间歇曝气下膜生物反应器的脱氮效果与污泥特性研究

李晓阳

（山东省鄄城县环境保护局环境监测站，山东鄄城274600）

间歇曝气下膜生物反应器的脱氮效果与污泥特性研究

李晓阳

（山东省鄄城县环境保护局环境监测站，山东鄄城274600）

膜生物反应器（MBR）是一种新兴的污水高效处理工艺，其脱氮效能优化和污泥特性也是相关研究热点之一。研究采用间歇曝气的运行方式提高一体式MBR的脱氮效率，并考察了不同工况下活性污泥浓度及脱氮酶活性，结果表明，间歇曝气有效地强化了MBR的反硝化作用，显著地增强了其脱氮效能，而NH4+-N及COD的去除几乎未受影响；活性污泥浓度增长缓慢平稳，脱氢酶活性因污泥龄的延长有小幅下降，间歇曝气未显著影响污泥特性。

膜生物反应器（MBR）；间歇曝气；脱氮；污泥特性

将膜组件与活性污泥反应器结合的膜生物反应器（MBR）用于污水处理，具有处理效率高、占地面积小、出水水质好、抗冲击负荷能力强、污泥产量低、易于管理等优点，将其用于污水脱氮引发了诸多研究者的关注［1-2］。MBR通过曝气以提供微生物除污所需氧气并延缓膜污染，因此系统处于持续好氧状态，不利于反硝化的进行。间歇曝气的运行方式可将序批式反应器在污水处理中适宜的时间分配的优点与膜组件优良的泥水分离特性相结合，形成交替的缺氧/好氧环境，使得硝化和反硝化作用可在同一个反应器内进行，可达到同时去除有机物和脱氮的目的［3］。它无需内循环装置，节约补充碱度的药剂投加量，在控制曝气阶段溶解氧浓度及较高的污泥浓度下，能提高系统的反硝化作用等优点［4］。研究以一体式膜生物反应器（SMBR）为实验对象，对间歇曝气前后4种运行条件下系统对污染物的去除效果及活性污泥的浓度、脱氢酶活性变化进行了分析和对比，以期为SMBR的应用提供理论及实践依据。

1　材料与方法

1.1试验装置

试验所用SMBR小试系统装置如图1所示。

行箱膜组件反应器为长方体有机玻璃容器，工作容积为24 L。膜组件为聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维帘式膜，膜面积0.2 m2。膜出水采用真空蠕动泵抽吸。在停止曝气阶段启动搅拌装置，保证泥水充分接触。抽吸泵、曝气泵及搅拌装置的开闭均由时间继电器控制。

图1　SMBR小试装置

1.2工况条件

试验采用4种不同的运行工况条件（如表1）。SMBR的水力停留时间（HRT）为10 h。曝气量为4 L/h。

表1　不同的工况运行条件

试验进水为生活污水+人工配水，其水质如表2所示。污泥取自某污水处理厂曝气池，实验前经过30 d的驯化培养。试验过程中除取污泥样进行分析外，未进行排泥。

表2　进水水质

1.3分析方法

混合出水收集在20 L的玻璃缸中。DO，pH值，温度采用Orion多参数在线检测仪进行测定，COD，TN，NH4+-N，NO3--N、污泥浓度MLSS和MLVSS，依照国家标准方法进行测定［5］。

活性污泥脱氢酶活性测定方法如下［6］：取一定体积新鲜污泥于带塞试管中，用蒸馏水洗涤3次后，加入0.1 mol/L葡萄糖，Tris-HCl缓冲液，0.5%TTC各1 mL，于37℃恒温振荡培养箱中培养1 h后，加入0.5 mL甲醛终止反应，加入80%丙酮5 mL，振摇并离心，取上清液在492 nm处测定吸光度。根据污泥浓度换算出单位质量污泥1 h产生的ugTF量为一个酶活单位。

2　结果及讨论

2.1对污染物的去除效果

不同工况条件下SMBR系统对TN，COD，NH4+-N的去除效果及出水中NO3-浓度的变化如图2所示。

由图2可见，工况1下，SMBR对有机物的去除效能及硝化性能良好，但对TN的去除率仅为26.2%，出水中的NO3--N浓度高达20.4 mg/L，说明反硝化是系统脱氮的限制性步骤。

采用间歇曝气的运行方式后，工况2，3，4下SMBR对TN的去除率分别为59.5%，70.7%和66.8%，出水中NO3--N浓度分别为11.0 mg/L，7.5 mg/L和8.0 mg/L。系统反硝化作用得到增强，同时其硝化作用及对有机物的去除效能未受到影响。

由此可知，间歇曝气能有效地提高SMBR对TN的去除效果，降低出水中的NO3--N浓度，且对系统去除COD及NH4+-N的效能影响较小，这与Hasar等［7］的结论相似。本试验条件下合适的停曝/曝气时间为75/60 min。

图2　不同工况下SMBR对TN，COD，NH4+-N的平均去除率及出水中NO3--N的平均浓度（n=18）

2.2活性污泥浓度变化

如图3所示，各工况条件下，SMBR内污泥浓度增长缓慢，污泥产量较低。这表明MBR低污泥产量的优点未受到间歇曝气的明显影响。整个试验期间，MLVSS/MLSS的变化很小，平均为70%，表明无机惰性物质在系统中的累积很少。这可能是由于进水中的无机物质较少，且其中一部分无机物质能被增殖缓慢的细菌所降解［8］。

图3　不同工况下活性污泥浓度变化

2.3活性污泥脱氢酶活性变化

由图4可知，污泥脱氢酶活性随运行时间延长逐渐降低，这种降低趋势在连续曝气时即已出现。作为表征全体微生物活性的生物标志物，污泥脱氢酶活性会随着污泥龄的延长而呈下降趋势，这与长污泥龄下底物及氧气在污泥颗粒间的转移受到阻碍及系统内积累了过多的细胞内源产物有关。细胞产物还会增加混合液黏度，包裹或粘附在污泥絮体上，使细菌处于以内源呼吸维持其基本生理需要的“能量维持”状态，导致污泥的脱氢酶活性下降［9］。

图4　活性污泥脱氢酶活性变化

3　结论

（1）间歇曝气能有效地强化SMBR的反硝化作用，提高其脱氮效能，且对COD和NH4+-N的去除效能没有明显影响。

（2）间歇曝气未对SMBR的污泥产率产生显著影响，污泥产量随运行时间增长缓慢。由于污泥龄的不断增大，污泥脱氢酶活性对运行时间延长而逐渐下降。

［1］顾国维，何义亮.膜生物反应器——在污水处理中的研究和应用［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［2］Chae S R，Kang S T，Watanabe Y，et al.Development of an innovativevertical submerged membranebioreactor（VSMBR）for simultaneous removal oforganic matter and nutrients［J］.water research，2006，40：2 161-2 167.

［3］Lim B S，Choi B C，Yu S W，et al.Effects of operational parametersonaerationon/offtimeinanintermittent aeration membrane bioreactor［J］.Desalination，2007，202：77-82.

［4］Yeom I-T，Nah Y-M，Ahn K-H.Treatment of household wastewaterusinganintermittentlyaeratedmembrane bioreactor［J］.Desalination，1999，124：193-204.

［5］国家环保总局.水和废水监测分析方法第四版［M］.北京：中国环境科学出版社，2003.

［6］周恢，左永生，赵怀颖，等.MBR中污泥脱氢酶活性测定方法的改进［J］.中国环保产业，2006（12）：31-33.

［7］Hasar H，Klnacl C，Unlü A，et al.Role of intermittent aeration in domestic wastewater treatment by submerged membrane activated sludge system［J］.Desalination，2001，142：287-293.

［8］欧阳科，刘俊新.不排泥运行条件下膜生物反应器污泥活性的研究［J］.给水排水，2008，34（7）：46-51.

［9］Han S-S，Bae T-H，Jang G-G.Influence of sludge retention time on membrane fouling and bioactivities in membrane bioreactor system［J］.Process Biochemistry，2005，40：2 393-2 400.

Research on the nitrogen removal efficiency and sludge characteristics of membrane bioreactor under intermittent aeration

LI Xiaoyang
（Environmental Monitoring Station，Juancheng Environmental Protection Bureau，Juancheng 274600，China）

Membrane bioreactor（MBR）is an emerging technology for efficient wastewater treatment，and its optimization for nitrogen removal and sludge characteristics is one of the research hotspots.Intermittent aeration was used to improve the nitrogen removal efficiency of the MBR，and the activated sludge concentration and dehydrogenase activity under different conditions were investigated.The results showed that intermittent aeration effectively reinforced the denitrification of the MBR，and enhanced its nitrogen removal significantly，while the removals of NH4+-N and COD were almost not influenced.The concentration of activated sludge increased slowly and stably，and dehydrogenase activity decreased slightly as the sludge retention time extended.Intermittent aeration did not affect the sludge characteristics of the MBR.

membrane bioreactor（MBR）；intermittent aeration；nitrogen removal；sludge characteristics

X703

A

1674-0912（2016）08-0042-03

2016－06－02）

李晓阳（1984－），男，宁夏人，学士，助理工程师，研究方向：循环经济、水污染控制。