SBR反應(yīng)對焦化廢水中NH3-H作的去除研究
焦化廢水含有大量的有毒難降解物質(zhì)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(dá)到要求。膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor）是通過膜分離強(qiáng)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(zhì)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(dá)到要求。膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor）是通過膜分離強(qiáng)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(zhì)和微生物代謝產(chǎn)物也保留在反應(yīng)器內(nèi)，其中有些物質(zhì)可能對微生物生理活動產(chǎn)生一些影響，使得膜生物反應(yīng)器在NH3-N的去除中，具有不同于普通活性污泥法的性質(zhì)。本試驗(yàn)通過一年多的運(yùn)行，研究了在較長泥齡條件下，膜生物反應(yīng)器對焦化廢水中NH3-N的去除特點(diǎn)，并探討了NH3-N去除的影響因素。
2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法
2.1 試驗(yàn)裝置及材料
試驗(yàn)采用一體式膜生物反應(yīng)器進(jìn)行研究，試驗(yàn)裝置如圖1所示。反應(yīng)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。
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2.2 運(yùn)行條件
生物反應(yīng)器的運(yùn)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(yùn)行，運(yùn)行周期為24h，其中缺氧進(jìn)水6h，曝氣反應(yīng)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(yùn)行（9月2日～23日排水量減為8L），周期仍為24h，缺氧進(jìn)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(yàn)期間除分析少量取泥外，污泥增長緩慢，基本不排泥。經(jīng)核算，泥齡為600天。
2.3 膜組件運(yùn)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(shè)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(yùn)動，在膜表面產(chǎn)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(jìn)水清洗后，沖洗水返回反應(yīng)器內(nèi)，膜用出水浸泡。系統(tǒng)運(yùn)行一年多，未進(jìn)行化學(xué)清洗，運(yùn)行穩(wěn)定。
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 硝化效果的影響因素
運(yùn)行過程中，在保證溫度、pH、溶解氧的條件下，進(jìn)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(jìn)出水NH3-N變化見圖2。
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系統(tǒng)受到以下因素影響較大：
3.1.1 沖擊負(fù)荷的影響
由圖2分析，當(dāng)進(jìn)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(fù)荷甚至出現(xiàn)負(fù)值（這是因?yàn)楫愷B(yǎng)菌受沖擊負(fù)荷影響比硝化菌小，進(jìn)水中的有機(jī)氮繼續(xù)被異養(yǎng)菌轉(zhuǎn)化為NH3-N，從而使出水NH3-N高于進(jìn)水），需要經(jīng)過一段時間（5天以上）才能恢復(fù)。系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷的能力較差，主要由于反應(yīng)器內(nèi)微生物多數(shù)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(fù)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(guān)，圖3為進(jìn)水NH3-N為122mg/L左右時，出水NH3-N濃度與pH的關(guān)系。當(dāng)pH大于8.1時，出水NH3-N才能降至10mg/L。同時，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)進(jìn)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(fù)，硝化效果很快恢復(fù)正常。
A 表1 進(jìn)出水NH3-N和出水pH值
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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(xì)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(fù)；當(dāng)溫度持續(xù)低于20℃，亞硝酸鹽細(xì)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(yùn)行初期，進(jìn)水NH3-N240mg/L左右，在未受到?jīng)_擊負(fù)荷和溫度、pH的影響時，NH3-N去除率為99%以上，產(chǎn)物主要為NO3--N，硝化效果良好；運(yùn)行300天以后，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水NH3-N為120mg/L時，出水已經(jīng)為1Omg/L左右了，而且出水主要為NO2--N。
分析原因是因?yàn)榇x產(chǎn)物大部分為高分子物質(zhì)，不能透過膜隨出水排掉；同時，由于泥齡很長，相應(yīng)的每天排泥量很少，也無法隨排泥排出。運(yùn)行初期代謝產(chǎn)物的積累還比較少，隨著運(yùn)行時間的增加在反應(yīng)器內(nèi)逐漸積累。當(dāng)積累到一定程度，就對硝化產(chǎn)生抑制、由于硝酸鹽細(xì)菌對環(huán)境比亞硝酸鹽細(xì)菌敏感，硝酸鹽細(xì)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(xì)菌也受到了影響。
3.2 膜生物反應(yīng)器的硝化特性
由本試驗(yàn)結(jié)果分析，由于采用了膜生物反應(yīng)器，系統(tǒng)的硝化具有以下幾方面的特點(diǎn)：
3.2.1 強(qiáng)化對NH3-N的去除效果
反應(yīng)器運(yùn)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(fù)荷最高可達(dá)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(zhì)的A/A/O工藝，當(dāng)進(jìn)水NH3-N容積負(fù)荷小于0.1kg/(m3·d)時，出水NH3-N才小于10mg/L，容積負(fù)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(yīng)器可以達(dá)到很好的NH3-N去除效果的原因是由于：
（1）反應(yīng)器內(nèi)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(jìn)行；
（2）膜生物反應(yīng)器內(nèi)微生物絮體較活性污泥法細(xì)碎。污泥呈分散生長，有利于氧的傳質(zhì)；
（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(yīng)器內(nèi)富集成為優(yōu)勢菌種，使NH3-N的轉(zhuǎn)化更為徹底。
3.2.2 抑制硝酸鹽細(xì)菌活性
反應(yīng)器運(yùn)行初期，未受到溫度的影響時，進(jìn)水NH3-N基本完全轉(zhuǎn)化為NO3--N，無NO2--N的積累。經(jīng)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(nèi)降至1mg/L以下，主要轉(zhuǎn)化產(chǎn)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(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)行。
4．結(jié)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(xì)菌，使NO2--N積累，但NH3-N去除率未受大的影響；當(dāng)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(jìn)水NH3-N濃度有關(guān)，隨進(jìn)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(chǎn)物的影響和適宜條件下，以NH3-N去除計算的容積負(fù)荷最高可達(dá)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(chǎn)物和其他大分于物質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)積累，抑制硝酸鹽細(xì)菌活性，引起NO2-N的積累，有利于短程脫氮的進(jìn)行。但最終也會影響硝酸鹽細(xì)菌的活性，影響系統(tǒng)的硝化效果。
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