膜生物反应器脱氮除磷新技术
随着经济的快速发展，水环境污染和水体富营养化问题日益严重。常规活性污泥工艺对总氮、总磷的去除率仅在l0%～30%，远不能达到国家排放标准。这样的m水排放，仍然会引起受纳水体的富臂养化。因此.研究开发高效、经济的生物脱氮除磷T艺已成为当前水污染控制领域的研究重点和热点。
膜生物反应器(MBR)是近年新开发的污水处理与刚用技术。该技术是将膜分离技术与传统污水生物处理技术有机结合而产生的废水处理新工艺.其产生和发展是这两类知识应用和发展的必然结果。由于MBR技术具有诸多传统污水处理工艺无法比拟的优点，因此在世界范围内倍受关注。MBR中较高的污泥浓度为同步硝化反硝化提供必要的缺氧微环境，即MBR本身具有一定的脱氮除磷条件。
1.膜生物反应器脱氮除磷的研究进展
1.1膜生物反应器的发展
膜生物反应器最先用于微生物发酵工业。在废水处理领域中的应用研究始于20世纪60年代的美
国。但当时由于受膜生产技术所限，膜的使用寿命短，水通透量小.使其在投人实际应用中遇到障碍。70年代后期.El本研究者根据本国国土狭小、地价高的特点对膜分离技术在废水处理巾的应用进
行了大力开发和研究.使MBR开始走向实际应用。进入80年代后，国际上对MBR的研究更是方兴未艾。日本建设省制订了“Aquanaissance90”大型研究计划.其内容主要包括新型膜材料的开发，膜分离装置的研究等。法国、美国、澳大利亚等国对MBR的研究也投入了很大力量，使得研究内容更加全面而深入，为9O年代的进一步推广应用奠定了技术基础。现在MBR已成功地应用于水道污水、粪便污水、垃圾渗滤液等废水的处理。
近年来随着膜技术的飞速发展，日本、欧洲等膜制造技术发达的国家广泛开展了MBR新工艺的研究。膜材质从早期的聚飒(ps)、聚丙烯腈(PAN)等超滤膜的使用发展到以聚烯烃(PE，PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)为主的微滤膜.日本膜专家通过长期的研究和实践认为用于成分复杂的污水处理聚偏氟乙烯和聚烯烃有其优良的化学稳定性、抗氧化性和耐污染性，是最有前途的膜材料。2007年，JelenaRadjenovic等采用MBR处理制药废水，研究结果表明，COD、TSS、TOC、NH-N均有较好的处理效果。P.T.Tri等使用MBR对亚洲国家的加油站废水进行处理.研究出了一套装置，该装置对COD的去除率达到了99%，对石油类的去除率达到了95.2%，且系统运行稳定。使用两段式MBR对食品废水进行了处理，COD、BOD、TSS、NH一N、TP去除率分别达到98%、99.9%、100%、99.8%和100%，出水油脂的质量浓度小于15mg/L。
MBR在我国水处理方面的应用研究首先从分离式MBR开始。1991年，岑运华介绍了MBR在日本的研究状况；1993年，上海华东理工大学环境工程研究所进行了MBR处理人工合成污水和制药废水的可行性研究。1995年，樊耀波。将MBR用于石油化工污水净化的研究，研制出一套实验室规模的好氧MBR.该系统对石油化工污水中COD、BOD、SS、浊度、石油类均有较高的去除率。自1994年始，汪诚文等、顾平等、李红兵等先后对MBR处理生活污水并回用的可行性、操作运行条件、膜污染机理及控制对策进行了研究探讨.证明了MBR处理生活污水并用于回用在技术上和经济上都是可行的。2007年。李志东等将一体式MBR应用于屠宰废水的研究上，该一体化装置对各类污染物均有较高的去除率，并实现了自动化控制。近年来我国环保工作者将MBR应用于造纸废水]、抗生素废水、食品废水、畜禽养殖废水、垃圾渗透液等废水处理。在这些研究基础上.MBR在我国开始逐步走向应用并呈现出良好的应用前景。
1.2膜生物反应器脱氮的研究
同目前通用的生化脱氮工艺一样，MBR脱氮在理论上并没有什么根本差别。为了提高总氮去除率，在单一的好氧MBR的基础上，开发了A/O、Az/O和SBR等形式的MBR，以获取最佳的脱氮效果。张西旺等在一体式MBR前增设缺氧区和回流装置的方法形成A/O运行方式处理高浓度氨氮废水，在没有增设缺氧区和回流装置的情况下.进水NH3--N的质量浓度为100mg/L左右时总氮(TN)去除率只有60%，而在设置了缺氧区后。TN去除率曾经达到过96.O%。其原因就是缺氧区和回流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。
张捍民等研究指出.SBR运行的MBR能强化传统膜生物脱氮性能，在进水C、N的质量比降至3.8～8-3，总氮负荷提高至O.22kg/(m•d)，总氮和氨氮去除率分别为67.6%和93.1%。MullerE.B.等[拍]和GunderB.等在好氧MBR里加生物载体填料，可取得对氨氮和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/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。试验结果表明，在DO、pH值等因素控制得当的情况下，系统对氨氮和TN的平均去除率分别达到了93%和88。9%，比传统的工艺效果要好。王仲旭等的研究也证明在好氧MBR里加入填料载体。能为硝化和反硝化创造良好的条件。该工艺氨氮和TN平均去除率分别高达100%和93.06%。袁丽梅等开发出一种交替式缺氧/厌氧膜生物反应器(AAAM)的脱氮除磷工艺。通过改变好氧区回流混合液的流向使缺氧和厌氧环境在2个单独的反应器内交替形成.以实现同步缺氧反硝化、厌氧释磷及反硝化聚磷菌的部分吸磷过程。中空纤维微滤膜置于好氧区。该区采用连续曝气方式实现硝化、过量吸磷及对膜污染的控制。试验结果表明：对COD、总氮、总磷的平均去除率分别为93%、67.4%和94.1%。在传统好氧MBR的基础上，结合厌氧/缺氧/好氧(AVO)工艺开发了复合式A2/0膜生物反应器，并对其处理小区生活污水中的氮、磷等污染物的特性进行了研究。试验表明：在各自合适的条件下复合式Az/O膜生物反应器可保证COD的平均去除率达到90.17%，NH3-N的平均去除率可达到92.32%.总氮的平均去除率可达到72%，而总磷的平均去除率达到71.23%。肖景霓等对比了A/O及A2/O两种运行模式序批式膜生物反应器(SBMBR)对模拟生活污水同时脱氮除磷的性能。结果表明，2种运行模式的SBMBR对有机物及氨氮的去除率分别可保持在90%和95%以上。A2/0SBMBR具有更强的释磷能力，其SPRR30(前30min比释磷速率)比A/OSBMBR高出47.5%；但SPUR加(前30min比吸磷速率)却比AOSBMBR低，这是导致前者膜出水中TP值较后者高的原因之一。2个系统内污泥均有反硝化除磷能力，A2/OSBMBR中DPAO(反硝化聚磷菌)的比例比A/OSBMBR提高了57%.硝酸盐为电子受体时单位电子转移所吸收的磷，前者比后者高30%。
这2个因素双重作用的结果导致了A2/OSBMBR反硝化除磷能力的提高。A2/OSBMBR系统曝气时间减半并没有加重膜污染。反而该系统的膜污染相对较轻。膜对有机物有较好的过滤截留作用。污泥沉降性能对SBMBR出水水质影响很小。李旭东等采用间歇曝气MBR对低碳高氮磷型城市生活污水进行了处理研究。结果表明，可去除90%以上的COD、接近100%的氨氮和80%以上的总氮，但系统对磷基本无去除能力。系统内硝化作用完成得快速且充分.而反硝化作用则是总氮去除的限制性步骤。
1.3膜生物反应器除磷的研究
MBR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，一般都是采用A/O和SBR的形式.而且多数是和脱氮联用，A/O膜法由于其易严格控制的厌氧/好氧环境.因此是研究得比较多的一种工艺。
BorisLesjean等采用在上流式厌氧固定床后的好氧反应器里面放置微滤膜的形式.获得了对氮和磷各自94%以上的去除率。CastilloP.A.等采用MBR处理含磷废水。在有机负荷率为159mg/(cm•d)的条件下，磷(PO43一一P)的去除率达72%。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25d的情况下，依然取得了对TP97%以上的去除率，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.TP平均去除率为99%，TN平均去除率为94%。唐艳等采用SBMBR强化除磷效果，在全泥龄运行模式下.TP的去除率达到96.4%，其中进水COD与TP的质量比是该工艺的强化除磷的关键因素。何圣兵利用厌氧反应器与MBR组合工艺用于处理生活污水.研究表明，在低有机负荷的条件下，污泥释磷的速率随有机负荷的升高而增加，但当有机负荷超过一临界数值0.12g[SCOD]/g[MISS]后，有机负荷不再是限制释磷菌厌氧释磷的限制性因素.该工艺对COD和TP的去除率分别是92.50%和84.25%。李绍峰等研究证实存在反硝化聚磷菌.且反硝化除磷的效率在40%80%，还指出高浓度硝酸盐存在不利于厌氧释磷或好氧吸磷。肖景霓等在SBMBR工艺中对以硝酸盐作为电子受体的反硝化聚磷菌的富集进行研究，证明经过厌氧一好氧和厌氧一缺氧一好氧2个阶段的富集，反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的比例从l9.4%上升到69.6%，每周期缺氧段投加硝酸盐氮120mg时，SBMBR系统运行最为稳定.缺氧段脱氮和除磷效率分别达到100%和84%.膜出水总磷的质量浓度平均低于0.5mg/L，系统除磷率达到96.1%。张冰等E38]提出了一种改进型A2/O脱氮除磷工艺(MAAO)。通过工艺试验和活性污泥2D模型对其进行运行和设计优化。结果表明.脱氮除磷效果均较好，可分别达到70%和9O%以上。基于试验结果建立的MAAO工艺数学模型仿真效果良好，可对各单元组合进行优化。
目前除磷机理还不很清楚.因此膜生物反应器除磷工艺中的一些现象还没有得到圆满的解释。比如，在A/O形式的MBR中.好氧池回流污泥携带的硝酸盐是不利于厌氧环境的形成.但Ueda等的研究中，A/O工艺仍取得了74%的磷的去除。KubinK等的研究中。一体式MBR对磷有4O%的去除，通过质量衡算发现，如果微生物对磷的合成利用是唯一机制的话，那么生物质组成的20%应该是磷。因此，除磷机理的探讨对MBR除磷工艺的开发有重要意义。
2膜生物反应器脱氮除磷技术的发展方向
MBR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。与传统工艺相比。膜生物反应器脱氮除磷工艺还不成熟。需要在工艺设计方法、系统性能的提高、系统稳定性及较广泛的适用性、降低系统造价及运行费用等方面做进一步的研究，才有望得到实际应用。应用膜技术对传统活性污泥污水处理厂进行改建是一种结合现有设施与新工艺的较为经济的方法，可增加原有系统的处理能力并提高对有机物及氮磷的去除。目前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)研究膜反应器内自然形成的降解有机物和脱氮除磷的优势菌，有助于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，应结合膜生物反应器的特点.引入多相分离器将反应区和膜分离区有机结合.开发一体化间歇曝气膜生物反应器(IMBR)并用于污水深度处理.以期达到直接回用的目的。
(3)MBR脱氮除磷工艺是一种新型的脱氮除磷工艺，但与传统的脱氮除磷工艺相比，MBR脱氮除磷工艺的研究还不是很成熟。很难同时达到脱氮除磷最佳状态.在工艺设计上没有系统的方法。而反硝化除磷菌则可以很好地解决脱氮除磷效率难以同时达到的矛盾。但是这方面的研究还不成熟，需要在工艺设计、系统性能的提高以及运行稳定性等方面做进一步的研究.才能在实际中广泛应用。
(4)由生物脱氮除磷机理可知，生物脱氮除磷均需要缺(厌)氧、好氧相交替的环境。尽管由于膜的高效泥水分离作用，好氧式MBR内的污泥浓度一般较高，在一定的曝气条件下，也可以使菌胶团形成表面好氧、内部缺氧甚至厌氧的微环境，但是提供的缺(厌)氧环境不充分，而如果采用间歇曝气的工作方式，就能使得MBR在单一反应器内具备高效的氮、磷去除能力成为可能。因此，开发好氧和间歇运行的工艺尤为重要。
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