ISSN 100020054CN 1122223 N 
清华大学学报(自然科学版)J T singhua U niv (Sci &Tech ),2008年第48卷第9期
2008,V o l .48,N o .922 38
147221474,1478
脱氮除磷膜-生物反应器的除磷效果及特性
张志超,　黄　霞,　肖　康,　李海滔,　赵晓靓,　沙　恒,　张宇宁
(清华大学环境科学与工程系，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084)
收稿日期:2007208218
基金项目：国家“八六三”高技术项目(2005AA 601030)作者简介：张志超(1979—)，男(汉)，辽宁，博士研究生。通讯联系人：黄霞，教授,E 2m ail :xhuang @tsinghua .edu
摘　要：为了研究在脱氮除磷膜-生物反应器中的除磷效果及特性，主要考察了反应器处理生活污水过程对总磷的稳定去除效果，以及生物生长除磷、反硝化聚磷、好氧聚磷、膜截留除磷等不同除磷途径对除磷的
贡献。试验结果表明，该工艺取得了较好且稳定的除磷效果，总磷的平均去除率为
92.0%。在脱氮除磷膜-生物反应器中，缺氧区发生的反硝
化聚磷占到了生物聚磷总量的34.0%～38.6%，反硝化聚磷得到了强化。此外，膜本身对胶体形态磷有一定的截留作用，对进一步降低出水磷浓度起到了一定作用。关键词：生物脱氮除磷；膜-生物反应器；反硝化除磷中图分类号:X 703.1
文献标识码:A
文章编号:100020054(2008)0921472203
Enhanced phosphorus rem ova l i n b iolog ica l
n itrogen and phosphorus rem ova l process
usi ng m em brane b ioreactor
ZH ANG Zhicha o ,HUANG Xia ,XI A O Ka ng ,L I Ha ita o ,
ZHAO Xia o jing ,S H A He ng ,ZHANG Yuning
(ESPC State Key Joi n t Laboratory ,D epart men t of Environmen tal
Sc ience and Engi neer i ng ,Tsi nghua Un iversity ,
Be ij i ng 100084,Ch i na )
Abstract :
In o rder to study the effect and characteristics of
pho spho rus removal in bi o logical nitrogen and pho spho rus removal p rocess using m em brane bi o reacto r,th is paper investigates the removal efficiency of to tal pho spho rus (T P ),and discusses the contributi ons of bi o logical grow th pho spho rus removal,denitrifying pho spho rus removal,aerobic pho spho rus removal,and m em brane filtrati on pho spho rus removal .T he results show that the average removal efficiency of T P is 92.0%.
T he pho spho rus removal
m echanis m in th is p rocess is different from that in the conventi onal bi o logical pho spho rus removal p rocess in w hich aerobic pho spho rus up take p lays the mo st i m po rtant ro le .In the p rocess,denitrifying
pho spho rus removal is enhanced and contributed by 34.0%-
38.
6%in the to tal pho spho rus removal .
In additi on,m em brane can
reject a po rti on of co llo idal pho spho rus,leading to a further decrease of to tal pho spho rus concentrati on in m em brane bi o reacto r per m eate .Key words :bi o logical nitrogen and pho spho rus removal;m em brane
bi o reacto r;denitrifying pho spho rus removal
污水中的氮和磷是造成水体富营养化的主要物
质，其中磷被认为是其主要限制因素。氮磷的有效去除对污水处理工艺提出了新的挑战。作为新型污水处理技术之一的膜-生物反应器(m em b rane b i o reacto r ,M BR )，其对化学需氧量(COD )的高效
稳定去除已得到广泛的认同[1]
，
但对M BR 的脱氮除磷研究尚不十分完善。大部分的M BR 在设计上一般都仅有1个曝气池，虽然可以通过隔板设置造成局部的缺氧区，获得一定的脱氮除磷效果，但尚不能得到令人满意的结果。
随着对M BR 研究的深入，研究者认为M BR 一些自身特点与生物脱氮除磷工艺结合可能达到更稳定、更高效的除磷效果：高污泥浓度能够更好地避免回流液中夹带的氧对缺氧区的影响，为缺氧情况下的反硝化聚磷提供条件；由于膜替代了二沉池，减少了由于污泥膨胀而导致整个脱氮除磷系统崩溃的风险，避免二沉池内泥水分离过程中溶解氧不足导致的磷的二次释放；膜分离过程中，对胶体形态的磷有一定的截留效果，可进一步降低出水磷浓度；膜对菌体的高效截留，可以有效地保持污泥中硝化细菌和聚磷菌的总量;M BR 中的污泥浓度较高，污泥停留时间的独立控制可以提高污泥含磷量，在保证除磷效果的前提下，减少污泥排放。
目前对于脱氮除磷膜-生物反应器(b i o logical n itrogen and pho spho ru s rem oval p rocess u sing m em b rane b i o reacto r ,BN PR 2M BR )的研究集中在
对除磷效果的研究[2]
，对膜-生物反应器中的除磷特
性的研究相对较少。本文重点考察BN PR 2M BR 处理生活污水过程中的除磷效果与特性，考察BN PR 2M BR 中不同的除磷途径对于反应器除磷的贡献。
1　材料与方法
1.1　试验装置和工况条件
本研究采用了如图1所示的基于膜-生物反应
器的生物脱氮除磷工艺，该工艺由4个反应区组成。反应器由聚丙烯有机玻璃制成，总体积21.8L ，其中包括1个厌氧区(4.7L )、2个缺氧区(均为4.7L )以及1个好氧区(7.7L )，在好氧区内布设浸没式微滤膜(孔径0.4Λm )。厌氧和缺氧区通过磁力搅拌器,
污水处理厂曝气池。污泥驯化后，控制水力停留时间(HR T )为9h ，污泥停留时间(SR T )为30d 。反应器运行了63d ，从第27d 之后各项去除指标达到稳定。    　
图1　脱氮除磷膜-生物反应器工艺流程图
表1　平均进水水质
水质指标
Θ (m g  L -1)COD 150～250TN
45～55N H +42N
37～48NO -32N 未检出T P
3.7～7.1
1.2　测定方法
COD 、总磷(T P )、污泥浓度(M L SS )的测定均
依据水与废水监测分析方法(第4版)的标准方法[3]
。污泥含磷量采用C rocetti 的方法[4]
。凝胶谱采用H en s 的方法[5]
。
2　结果与讨论
2.1　除磷效果
如图2所示，在该系统中，进水磷浓度在3.7～7.1m g  L
-1
波动,T P 去除率稳定在92.0%左右，平
均出水T P 浓度0.36m g  L -1
，达到了我国城镇污水
排放的一级A 标准0.5m g  L -1
的要求。磷的沿程变化如图3所示，在厌氧区的最高释磷浓度可以达到30～60m g  L
-1
，随后在缺氧区和好氧区聚磷菌分
别利用回流的硝酸盐和氧气作为电子受体实现聚磷。在这个过程中污泥含磷质量比也从厌氧区的4.6%上升到好氧膜区的5.5%。
图2　TP 进出水浓度及去除率随时间的变化
图3　TP 及污泥含磷量的沿程变化
2.2　反硝化聚磷现象
在缺氧区，可以观察到明显的反硝化除磷现象,
即在没有溶解氧存在的条件下，上清液中T P 的减
量与NO -32N 的减量同步发生，如图4所示。根据Kuba 的计算，如果除磷过程通过反硝化聚磷来实现则理论上可以节省50%的COD 、30%的氧气，实现50%的污泥减量[6]
。而在本试验进水COD 较低的情况下，仍然实现了较好的除磷效果，说明反硝化聚磷过程起到了很关键的作用。在2个缺氧区内，通过反硝化聚磷作用去除的磷平均占到总聚磷量的51.8%，相比于主要依靠好氧聚磷的传统除磷工艺，在本工艺中反硝化聚磷成为了另一个重要的除磷途径。缺氧区内反硝化聚磷的平均除磷速率达到14.1
m g  g -1 L -1
，高于好氧区内好氧聚磷的平均速率
8.2m g  g -1 L -1
。这可能是由于好氧聚磷过程在反硝化聚磷过程之后，进入好氧区的总磷量较低(最终
的出水总磷的平均浓度仅为0.36m g  L -1
)，好氧聚磷受到抑制的缘故。同时如图4可见，由于硝酸盐在
3
741张志超，等:　脱氮除磷膜-生物反应器的除磷效果及特性
第1缺氧区基本耗尽，因此进入第2个缺氧区的硝酸盐浓度过低明显抑止了反硝化聚磷的发生。如果硝酸盐足量反硝化聚磷速率还有进一步提高的可能。除磷速率、除磷比例均说明在本工艺运行过程中反
硝化聚磷得到了强化。这可能是由于反硝化聚磷菌本身容易流失而无法在传统活性污泥反应器中成为优势菌体，而膜截留能够最大限度地避免反硝化聚磷菌的流失；同时由于膜-生物反应器污泥浓度很
图4　缺氧区硝酸盐和总磷的进入量与减少量
图5　SBR 上清液、M BR 上清液、M BR 出水分子
2.3　膜对胶体形态磷的截留
磷在水中的形态不仅有磷酸盐小分子，同时也存在和高分子的蛋白多糖等胞外多聚物结合的胶体形态的磷。从图5可见，相比于同类型的SBR 上清液和出水,M BR 上清液中聚集了更多的高分子物质，而这些物质在M BR 的出水中并没有检测到，说明膜对这部分物质有很好的截留效果。这主要是由于在SBR 活性污泥反应器中，采用的是沉淀出水，溶解
性的高分子物质难以沉淀，随排水流出，没有形成积累，量比较少，上清液中以低分子物质为主。而在M BR 中采用膜过滤出水，由于膜对高分子物质有很
好的截留效果，因此在M BR 的上清液中会有高分子有机物的积累，而在膜出水中高分子物质的成分比较少。部分研究者认为这些高分子物质是溶解性生物代谢产物(so lub le m icrob ial p roducts ,S M P )的积累造成的[7]
，而膜表面逐渐形成的凝胶层
可以有效地截留这部分溶解性高分子物质(蛋白和多糖)。
通过对高分子和低分子流出物的含磷量进行分析，获得了M BR 上清液中胶体形态磷与小分子形态磷在不同形式M BR 中的分布，如表2所示。试验证明膜分离对胶体形态磷的去除是有一定贡献的。虽然这一部分截留的胶体磷的总量比较少，但对进一步降低出水磷的浓度仍起到了一定的作用。测定结M BR 形式
膜孔径
Λm
Θ
(m g  L -1)比例 %小分子形态磷胶体形态磷小分子形态磷胶体形态磷好氧0.016.531.0486.313.7好氧0.406.530.3994.45.6含厌氧缺氧
0.40
1.120.56
66.7
33.3
2.4　系统中磷的去除途径
在BN PR 2M BR 系统中，磷元素的去除，主要有
4种途径，首先是微生物生长过程中的同化作用，其次是好氧聚磷菌在好氧区过量聚磷和反硝化聚磷菌在缺氧区过量聚磷，以及膜本身对磷的截留作用，最终通过排泥的形式来实现反应器内磷的排除。由于进出水的Ca 和Fe 的含量都比较低，因此化学沉淀除磷没有考虑在内。根据文献微生物一般的成分可以用C 118H 170O 51N 17P 来表示，则微生物生长必须的磷为约为1.2%。反应器运行不同时期，如图6所示，随着运行时间的增加，通过反硝化去除的磷所占的比重从20%上升到34%左右，一定程度说明反硝化聚磷菌在污泥内实现了富集。
reactor的特点图6　在BNPR -M BR 中磷去除的不同途径
(下转第1478页)
3　结　论
1)碱度过量(超过理论反应需要碱度10%以上)或不足(低于理论反应需要碱度10%以上)将抑制短程硝化反应的进程，其中碱度过量的抑制作用是稳定的，而碱度不足的抑制作用是逐渐变强的，表现为前者延长了反应时间，后者则使反应完全停止。
2)对于pH和DO作为控制条件，除了碱度过量时pH单调升高无法判断反应是否结束外，在碱度充足和碱度不足情况下，它们都适合作为硝化反应结束的控制参数。
3)当短程硝化系统中碱度不足时,pH无法稳定在亚硝酸菌适宜的范围，导致硝化反应中止；此外，反应过程中pH在6.0附近时下降缓慢并出现平台，同时DO也上升缓慢出现平台。
4)利用pH和DO作为控制参数，可以通过调节碱度控制短程硝化系统，实现出水50%的亚硝化。试验结果表明，氨氮氧化率的确与初始碱度密切相关，并且存在某种比例关系。此外,pH下降到6.0是反应受到抑制的主要原因。
参考文献　(References)
[1]W AN G J ianlong,YAN G N ing.Partial nitrificati on under
li m ited disso lved oxygen conditi ons[J].P rocess
B ioche m istry,2004,39:1223-1229.[2]Hw ang B H,Hw ang K Y,Cho i E S.Enhanced nitrite
build2up in p ropo rti on to increasing alk linity N H+4rati o of influent in bi ofil m reacto r[J].B iotechnolog y L etters,2000, 22:1287-1290.
[3]A PHA.Standard M ethods fo r the Exam inati on of W ater and
W astew ater[M].20th ed.W ash ington DC.U SA: Am erican Public H ealth A ssociati on Am erican W ater W o rk s
A ssociati on W ater Environm ent Federati on,1998.
[4]B iesterfeld S,Farm er G,R ussell P,et al.Effect of
alkalinity type and concentrati on on nitrifying bi ofil m activity [J].W a ter E nv ironm ent R esearch,2003,3(75):196-204.
[5]Peng Y Z,Gao J F,W ang S Y.U se of pH as fuzzy contro l
param eter fo r nitrificati on under different alkalinity in SBR p rocess[J].W a ter S cience and T echnolog y,2003,11(47): 77-84.
[6]曾薇，彭永臻，王淑莹，等.pH值与温度对S BR法反应时间
控制的影响[J].中国环境科学,2002,22(5):456-459.
ZEN G W ei,PEN G Yongzhen,WAN G Shuying,et al.
Effects of pH value and temperature on contro lling the reacti on ti m e of SBR p rocess[J].Ch ina E nv ironm en ta l S cience,2002,22(5):456-459.(in Ch inese)
[7]高景峰，彭永臻，王淑莹.以pH作为SBR法硝化过程模糊控
制参数的基础研究[J].应用与环境生物学报,2003,9(5): 549-553.
GAO J ingfeng,PEN G Yongzhen,W AN G Shuying.U se of pH as fuzzy contro l param eter fo r nitrificati on in p rocess[J].
C h inese J ou rna l of A p p lied and E nv ironm ental B iolog y,
2003,9(5):549-553.(in Chinese)
(上接第1474页)
3　结　论
脱氮除磷膜-生物反应器系统取得了良好的总磷去除效果，总磷平均去除率稳定在92.0%左右，平均出水T P为0.36m g L-1。
在本系统中除磷的途径包括维持微生物生长需要的磷约12.6%～23.4%，其余接近66.7%～78.8%的磷通过生物聚磷去除。而其中51.8%为反硝化聚磷,48.2%为好氧聚磷，相比于传统的生物脱氮除磷工艺，反硝化聚磷在系统中起到了重要的作用。
除了生物除磷以外，在M BR上清液中积累的高分子有机物成分中存在部分胶体形态的磷，膜截留能去除这部分磷，从而进一步降低出水的总磷浓度。
参考文献　(References)
[1]H uang X,L iu R,Q ian Y.Behavi our of so luble m icrobial
p roducts in a m em brane bi o reacto r[J].P rocess B ioche m,
2000,36(5):401-406.[2]L esjean B,Gnirss R,A dam    C.P rocess configurati ons
adap ted to m em brane bi o reacto rs fo r enhanced bi o logical pho spho rous and nitrogen removal[J].D esa lina tion,2002, 149(1-3):217-224.
[3]国家环保总局.水和废水监测分析方法(第4版)[M].北京:
环境科学出版社,2002.
State Environm ental P ro tecti on A dm inistrati on of Ch ina.T he M ethods fo r the M onito ring&A nalysis of W ater and W astew ater(4th ed)[M].Beijing:Environm ent Science P ress,2002.(in Ch inese)
[4]C rocetti G R,Banfield J F,Keller J,et al.Glycogen2
accum ulating o rganis m s in labo rato ry2scale and full2scale w astew ater treatm ent p rocesses[J].M icrobiolog y2S gm, 2002,148:3353-3364.
[5]H ens M,M erckx R.T he ro le of co llo idal particles in the
speciati on and analysis of“disso lved”pho spho rus[J].W ater R es,2002,36(6):1483-1492.
[6]Kuba T,V anL oo sdrech t M C M,H eijnen J J.Pho spho rus
and nitrogen removal w ith m ini m al cod requirem ent by integrati on of denitrifying depho sphatati on and nitrificati on in
a two2sludge system[J].W a ter R es,1996,30(7):1702-
1710.
[7]A quino S F,Stuckey D    C.Characterizati on of so luble
m icrobial p roducts(S M P)in effluents from anaerobic reacto rs[J].W a ter S ci T echnol,2002,45(10):127-132.

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。