學清洗，運行穩(wěn)定。

3 試驗結果及分析

3.1 硝化效果的影響因素

運行過程中，在保證溫度、pH、溶解氧的條件下，進水NH3-N小于24mg/L時，出水NH3-N均小于5mg/L。春季，硝化啟動后，系統(tǒng)進出水NH3-N變化見圖2。

系統(tǒng)受到以下因素影響較大：

3.1.1 沖擊負荷的影響

由圖2分析，當進水NH3-N濃度突然升高，系統(tǒng)對NH3-N去除效果明顯下降，污泥負荷甚至出現負值（這是因為異養(yǎng)菌受沖擊負荷影響比硝化菌小，進水中的有機氮繼續(xù)被異養(yǎng)菌轉化為NH3-N，從而使出水NH3-N高于進水），需要經過一段時間（5天以上）才能恢復。系統(tǒng)耐沖擊負荷的能力較差，主要由于反應器內微生物多數呈分散生長，相對于傳統(tǒng)活性污泥法中的污泥絮體中集中生長的微生物來講，抗沖擊負荷的能力要差。

3.1.2 pH值的影響

系統(tǒng)對NH3-N的處理效果與出水pH值密切相關，圖3為進水NH3-N為122mg/L左右時，出水NH3-N濃度與pH的關系。當pH大于8.1時，出水NH3-N才能降至10mg/L。同時，在試驗中發(fā)現進水NH3-N濃度越大，要保持處理效果，要求出水pH越高（見表1）。
 
pH值對硝化的影響是暫時性的，一旦pH恢復，硝化效果很快恢復正常。

A 表1 進出水NH3-N和出水pH值

3.1.3 溫度的影響

初期，系統(tǒng)溫度在20℃以上時，基本保持了良好的硝化效果。降溫首先影響硝酸鹽細菌，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；30日，溫度回升，NO2--N很快降低，系統(tǒng)恢復；當溫度持續(xù)低于20℃，亞硝酸鹽細菌也受到影響，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)運行初期，進水NH3-N240mg/L左右，在未受到沖擊負荷和溫度、pH的影響時，NH3-N去除率為99%以上，產物主要為NO3--N，硝化效果良好；運行300天以后，當系統(tǒng)進水NH3-N為120mg/L時，出水已經為1Omg/L左右了，而且出水主要為NO2--N。

分析原因是因為代謝產物大部分為高分子物質，不能透過膜隨出水排掉；同時，由于泥齡很長，相應的每天排泥量很少，也無法隨排泥排出。運行初期代謝產物的積累還比較少，隨著運行時間的增加在反應器內逐漸積累。當積累到一定程度，就對硝化產生抑制、由于硝酸鹽細菌對環(huán)境比亞硝酸鹽細菌敏感，硝酸鹽細菌的活性幾乎完全被抑制，出水中NO3--N含量很低。從NH3-N的去除情況來看，亞硝酸鹽細菌也受到了影響。

3.2 膜生物反應器的硝化特性

由本試驗結果分析，由于采用了膜生物反應器，系統(tǒng)的硝化具有以下幾方面的特點：

3.2.1 強化對NH3-N的去除效果

反應器運行初期，系統(tǒng)具有較高的處理效率。以NH3-N去除計算的容積負荷最高可達0.19kg/(m3·d)，出水NH3-N小于1mg/L，NH3-N去除率為99.9%。而針對相似水質的A/A/O工藝，當進水NH3-N容積負荷小于0.1kg/(m3·d)時，出水NH3-N才小于10mg/L，容積負荷大于0.18kg/(m3·d)時，出水NH3-N大于40mg/L，NH3-N去除率降至50%以下[3]。
采用膜生物反應器可以達到很好的NH3-N去除效果的原因是由于：

（1）反應器內保持較高的污泥濃度，降低了F/M值，減弱了異養(yǎng)菌對溶解氧的競爭，有利于自氧硝化的進行；

（2）膜生物反應器內微生物絮體較活性污泥法細碎。污泥呈分散生長，有利于氧的傳質；

（3）膜的截留作用使微生物不隨出水流失，硝化菌得以在反應器內富集成為優(yōu)勢菌種，使NH3-N的轉化更為徹底。

3.2.2 抑制硝酸鹽細菌活性

反應器運行初期，未受到溫度的影響時，進水NH3-N基本完全轉化為NO3--N，無NO2--N的積累。經過冬季，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，出水NH3-N在5天內降至1mg/L以下，主要轉化產物為NO2-N，NO3-N的濃度一直保持在比較低的水平，大部分時間在10mg/L以下。

NH3-N→NO2-→N2的脫氮過程稱為短程脫氮（short-cut biological nitrogen removal），短程脫氮避免了硝化時NO2-被轉化為NO3-，反硝化時又被還原為NO2-的無效循環(huán)，理論上可以節(jié)省40%的碳源和25%的供氣量，由NO2-的進行的反硝化速率是NO3-的4.3倍，硝化停留在NO2--N階段有利于反硝化的進行。

4．結論

（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菌，使NO2--N積累，但NH3-N去除率未受大的影響；當溫度持續(xù)降低（低于20℃），NH3-N的去除也受到影響；pH對系統(tǒng)的影響是暫時的，最適pH與進水NH3-N濃度有關，隨進水濃
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)代謝產物的影響和適宜條件下，以NH3-N去除計算的容積負荷最高可達0.19kg/(m3·d)，而出水NH3-N小于1mg/L，NH3-N去除率為99%。

（3）600天的泥齡使膜截留下來的微生物代謝產物和其他大分于物質在反應器內積累，抑制硝酸鹽細菌活性，引起NO2-N的積累，有利于短程脫氮的進行。但最終也會影響硝酸鹽細菌的活性，影響系統(tǒng)的硝化效果。

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