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第49卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.49 No.8Aug.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT填料对膜生物反应器处理高氨氮废水的影响填料对膜生物反应器处理高氨氮废水的影响王颖楠1，郁金星1，刘克成1，范辉2，魏伟3，沈瀚3（1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄 050022；2.国网河北省电力有限公司，河北 石家庄 050023；3.天津伊唯信科技有限公司，天津 300392）摘摘 要要:变电站高氨氮含量废水环境危害大，是水处理领域亟待解决的问题。在缺氧-好氧管式膜膜生物反应器建立短程硝化反硝化过程处理高氨氮含量废水，系统考察了膜生物反应器中聚氨酯填料投加的强化脱氮效果及对膜污染的控制。结果表明：填料可以提高好氧池生物量，改善硝化过程，并通过填料内部的厌氧微环境实现同步硝化反硝化。在填料填充10%、回流比200%时，氨氮和总氮去除率达到92%和68%，同步硝化反硝化对总氮去除贡献约10%，膜清洗间隔可延长至11 d。关键词关键词:生物脱氮;短程硝化反硝化;同步硝化反硝化;聚氨酯填料;膜生物反应器开放科学开放科学（资源服务资源服务）标识码标识码（OSID）:中图分类号中图分类号:TQ028.8 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)08-0137-004随着社会用电需求的不断增加，变电站数量逐年增加，国家环保政策对变电站水保监管也日趋严格。然而多数变电站处于城市边缘地区，无污水管网覆盖，废水处理方式粗放，难以达到国家当前政策要求。变电站废水主要特点为氨氮含量高，不经妥善处理排放至环境，会对生态系统及人类健康造成极大危害1。氨氮的氧化会消耗大量溶解氧，导致水体氧含量迅速降低，是黑臭水体形成的重要诱因。氨氮的氧化产物亚硝酸盐与水中胺类物质反应产生具有强致癌性的亚硝胺。此外，氮作为植物营养元素，会引起水体富营养化，加速水生态系统退化。高氨氮含量废水处理重点在脱氮，常用的方法有空气吹脱法2、鸟粪石沉淀法3、折点加氯法4、生物法5等。其中，生物脱氮法应用最为广泛，近年来在理论和技术上取得新的突破6-8。经典的生物脱氮法利用自养型氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌实现氨氮向硝态氮的转化，并利用异养型反硝化细菌将硝态氮还原为氮气，实现脱氮。传统的缺氧-好氧工艺技术成熟，具有较强的生物脱氮能力，但实际运行时需要注意对世代周期长的硝化细菌的富集、碳源和碱度平衡等问题9。与全程硝化反硝化相比，通过溶解氧等参数将硝化控制在生成亚硝酸盐阶段的短程硝化反硝化可以减少对曝气量和碳源的需求，从而控制运行成本10。本文针对变电站高氨氮含量废水脱氮开发了缺氧-好氧管式膜膜生物反应器，利用膜生物反应器水力停留时间和污泥停留时间完全分离的特点实现硝化细菌的有效富集，建立短程硝化反硝化脱氮过程，系统探讨了管式膜膜生物反应器中填料投加对脱氮过程影响及膜污染控制效果，为实现变电站废水零排放及资源化综合利用提供技术手段。1 实验部分实验部分1.1实验装置及运行实验装置及运行实验装置由缺氧池和好氧池串联而成（图1），有效容积均为7 L。好氧池中安装自制内压式管式膜组件，含4根膜管，总有效过滤面积0.018 m2。膜管为PVDF材质，管内径12 mm、平均孔径0.1 m。实验所用填料为25 mm25 mm25 mm的聚氨酯立方体。系统进水、出水、回流液均由蠕动泵控制。缺氧池和好氧池中接种天津纪庄子污水处理厂二沉池回流污泥，接种量约5 g/L。实验用水为模拟DOI:10.16796/ki.10003770.2023.08.026收稿日期：2022-11-11基金项目：国网河北省电力公司项目变电站废水零排放及资源化综合利用技术研究与应用（kj2022-027）作者简介：王颖楠（1995），女，工程师，研究方向为废水处理分析及资源化利用；电子邮件：137第 49 卷 第 8 期水处理技术水处理技术高氨氮含量废水，由乙酸钠、氯化钠、硫酸铵和碳酸氢钠配制，化学需氧量（COD）为1 2001 600 mg/L，NH3-N 为 800950 mg/L，碱度约 2 000 mg/L（以碳酸钙计）。系统处理量为16 L/（m2 h），缺氧池和好氧池的水力停留时间（HRT）均为 24 h，回流量为200%，好氧池溶解氧（DO）控制在12 mg/L。通过降低HRT逐步提升系统运行负荷，完成反应器启动。出水水质稳定后在好氧池中加入填料，分别考察填料填充5%和10%（体积比）对运行效果的影响。1.2分析方法分析方法COD采用HACH快速消解法；NH3-N采用纳氏试剂法；NO2-N和NO3-N分别采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法和紫外分光光度法测定；总氮（TN）采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法。2 结果与讨论结果与讨论2.1填料的挂膜效果填料的挂膜效果实验选用的聚氨酯填料比表面积大，挂膜速度快，投入好氧池4 d后填料上生物量达到30 mg/cm3左右，10 d左右稳定在3540 mg/cm3（见图2）。聚氨酯填料的扫描电子显微镜也显示在填料加入反应器10 d后表面形成较厚的生物膜，表明挂膜成功（见图3）。2.2COD的去除的去除随着好氧池填料填充量的增加，COD去除率小幅升高（图 4）。当填料填充为 0%、5%和 10%时，COD 去除率分别达到 90%、91%和 94%，最终出水COD维持在80 mg/L左右。填料量的增加会提高好氧池微生物量，有利于系统运行效果的改善和抗冲击负荷的提高11。但需要注意的是，缺氧池和好氧池的COD差异并不明显，这一方面是由于配水中使用的乙酸钠可生化性强，在缺氧池中就已经被充分分解利用；另一方面好氧池生物量的增加会强化硝化反应，使得更多的硝态氮回流至缺氧池中发生反硝化反应，消耗更多的有机物，从而提高了缺氧池的COD去除效果。2.3NH3-N的去除的去除与无填料相比，填料填充 5%对系统 NH3-N 去除并不会产生明显的影响，去除率约为 82%（见图5）。当填料填充进一步增加至10%时，NH3-N去除率显著上升，达到 92%，出水 NH3-N质量浓度降至原水箱进水泵缺氧池好氧池搅拌器液体流量计回流泵出水泵真空压力表产水箱气泵聚氨酯填料管式膜组件 图1缺氧-好氧管式膜膜生物反应器工艺流程Fig.1Diagram of the anoxic-aerobic tubular membrane bioreactor0246810121416010203040填料上生物量/(mgcm-3)时间/d 图2填料上生物量随时间的变化Fig.2Profile of biomass in fillers with time图5填料填充对NH3-N去除的影响Fig.5Effect of filler volume on NH3-N removal图3填料刮膜前后的扫描电镜照片Fig.3SEM images of the fillers before and after the biofilm formation0102030405060020040060080010001200140016001800COD/(mgL-1)运行时间/d去除率/%进水 缺氧区出水 好氧区出水0102030405060708090100填料填充10%填料填充5%无填料 去除率 图4填料填充率对COD去除的影响Fig.4Effect of filler volume on COD removal138王颖楠等，填料对膜生物反应器处理高氨氮废水的影响70 mg/L。填料的加入使世代周期较长的硝化细菌得到有效富集，提高了 NH3-N的氧化效率，也为进一步脱氮提供了条件12。2.4硝态氮转化硝态氮转化由于好氧池在DO质量浓度12 mg/L条件下运行，其中NO2-N质量浓度始终远高于NO3-N质量浓度，NO2-N积累率高于80%，表明短程硝化在氨氮硝化过程中占绝对主导（图6）。投加填料后，出水中NO3-N质量浓度变化不显著，始终稳定在30 mg/L，而NO2-N质量浓度显著降低。当填料填充5%时，好氧池NO2-N质量浓度由230 mg/L下降至170 mg/L。继续添加填料至 10%，好氧池 NO2-N 不再继续降低。微生物的挂膜成功使填料内部产生局部厌氧微环境，强化了同步硝化反硝化作用，导致好氧池NO2-N质量浓度在加入填料后有所下降。好氧池的pH也随填料的加入由7.0上升至8.0，碱度增加也证实了好氧池中同步硝化反硝化现象的存在。2.5TN的去除的去除在未投加填料时，系统TN去除率在53%。投加填料后TN去除率有所提高（图7）。特别是当填料填充10%时，TN平均去除率高达68%左右，接近回流率200%时的理论限制。填料使用对TN去除的改善主要归因与硝化反应和同步硝化反硝化反应强化。在无填料的系统中，好氧池TN浓度与缺氧池基本相同，表明同步硝化反硝化在好氧池中十分微弱。而当填料填充10%时，好氧池中TN质量浓度比缺氧池低31.7 mg/L，同步硝化反硝化对TN去除的贡献显著提升。以式（1）和（2）量化缺氧池和好氧池对TN去除的贡献及填料投加的影响（忽略微生物同化作用）。PAn=TN in+R TN eff-()1+RTN AnTN in-TN eff 100%（1）POx=()1+R()TN An-TN effTN in-TN eff 100%（2）式中，PAn和POx分别为缺氧池和好氧池的TN去除贡献率，100%；TNin、TNeff、TNAn为进水、出水和缺氧池中的TN浓度，mg/L；R为回流比。由图8可知，缺氧池中经由NO2-N发生的短程反硝化和和经由NO3-N发生的全程反硝化对系统TN去除贡献最大。而好氧池中的同步硝化反硝化对于总氮去除的贡献随填料投加量增加而逐步增加。当填料填充10%时，其贡献比例约占10%。通过在好氧池中投加填料，可以在减少回流比的情况下维持TN的高效去除，从而实现系统运行成本的降低。2.6膜污染膜污染图9为单过滤周期下管式膜过滤跨膜压差随时间得变化。由于管式膜跨膜压差达到30 kPa后，很难保证系统恒通量稳定运行。因此跨膜压差上升至30 KPa后即取出管式膜进行异位清洗。填料的投加显著减缓了膜污染的进程，使单周期运行时间由无填料时的6 d提高到填料填充10%时的11 d。在膜生物反应器中，微生物在膜面积累形成的滤饼层是造成膜污染的关键13。投加填料后，反应器中原本游离的微生物附着在填料上并继续生长，提高生物量的同时又有效减少了游离微生物量，降低了膜面的污染负荷，起到缓解膜污染的作用。图6填料填充对NO2-N和NO3-N的影响Fig.6Effect of filler volume on NO2-N and NO3-N020406080100TN去除贡献率/%缺氧池 好氧池05%10%填料填充 图8缺氧池和好氧池对TN去除贡献Fig.8TN removal proportion in the anoxic and aerobic tanks.图7填料填充对TN去除的影响Fig.7Effect of filler volume on TN removal139第 49 卷 第 8 期水处理技术水处理技术3 结结 论论构建了缺氧-好氧管式膜膜生物反应器用于处理高氨氮含量废水，系统考察管式膜膜生物反应器中填料投加量对运行效果的影响，得到如下结论：1）投加填料可以提高好氧池生物量，改善硝化过程，并通过填料内部的厌氧微环境实现同步硝化反硝化。2）随着填料投加量的增加，系统 NH3-N 和 TN去除率显著提升。在填料填充 10%、回流比 200%时，NH3-N和TN的去除率达到92%和68%。3）好氧池中NO2-N积累率高于80%，缺氧池中的短程反硝化对TN去除贡献最大，而同步硝化反硝化在填料填充10%时对TN去除贡献约10%。4）填料的使用不仅提高了缺氧-好氧管式膜膜生物反应器对高氨氮含量废水的处理效果，也有效减缓膜污染，减少清洗频率。参考文献：1AHN Y H.Sustainable nitrogen elimination biotechnologies:A reviewJ.Process Biochemistry,2006,41(8):1709-1721.2高涛,胡兆吉.高氨氮含量废水组合吹脱处理工艺实验研究J.水处理技术,2022,48(2):44-48.3唐登勇,张聪,徐建强,等.鸟粪石沉淀法预处理中等浓度氨氮废水研究J.应用化工,2018,47(2):258-261+270.4费明明,沈亮,陆丹红,等.折点加氯对微污染原水中氨氮去除效果的研究J.给水排水,2016,52(9):13-17.5WANG L,XU J M,MA S 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comprehensively investigated.The results indicated that not only did the fillers increase the biomass in the aerobic tank and improve the nitrification,but also realized simultaneous nitrification and denitrification due to the anaerobic microenvironment inside the fillers.The removal of ammonia nitrogen and total nitrogen was 92%and 68%when the filler volume was 10%of the reactor volume and the reflux ratio was 200%.Simultaneous nitrification and denitrification accounted for 10%of the total nitrogen removal,and the single filtration period of the membrane extended to 11 days.Keywords:biological nitrogen removal;shortcut nitrification and denitrification;simultaneous nitrification and denitrification;polyurethane filler;membrane bioreactor图9填料填充对膜污染的影响Fig.9Effect of filler volume on membrane fouling140