鄒聯沛，張立秋，王寶貞，王琳
(哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱150090)

　　摘　要：膜生物反應器(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發生同步硝化、反硝化的原因，并提出了在單級好氧反應器中控制DO可發生短程硝化—反硝化生物脫氮的機制。
　　關鍵詞：膜生物反應器；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

　　膜生物反應器是由膜組件和生物反應器兩部分組成，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，硝化是在好氧下發生的，而反硝化是在缺氧或厭氧條件下發生的，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和缺氧區，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，反應器的溫度用加熱器調至24 ℃，采用微孔曝氣器進行曝氣，反應器的有效體積為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DO約為3 mg/L時，在污泥絮體內部能形成缺氧區，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，導致污泥絮體內部形成的缺氧區大小和多少不恒定，所以脫氮率不能很好地保持穩定。
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，反應器污泥對COD的去除率可維持在91%，經過膜過濾后，對COD的總去除率仍可維持在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DO約為1 mg/L時，在污泥絮體內部能形成很好的缺氧區，所以反硝化能力加強，且除氮率能很好地保持穩定。
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，并且很不穩定，這說明此時供氧已嚴重不足，造成出水效果很不好；而當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，在菌膠團的好氧區生活著很多異養好氧菌群，它們能將有機物氧化分解，同時消耗大量的DO，這又為缺氧區的反硝化細菌創造了反硝化的條件。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，然后再擴散至亞硝酸細菌。當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擴散至亞硝酸細菌，通過亞硝化作用產生NO-₂，同時又為硝酸細菌提供了底物，當然NO-₂可直接傳遞到硝酸細菌，也可先傳至主體區然后再傳至硝酸細菌。另外，NO-₂還可直接傳至缺氧區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器內污泥濃度很高，雖然反應器內DO很高，但根據微環境理論，在如此高的污泥濃度情況下仍可在部分污泥內部形成缺氧區，從而具有一定的反硝化能力。
　　微環境理論認為：由于微生物個體形態非常微小(一般都屬于微米級)，從而影響微生物的生存環境也是微小的。而宏觀環境的變化往往導致微環境的變化或不均勻分布，從而影響微生物群體的活動狀態并在某種程度上出現所謂的表里不一現象。事實上，由于微生物種群結構、物質分布和化學反應的不均勻性，在活性菌膠團內部和生物膜內部存在多種多樣的微環境類型，而每一種微環境往往適合于某一類微生物的活動。由于各種物質傳遞的變化、各類微生物的代謝活動及其相互作用，微環境所處的物理、化學和生物狀態是可變的，甚至是多變的［2］。
　　在活性污泥中，決定各類微環境分布狀態的因素包括：有機物和電子受體(溶解氧、硝態氮)的物質傳遞特性、菌膠團的結構特征、各類微生物的分布和活動狀態等［2］。在本試驗中，當DO為6 mg/L時，由于DO相對較高，氧的穿透能力較強，所以在菌膠團內部形成的缺氧區較小或只能在較少數的菌膠團內部形成較小的缺氧區，反硝化能力不是太強；另外由于DO太高，好氧區的異養好氧菌活性很強，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部能形成缺氧區，也會由于有機物的供應不足而降低反硝化能力。但當DO為3 mg/L時，氧的穿透能力就會降低，因此能形成缺氧區的污泥絮體增多或污泥絮體的缺氧區增大，使反硝化能力增強，總氮的去除率提高，可達75%左右。而當DO為1 mg/L左右時，氧的穿透能力已很弱，大多數污泥絮體的內部都能形成缺氧區，所以反硝化能力很強。但DO太低又會產生其他問題，即有機物的去除能否保證?硝化反應能否順利進行?根據試驗可看出，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DO為1 mg/L時，反應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一般為0.2～0.4 mg/L，硝酸菌的為1.2～1.5 mg/L。根據這一理論，本試驗的DO控制在1 mg/L左右時，氨應該經亞硝化產生大量的NO-₂，而實際上NO-₂在反應器中積累很少，這是因為在如此低的DO條件下，污泥絮體內部很容易形成缺氧區，形成的NO-2可直接擴散至缺氧區被反硝化掉，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點：①對于活性污泥法，可節省氧供應量的25%，降低能耗；②節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縮短反應時間，相應反應器容積減少。對于以上的優點，膜生物反應器在DO受控的情況下是可以加以利用的。

4　結論

　　①膜生物反應器中，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。
　　②DO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器中起到了很好的作用，這一條件為本試驗的最佳條件。
　　④DO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的去除率很不穩定。
　　⑤詳細分析了在控制DO的條件下MBR發生同步硝化反硝化的原因，在此基礎上首次提出了在單級好氧反應器中控制DO可發生短程硝化—反硝化生物脫氮的機制。

參考文獻：

　　［1］袁林江，彭黨聰，王志盈.短程硝化—反硝化生物脫氮［J］.中國給水排水，2000,16(2):29-31.
　　［2］鄭興燦，李亞新.污水脫磷除氮技術［M］.北京:中國建筑工業出版社,1998.
　　［3］Laanbroek H J,Gerards S.Competition for limiting amounts of oxygen between Nitrosomanas europaea and Nitrobacteria winogradskyi grown in mixed continuous cultures［J］.Arch Microbiology,1993,159:453-459.

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作者簡介：

　　鄒聯沛(1969-)，男，土家族，湖北宣恩人，哈爾濱工業大學在讀博士生，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