膜生物反應器脫氮除磷新技術
隨著經濟的快速發展，水環境污染和水體富營養化問題日益嚴重。常規活性污泥工藝對總氮、總磷的去除率僅在l0%～30%，遠不能達到國家排放標準。這樣的m水排放，仍然會引起受納水體的富臂養化。因此.研究開發高效、經濟的生物脫氮除磷T藝已成為當前水污染控制領域的研究重點和熱點。
膜生物反應器(MBR)是近年新開發的污水處理與剛用技術。該技術是將膜分離技術與傳統污水生物處理技術有機結合而產生的廢水處理新工藝.其產生和發展是這兩類知識應用和發展的必然結果。由于MBR技術具有諸多傳統污水處理工藝無法比擬的優點，因此在世界范圍內倍受關注。MBR中較高的污泥濃度為同步硝化反硝化提供必要的缺氧微環境，即MBR本身具有一定的脫氮除磷條件。
1.膜生物反應器脫氮除磷的研究進展
1.1膜生物反應器的發展
膜生物反應器最先用于微生物發酵工業。在廢水處理領域中的應用研究始于20世紀60年代的美
國。但當時由于受膜生產技術所限，膜的使用壽命短，水通透量小.使其在投人實際應用中遇到障礙。70年代后期.El本研究者根據本國國土狹小、地價高的特點對膜分離技術在廢水處理巾的應用進
行了大力開發和研究.使MBR開始走向實際應用。進入80年代后，國際上對MBR的研究更是方興未艾。日本建設省制訂了“Aquanaissance90”大型研究計劃.其內容主要包括新型膜材料的開發，膜分離裝置的研究等。法國、美國、澳大利亞等國對MBR的研究也投入了很大力量，使得研究內容更加全面而深入，為9O年代的進一步推廣應用奠定了技術基礎。現在MBR已成功地應用于水道污水、糞便污水、垃圾滲濾液等廢水的處理。
近年來隨著膜技術的飛速發展，日本、歐洲等膜制造技術發達的國家廣泛開展了MBR新工藝的研究。膜材質從早期的聚颯(ps)、聚丙烯腈(PAN)等超濾膜的使用發展到以聚烯烴(PE，PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)為主的微濾膜.日本膜專家通過長期的研究和實踐認為用于成分復雜的污水處理聚偏氟乙烯和聚烯烴有其優良的化學穩定性、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處理制藥廢水，研究結果表明，COD、TSS、TOC、NH-N均有較好的處理效果。P.T.Tri等使用MBR對亞洲國家的加油站廢水進行處理.研究出了一套裝置，該裝置對COD的去除率達到了99%，對石油類的去除率達到了95.2%，且系統運行穩定。使用兩段式MBR對食品廢水進行了處理，COD、BOD、TSS、NH一N、TP去除率分別達到98%、99.9%、100%、99.8%和100%，出水油脂的質量濃度小于15mg/L。
MBR在我國水處理方面的應用研究首先從分離式MBR開始。1991年，岑運華介紹了MBR在日本的研究狀況；1993年，上海華東理工大學環境工程研究所進行了MBR處理人工合成污水和制藥廢水的可行性研究。1995年，樊耀波。將MBR用于石油化工污水凈化的研究，研制出一套實驗室規模的好氧MBR.該系統對石油化工污水中COD、BOD、SS、濁度、石油類均有較高的去除率。自1994年始，汪誠文等、顧平等、李紅兵等先后對MBR處理生活污水并回用的可行性、操作運行條件、膜污染機理及控制對策進行了研究探討.證明了MBR處理生活污水并用于回用在技術上和經濟上都是可行的。2007年。李志東等將一體式MBR應用于屠宰廢水的研究上，該一體化裝置對各類污染物均有較高的去除率，并實現了自動化控制。近年來我國環保工作者將MBR應用于造紙廢水]、抗生素廢水、食品廢水、畜禽養殖廢水、垃圾滲透液等廢水處理。在這些研究基礎上.MBR在我國開始逐步走向應用并呈現出良好的應用前景。
1.2膜生物反應器脫氮的研究
同目前通用的生化脫氮工藝一樣，MBR脫氮在理論上并沒有什么根本差別。為了提高總氮去除率，在單一的好氧MBR的基礎上，開發了A/O、Az/O和SBR等形式的MBR，以獲取最佳的脫氮效果。張西旺等在一體式MBR前增設缺氧區和回流裝置的方法形成A/O運行方式處理高濃度氨氮廢水，在沒有增設缺氧區和回流裝置的情況下.進水NH3--N的質量濃度為100mg/L左右時總氮(TN)去除率只有60%，而在設置了缺氧區后。TN去除率曾經達到過96.O%。其原因就是缺氧區和回流設置后給反硝化菌提供了充足的有機物和反應場所.避免了由于硝酸鹽和亞硝酸鹽的積累對硝化反應的限制。
張捍民等研究指出.SBR運行的MBR能強化傳統膜生物脫氮性能，在進水C、N的質量比降至3.8～8-3，總氮負荷提高至O.22kg/(m•d)，總氮和氨氮去除率分別為67.6%和93.1%。MullerE.B.等[拍]和GunderB.等在好氧MBR里加生物載體填料，可取得對氨氮和TN很高的去除效果，由于反應器中高濃度的污泥有利于在污泥絮體中形成好氧區和厭氧區，而且，填料載體掛膜充分后，膜表面同樣也會形成立體的好氧/缺氧層遞層.客觀上為在同一個反應器中實現同步硝化反硝化創造了條件。試驗結果表明，在DO、pH值等因素控制得當的情況下，系統對氨氮和TN的平均去除率分別達到了93%和88。9%，比傳統的工藝效果要好。王仲旭等的研究也證明在好氧MBR里加入填料載體。能為硝化和反硝化創造良好的條件。該工藝氨氮和TN平均去除率分別高達100%和93.06%。袁麗梅等開發出一種交替式缺氧/厭氧膜生物反應器(AAAM)的脫氮除磷工藝。通過改變好氧區回流混合液的流向使缺氧和厭氧環境在2個單獨的反應器內交替形成.以實現同步缺氧反硝化、厭氧釋磷及反硝化聚磷菌的部分吸磷過程。中空纖維微濾膜置于好氧區。該區采用連續曝氣方式實現硝化、過量吸磷及對膜污染的控制。試驗結果表明：對COD、總氮、總磷的平均去除率分別為93%、67.4%和94.1%。在傳統好氧MBR的基礎上，結合厭氧/缺氧/好氧(AVO)工藝開發了復合式A2/0膜生物反應器，并對其處理小區生活污水中的氮、磷等污染物的特性進行了研究。試驗表明：在各自合適的條件下復合式Az/O膜生物反應器可保證COD的平均去除率達到90.17%，NH3-N的平均去除率可達到92.32%.總氮的平均去除率可達到72%，而總磷的平均去除率達到71.23%。肖景霓等對比了A/O及A2/O兩種運行模式序批式膜生物反應器(SBMBR)對模擬生活污水同時脫氮除磷的性能。結果表明，2種運行模式的SBMBR對有機物及氨氮的去除率分別可保持在90%和95%以上。A2/0SBMBR具有更強的釋磷能力，其SPRR30(前30min比釋磷速率)比A/OSBMBR高出47.5%；但SPUR加(前30min比吸磷速率)卻比AOSBMBR低，這是導致前者膜出水中TP值較后者高的原因之一。2個系統內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%.硝酸鹽為電子受體時單位電子轉移所吸收的磷，前者比后者高30%。
這2個因素雙重作用的結果導致了A2/OSBMBR反硝化除磷能力的提高。A2/OSBMBR系統曝氣時間減半并沒有加重膜污染。反而該系統的膜污染相對較輕。膜對有機物有較好的過濾截留作用。污泥沉降性能對SBMBR出水水質影響很小。李旭東等采用間歇曝氣MBR對低碳高氮磷型城市生活污水進行了處理研究。結果表明，可去除90%以上的COD、接近100%的氨氮和80%以上的總氮，但系統對磷基本無去除能力。系統內硝化作用完成得快速且充分.而反硝化作用則是總氮去除的限制性步驟。
1.3膜生物反應器除磷的研究
MBR去除磷的工藝與常規活性污泥法基本上相同，國內外對除磷工藝的研究不少，一般都是采用A/O和SBR的形式.而且多數是和脫氮聯用，A/O膜法由于其易嚴格控制的厭氧/好氧環境.因此是研究得比較多的一種工藝。
BorisLesjean等采用在上流式厭氧固定床后的好氧反應器里面放置微濾膜的形式.獲得了對氮和磷各自94%以上的去除率。CastilloP.A.等采用MBR處理含磷廢水。在有機負荷率為159mg/(cm•d)的條件下，磷(PO43一一P)的去除率達72%。由于除磷菌的世代時間較短，SRT是一個比較重要的參數，為了盡量避免SRT過長帶來的負面影響，于是有人在強化生物除磷工藝(EBPR)的好氧段旁邊放置膜組件，無論采用前置反硝化方式還是后置反硝化方式，都取得了令人滿意的除磷效果，在SRT為25d的情況下，依然取得了對TP97%以上的去除率，后置反硝化在運行良好時同樣曾經獲得了很好的TP和TN的去除效果.TP平均去除率為99%，TN平均去除率為94%。唐艷等采用SBMBR強化除磷效果，在全泥齡運行模式下.TP的去除率達到96.4%，其中進水COD與TP的質量比是該工藝的強化除磷的關鍵因素。何圣兵利用厭氧反應器與MBR組合工藝用于處理生活污水.研究表明，在低有機負荷的條件下，污泥釋磷的速率隨有機負荷的升高而增加，但當有機負荷超過一臨界數值0.12g[SCOD]/g[MISS]后，有機負荷不再是限制釋磷菌厭氧釋磷的限制性因素.該工藝對COD和TP的去除率分別是92.50%和84.25%。李紹峰等研究證實存在反硝化聚磷菌.且反硝化除磷的效率在40%80%，還指出高濃度硝酸鹽存在不利于厭氧釋磷或好氧吸磷。肖景霓等在SBMBR工藝中對以硝酸鹽作為電子受體的反硝化聚磷菌的富集進行研究，證明經過厭氧一好氧和厭氧一缺氧一好氧2個階段的富集，反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的比例從l9.4%上升到69.6%，每周期缺氧段投加硝酸鹽氮120mg時，SBMBR系統運行最為穩定.缺氧段脫氮和除磷效率分別達到100%和84%.膜出水總磷的質量濃度平均低于0.5mg/L，系統除磷率達到96.1%。張冰等E38]提出了一種改進型A2/O脫氮除磷工藝(MAAO)。通過工藝試驗和活性污泥2D模型對其進行運行和設計優化。結果表明.脫氮除磷效果均較好，可分別達到70%和9O%以上；谠囼灲Y果建立的MAAO工藝數學模型仿真效果良好，可對各單元組合進行優化。
目前除磷機理還不很清楚.因此膜生物反應器除磷工藝中的一些現象還沒有得到圓滿的解釋。比如，在A/O形式的MBR中.好氧池回流污泥攜帶的硝酸鹽是不利于厭氧環境的形成.但Ueda等的研究中，A/O工藝仍取得了74%的磷的去除。KubinK等的研究中。一體式MBR對磷有4O%的去除，通過質量衡算發現，如果微生物對磷的合成利用是唯一機制的話，那么生物質組成的20%應該是磷。因此，除磷機理的探討對MBR除磷工藝的開發有重要意義。
2膜生物反應器脫氮除磷技術的發展方向
MBR以其獨特的優點在廢水需要回用和占地有限制的場合具有獨到的優勢。與傳統工藝相比。膜生物反應器脫氮除磷工藝還不成熟。需要在工藝設計方法、系統性能的提高、系統穩定性及較廣泛的適用性、降低系統造價及運行費用等方面做進一步的研究，才有望得到實際應用。應用膜技術對傳統活性污泥污水處理廠進行改建是一種結合現有設施與新工藝的較為經濟的方法，可增加原有系統的處理能力并提高對有機物及氮磷的去除。目前MBR脫氮除磷的技術總體來說還不是很完善.工程應用經驗不太多.很多研究成果還只停留在實驗室階段。MBR處理目標一般是回用水標準，但單獨依靠生物法還是難以穩定達到回用水標準，生物脫氮除磷的效果一直都不是很好.在這方面將來研究的重點主要是以下幾點：
(1)研究膜反應器內自然形成的降解有機物和脫氮除磷的優勢菌，有助于根據不同處理要求篩選出高效而穩定的專性脫氮除磷菌種，從而研究出新型的高效脫氮除磷工藝。
(2)新型MBR脫氮除磷工藝和相關研究成果的示范工程及推廣。目前的MBR工藝基本上都是基于傳統的污水處理工藝上加膜而形成的MBR，應結合膜生物反應器的特點.引入多相分離器將反應區和膜分離區有機結合.開發一體化間歇曝氣膜生物反應器(IMBR)并用于污水深度處理.以期達到直接回用的目的。
(3)MBR脫氮除磷工藝是一種新型的脫氮除磷工藝，但與傳統的脫氮除磷工藝相比，MBR脫氮除磷工藝的研究還不是很成熟。很難同時達到脫氮除磷最佳狀態.在工藝設計上沒有系統的方法。而反硝化除磷菌則可以很好地解決脫氮除磷效率難以同時達到的矛盾。但是這方面的研究還不成熟，需要在工藝設計、系統性能的提高以及運行穩定性等方面做進一步的研究.才能在實際中廣泛應用。
(4)由生物脫氮除磷機理可知，生物脫氮除磷均需要缺(厭)氧、好氧相交替的環境。盡管由于膜的高效泥水分離作用，好氧式MBR內的污泥濃度一般較高，在一定的曝氣條件下，也可以使菌膠團形成表面好氧、內部缺氧甚至厭氧的微環境，但是提供的缺(厭)氧環境不充分，而如果采用間歇曝氣的工作方式，就能使得MBR在單一反應器內具備高效的氮、磷去除能力成為可能。因此，開發好氧和間歇運行的工藝尤為重要。
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