低氧膜生物反應器(MBR)高效脫氮機理研究

王學艷，邵玉玲

(1.齊齊哈爾水文局水環境分中心，黑龍江齊齊哈爾161005;2.齊齊哈爾水文局瀏園站，黑龍江齊齊哈爾161005)

目前，氮污染所造成的環境問題已引起人們的高度關注，國內外主要采用生物脫氮技術，生物脫氮機理的研究是生物脫氮技術開發與工藝優化、操作運行的基礎。近年來，在低DO條件下運行的一些脫氮裝置中產生了很多令人關注的脫氮現象，比如短程硝化作用(short-cut nitrificationdenitrification)、同時硝化和反硝化(simultaneous nitrificationdenitrification，SND)以及厭氧氨氧化作用，使脫氮處理開拓了新的思路，具有重要的研究價值。

1 國內外研究現狀分析

1.1 目前的研究

目前的研究集中在厭氧條件下研究。傳統的硝化反硝化是有機物濃度較低時，在好氧條件下將氨態氮轉化為亞硝酸鹽或硝態氮，然后在缺氧條件下由反硝化細菌利用碳源將硝態氮或亞硝酸鹽轉化為氮氣去除。這一過程能耗高，且反硝化必須要有碳源。

1)厭氧氨氧化(ANAMMOX)是指在厭氧條件下，微生物直接以NH4為電子供體，以或為電子受體，將和轉變成N2的生物氧化過程。2)厭氧氨氧化不需碳源，還能節約大量能源。3)厭氧氨氧化反應的發現為污水處理過程中氮素的轉換途徑提供了新的思路，但傳統觀點認為厭氧氨氧化細菌完全自養，只能在厭氧條件下生存，生長速率極低，時代時間很長(約11 d)，很難用于實際工程。4)厭氧氨氧化是突破傳統脫氮理念的新型工藝，也是自養脫氮工藝的核心。

對于厭氧氨氧化，國內外的研究主要集中在厭氧條件下研究其生長降解特性，根據目前研究已發現了6種厭氧氨氧化細菌在污水處理系統中比較常見的有Candidatus Brocadia anammoxidans和Candidatus Kuenenia sttuttgartiensis兩種，它們在細胞結構、代謝特性等方面十分相似。

1.2 最新的研究

最新研究報道厭氧氨氧化細菌廣泛存在污水處理系統中，數量可觀。在許多氧受到限制的環境中氨好氧硝化菌和厭氧氨氧化細菌是分不開的，很多研究發現低DO條件下可發生同步硝化反硝化和厭氧氨氧化。

1)膜生物反應器(membrane bioreactor，MBR)是一種將高效膜分離技術與活性污泥生物處理單元相結合的新型水處理技術。膜生物反應器去除污染物是基于活性污泥的生化作用和膜過濾的物化作用，活性污泥微生物的代謝作用是去除污染物的中心環節，將膜分離技術引入活性污泥法中，克服了傳統法的污泥流失和膨脹的弊病，徹底分離了HRT和SRT，出水水質好。

該技術是近年來迅速發展的一種污水治理技術，已成為目前國內外研究和應用的熱點之一。

2)溶解氧(DO)是膜生物反應器重要的運行控制參數之一。膜生物反應器由于曝氣強度很大，運行費用高，影響了該工藝的推廣。為節約能耗，希望能夠在較低的DO條件下運行。而低DO是普遍認同的導致污泥膨脹的原因之一，眾所周知污泥膨脹一直是活性污泥法的棘手問題，但由于膜生物反應器采用了膜過濾的泥水分離，低氧造成的污泥膨脹對其來說幾乎沒有影響，因此膜生物反應器在低溶解氧的條件下運行是可行的。

3)在MBR工藝中，由于膜的截留作用使SRT大大延長，創造了有利于厭氧氨氧化細菌生長的環境，因而可以提高厭氧氨氧化的能力;同時由于污泥濃度高，污泥絮凝顆粒存在從外到內的溶解氧梯度，相應形成好氧、缺氧和厭氧區，可實現反硝化脫氮和厭氧氨氧化作用。

2 研究方案

2.1 研究目標、研究內容和擬解決的關鍵問題

1)建立低氧膜生物反應器(MBR)，研究反應器內厭氧氨氧化與反硝化脫氮效果及其影響因素，使反應器的脫氮的效果最優。促進MBR工藝向低耗、高效的方向發展。

2)研究內容:①建立低氧膜生物反應器(MBR)試驗平臺;②研究低氧MBR中厭氧氨氧化和反硝化脫氮作用進行研究，并研究有機物、溶解氧、氨態氮、硝態氮和亞硝態氮、溫度等因素對厭氧氨氧化和反硝化脫氮作用的影響;③優化反應器運行條件，提高脫氮效果。

3)擬解決的關鍵問題:①充分利用膜生物反應器的特點，建立低氧膜生物反應器;②在低氧條件下，探索膜生物反應器脫氮的主要反應，并確定厭氧氨氧化和反硝化對脫氮作用的貢獻程度。

2.2 擬采取的研究方法、技術路線、實驗方案及可行性分析

2.2.1 擬采取的研究方法

在查閱國內外文獻的基礎上采用靜態試驗和動態試驗相結合的方法，揭示低氧膜生物反應器的脫氮機理，研究溶解氧、污泥齡(SRT)、水力停留時間(HRT)、溫度等因素對厭氧氨氧化和反硝化脫氮作用的影響。

2.2.2 技術路線和實驗方案

首先建立低氧MBR試驗平臺，研究其脫氮效率，然后研究各因素影響，優化反應器的運行，技術路線見圖1。

圖1 本研究的技術路線

3 結論

可以目前:MBR工藝尚處于發展完善的階段，許多研究還處于剛起步階段，對脫氮的生物機理在基礎理論的研究方面不夠深入。低氧膜生物反應器內同時完成多種生化反應的過程，這系列反應包括有機物的氧化去除、氨亞硝化反應、硝化反應、厭氧氨氧化脫氮反應和反硝化脫氮反應等，本課題定位為低氧膜生物反應器中污水脫氮的反應機理研究，探明低氧膜生物反應器在脫氮時，厭氧氨氧化和反硝化對脫氮所起作用的大小，各種因素對脫氮反應的影響，用動力學、化學計量式進行模擬評價，從而確定優化的運行條件。

［1］國家環保局.水與廢水監測分析方法［M］.北京:中國環境科學出版社，2002.

［2］鄒聯沛，張立秋，王寶貞，等.MBR中DO對同步硝化反硝化的影響［J］. 中國給水排水，2001，17(6):10-14.