污水处理中膜生物反应器的脱氮途径

这种形式的 MBR 脱氮工艺中 ,又以反硝化前 端 。该工艺的重点在于控制缺氧期的绝对时间 ,若
置形式较为常见 。对浸没式 MBR 来说 ,由于膜过 缺氧期过短 ,反硝化不能进行完全 ;缺氧期过长 ,会
滤出水过程常伴随着鼓泡曝气同时进行 ,其目的是 减少膜过滤时间 ,导致出水量减少和 H R T 的延长 。
污泥浓度 ,从而有利于氧气的转移 ,维持较高的硝化
能力[10 ] 。
1. 2 反硝化特性 一般来说 ,在大多数单一 MBR 中 ,由于缺氧环境
不充分 ,反硝化能力较弱 ,导致系统对 TN 的去除不 够理想 ,出水硝态氮含量较高 ,反硝化过程成为系统 脱氮的速度控制步骤。对此 ,通过增加缺氧段或将 MBR 按照缺氧2好氧的工况序批式运行 ,可将 TN 的
的生长 。该研究工艺中将此亚硝酸盐积累 MBR 的
环境污染与防治 第 27 卷 第 2 期 2005 年 4 月
2 MBR 各类脱氮工艺 2. 1 基于传统硝化2反硝化生物脱氮原理的 MBR 工艺
化2反硝化机理之上的 ,根据硝化2反硝化反应发生 的空间和时间 ,又可分为空间分离的两级分置式和 时间分离的一体式生物脱氮工艺 。表 1 列举了部分
负荷为 2. 0 kg/ (m3 ·d) 时 ,达到了 99 %以上氨氮的
去除率 ,并且系统运行效果一直比较稳定 ,该负荷已 经远高于常规悬浮式硝化反应体系的最高负荷 。
(2) 在大多数 MBR 中 ,为防止膜的污染 ,反应器 内的剪切力较大 ,导致 MBR 中的污泥絮体尺寸一般 要比普通活性污泥絮体小 ,而较小的污泥絮体有利于 降低氧的传质阻力 ,增加硝化细菌对氧气的利用速 率 ,提高硝化的速率和程度[8] 。Zhang 等[9] 在其研究
氮浓度下降至 0. 1 mg/ L 以下 ; 到第 30 天后 ,亚硝 缺氧时间不够充分而使反硝化不能进行完全所致 。
酸盐才彻底转化为硝酸盐 。说明由于硝化细菌的世 并得出结论认为 ,反硝化是系统脱氮的速度限制步
代周期较长 ,需要一定的时间才能积累至足够浓度 , 达到硝化的完全 。而反硝化在亚硝酸盐刚出现时就
80 %和 83 %。 2. 1. 2 一体式间歇曝气 MBR 一体式间歇曝气 MBR 是通过间歇曝气形成交 替的缺氧/ 好氧条件 ,达到对碳 、氮的同时去除 。但
时 ,出水中硝态氮浓度也会在内源反硝化作用下大 大降低 。此时 ,内源反硝化在系统抵抗外碳源的限 制或波动上起了重要作用 。 2. 2 基于短程硝化2反硝化生物脱氮原理的 MBR 工艺
,但是通过增加曝气强度
,可以消除
NO
2
2N
的
积累 ,使硝化反应恢复正常 。
李春杰等[24] 在用一体式序批式 MB R 处理焦化
废水时获得了稳定 、高效的短程硝化作用 ,平均亚硝
化率
(NO
2
2N/
NO
X
2N)
为
91.
1
%
,通过试验证实
是由于泥龄太长所产生的微生物代谢产物抑制了硝
化反应过程中的硝化菌的结果 ,并在高效短程硝化
第一作者 :李耀中 ,男 ,1969 年生 ,博士研究生 ,主要研究方向为水污染控制技术。 3 陕西省科技发展计划资助项目(2001 K062G17) 。
·127 ·
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
件下的亚硝酸盐积累是由于氨氧化菌 ( AOB) 增殖
速率大于亚硝酸氧化菌 ( NOB) 造成的 ,并推测这种
增殖速率的差异来自 : (1) 在氧限制条件下 ,AOB 所
受的不利影响要小于 NOB ,因为此时后者对氧的亲
和性要低于前者 ; (2) NOB 比 AOB 更容易受到氨
的抑制 ; (3) 相对于 NOB 而言 ,高温更有利于 AOB
Ro senberger 等[14] 采用这种形式的 MB R 对城市废 件无关 。但在 40/ 35 min 的缺氧/ 好氧周期下 , TN
水进行了研究 。反应器由前置反硝化区 、硝化区和 的去除率 (77. 2 %) 要略低于 60/ 90 min 的缺氧/ 好
膜分离区三部分构成 ,在系统启动 10 d 后 ,出水氨 氧周期下的去除率 (80. 4 %～90. 7 %) ,认为是由于
随着膜生物反应器 (MBR) 污水处理技术的日趋 成熟 ,有关其脱氮功效的研究也有了长足的发展。与 传统污水处理工艺相比 ,由于膜分离单元的引入 ,使 MBR 在脱氮性能上得到了一定程度的强化 。本文就 当今国内外 MBR 污水处理中采用的各类脱氮工艺及 其特性进行了总结和分析 。
1 MBR 的硝化与反硝化特性
进水 TN 出水 TN 去除率/ %
/ ( mg ·L - 1) / ( mg ·L - 1)
34. 0
7. 1
79. 0
65. 8
13. 0
80. 0
55. 1
79. 9
37. 5
67. 4
61. 0
11. 0
81. 9
61. 0
3. 6
94. 1
130. 0
32. 0 ±19. 0
5. 1
42. 0 83. 0
1. 1 硝化特性 MBR 对于硝化过程具有明显的强化作用 ,主要 体现在以下两个方面 : (1) 世代周期较长的硝化细菌能够在 MBR 中得 到富集 ,使硝化进程比较完全 。由于硝化细菌是自养 细菌 ,生长繁殖的世代周期长 ,为了使硝化菌能在连 续流的活性污泥系统中生存下来 ,要求系统的污泥龄 大于硝化菌的泥龄 ,否则硝化菌会因为其流失率大于 繁殖率而从系统中被淘汰。因此 ,良好的硝化系统应 具有泥龄长及负荷较低的特点 。而在传统污水处理 系统中往往难以满足这一条件 ,系统的硝化细菌含量 一般较低 ;由于硝化细菌含量与硝化速度成正比关 系 ,导致系统硝化效果不佳 。研究和实践表明[1～3] , 能够完全截留微生物的 MBR 可以防止硝化菌的流 失 ,使其得到富集生长 ,是一种比较理想的硝化反应 器。大多数情况下 ,在 MBR 中可以达到充分的硝 化[4～6] 。如 Shim 等[4] 采用一体式浸没 MBR ,按连续 曝气方式运行时 ,整个阶段的硝化率超过 95 % ,出水 中的氮几乎全部为 NO3- 2N 。另一方面 ,高的硝化细 菌含量也为高容积负荷条件下的运行提供了条件 ,使 得 MBR 能够处理高浓度含氮废水 。李红岩等[7] 在利 用一体式 MBR 处理高浓度氨氮废水硝化特性研究 时 ,在原水氨氮浓度为 2 000 mg/ L 、进水氨氮的容积
在去除 COD 和硝化的同时 ,利用水流紊动形成的 Yeo m 等[21] 采用这种间歇曝气浸没式 MB R 对
剪切力而达到控制膜污染的作用 ,从而确保膜过滤 生活污水的处理进行了研究 。发现在各种运行工况
操作 不 致 受 反 应 区 的 序 批 条 件 限 制 而 停 歇 。 下 ,都可以实现快速 、完全的硝化 ,而与操作循环条
中发现
,以每千克
ML
SS
在每小时内去除
N
H
+ 4
2N
量
所表示的 MBR 的平均硝化活性为 2. 28 g ,是对应的
常规活性污泥工艺平均硝化活性 0. 96 g 的两倍多 。
另外 ,在那些硝化起主导作用的废水处理工艺中 (如
处理对象为高含氮废水) ,硝化细菌所具有的产率系
数较低的特性 ,能使系统在长的泥龄下保持相对低的
MBR 脱氮研究中均发现较高的游离氨浓度会对硝
化菌类产生抑制 ,但由于硝化菌比亚硝化菌对游离
氨和 p H 更敏感 ,导致出现了亚硝酸盐的积累 。李
红岩等[7] 在利用一体式 MB R 处理高浓度氨氮废水
的硝化特性研究时 ,发现了由于 MBR 内溶解氧的
不足而使硝化受到抑制
,引起
NO
2
2N
严重积累的
现象
的基础 上 实 现 了 81. 34 % 的 反 硝 化 率 。Wyffels
等[25] 在低溶解氧 ( 0 . 1 g/ m3 ) 、高氨氮浓度 ( 7～54
g / dm3 ) 和较高温度 (35 ℃) 条件下于浸没式 MBR
中获得了持续的亚硝酸盐积累 ,出水中主要为氨氮
和亚硝酸氮 ,仅有少量硝态氮 。研究认为 ,该工艺条
50. 0
4. 9 10. 1～15. 7
> 80. 0
回流比
4 3 2 3
参考文献
[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 12 ] [ 19 ] [ 20 ]
2. 1. 1 两级分置式 MB R
规前置反硝化 MBR 中氧被连续带入反硝化区的弊
去除率提高至 60 %～80 %[11] 。与传统脱氮工艺类
似 ,此时碳源的种类、BOD 负荷以及碳氮比等参数对 反硝化作用有着显著的影响。为了强化反硝化效果 ,
Ueda 等[12] 在其研究中建议从以下三点进行改进 : (1) 在缺氧区的起始阶段集中进水 ; (2) 缩短好氧反应期 时间 ; (3) 提高 ML SS 浓度 。因为较高的污泥浓度有 利于反应器内兼性环境的形成 ,为反硝化的进行创造 条件 。
SR T/ d
72 未排泥
70 26 26 20 125 未排泥 30～35
HR T/ h
13. 4 10. 4 9. 2
DO/ ( mg ·L - 1)
好氧
缺氧
4. 3
Leabharlann Baidu
0
2. 0 0. 5～1. 5
18. 0
18. 0
17. 0
9
0. 5
13. 0～16. 0
12. 0～14. 0 1. 5～2
4
骤 ,而缺氧期的长短是其中的关键因素 ;通过维持高 的污泥浓度可以强化反硝化过程 。研究还发现 ,进
有发生 ,但直到约第 100 天后 ,才达到完全和稳定 。 研究发现 ,提高反应器温度有助于强化硝化效果 ;而 当硝化回流比设定为 4 和 5 时 ,最大脱氮率分别达
水 BOD/ TN 与测得的比反硝化速率间存在线形关 系 。在碳源不受限制的情况下 ,总的反硝化速率会 很高而缩短必要的缺氧期时间 ;而当碳源受到限制
为了缓解膜污染 ,膜抽吸过滤常被限制在曝气阶段 , 旨在通过曝气对膜面形成一定的剪切作用 。因此 , 与缺氧区分置形式的能够连续出水的 MBR 相比 , 减少了总的膜分离操作时间 ,使 HR T 延长 。尽管
短程硝化2反硝化是指将氨氮氧化控制在亚硝 化阶段 ,然后进行反硝化 。通过采用该工艺可节省 : 25 %的硝化曝气量 ;40 %的反硝化碳源 ;50 %的反硝 化反应器容积 。短程硝化的标志是获得稳定高效的
如此 ,仍然可以省去常规 SBR 工艺条件下的沉淀 期 ,提高出水期在每个循环周期内所占的时间比例 ,
NO
2
2N
的积累 ,即亚硝化率 ( NO
2
2N/ NO
X
2N
)
>
50 %。
做到循环时间与反应时间相等 。此外 ,在注水阶段 目前短程硝化反硝化在 MBR 脱氮研究中也得
反应器内的溶解氧浓度会很快降低 ,从而避免了常 到体现 ,其关键是如何在 MBR 体系下获得持续的
李耀中等 污水处理中膜生物反应器的脱氮途径
污水处理中膜生物反应器的脱氮途径 3
李耀中 贺延龄 刘永红 杨树成
(西安交通大学环境科学与工程系 ,陕西 西安 710049)
摘要 就膜生物反应器污水处理中的硝化与反硝化特性进行了总结。分析和评述了各种膜生物反应器脱氮工艺的原理、特点、 实现条件和应用现状 ;重点推介了一些新型脱氮途径在膜生物反应器中的应用 。 关键词 膜生物反应器 脱氮 硝化 反硝化
·128 ·
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
李耀中等 污水处理中膜生物反应器的脱氮途径
亚硝 酸 盐 的 积 累 。 Ghyoot [22 ] 及 Ng [23] 在 各 自 的
目前大多数 MBR 脱氮工艺是建立在传统硝 采用这种传统脱氮方式的 MBR 研究结果 。
表 1 采用传统硝化2反硝化生物脱氮方式的部分 MBR 工艺及研究结果
废水类型
生活废水 城市废水 城市废水 城市废水 城市废水 城市废水 城市废水 生活废水 生活废水 生活废水
工艺类型
DN2N DN2N DN2N DN2N DN2N N2DN 间歇曝气 间歇曝气 间歇曝气 间歇曝气