技术干货|膜曝气生物膜反应器技术应用于高浓度氨氮废水探讨

1 引言

高浓度氨氮废水采用生化方法处理时，需要较高的供氧量和生物量，因而成为生化处理含氮污染物的难题之一.传统的生物脱氮工艺(即硝化-反硝化工艺)普遍存在着占地面积大、能耗高、外加碳源需求量大及脱氮效率低等不足.部分亚硝化和厌氧氨氧化联合技术是新型的废水生物脱氮方法，与传统的生物脱氮方法相比，该方法能够节省64%的能量需求和100%的外加碳源及减少80%~90%的污泥量，特别是在高氨氮废水的治理方面存在很大的优势.膜曝气生物膜反应器(Membrane-aerated biofilm reactor，MABR)是利用透气膜进行曝气供氧的一种污水生物处理工艺，溶解氧通过气体透过性膜扩散进入生物膜进而氧化污染物，同时气体透过性膜也可作为生物膜生长的载体.传统的多孔或者微孔曝气装置氧的利用效率不高，膜曝气生物膜反应器由于采用无泡曝气的方式，氧气的传递效率可以接近100%.高效的氧传质速率、较高的生物膜表面积和内外分层的特殊生物膜结构，使得MABR工艺在高浓度废水的处理中具有明显的优势.

MABR特殊的生物膜分层结构能够实现在同一系统中同时发生氧化和还原作用，通过调整供氧压力来控制氧气的传递，氧气能够直接透过曝气膜被硝化菌利用，为氨氧化菌的生长提供了良好的生存环境.有研究在MABR小试中实现了部分亚硝化.但是，目前对于MABR中试系统中部分亚硝化的稳定运行的抑制条件(如生物膜厚、氨氮负荷等)及微生物机理方面的研究尚鲜有报道.

本文正是针对该问题，通过中试来考察MABR实现部分亚硝化的技术关键，重点分析在不同的氨氮负荷下，MABR工艺的部分亚硝化性能.从处理效果和生物膜特性两个层面上分析MABR部分亚硝化工艺作为厌氧氨氧化前处理单元的可行性和适用性，以期为MABR用于高浓度氨氮废水的工程应用提供技术支持.

2 材料与方法

2.1 试验装置

试验装置如图 1所示，中试MABR的高度和直径分别为1000 mm和150 mm，反应器包括循环段在内有效容积共计16.7 L.反应器内部膜组件由48根致密无孔硅橡胶膜平行排列组成，总表面积0.37 m2，膜组件比表面积为22.16 m2 ˙ m-3，系统采用贯通式曝气方式，进水通过蠕动泵打入反应器，上部空间溢流出水.

反应器设置循环段进行水力混合，内部流速约为1.25 cm ˙ s-1，利用NaCl为示踪剂进行水力停留时间分布(RTD)实验，结果表明，RTD曲线分布接近N=1时完全混合反应器，因此，可以假定MABR反应器内部处于完全混合状态.氧通量实验测定气体氧表面负荷，采用最大氧通量近似计算，在气体氧分压为20 kPa，循环流速为800 L ˙ h-1条件下得到反应器最大氧传质系数KO2=0.81 m ˙ d-1，本试验MABR最大氧通量由式(1)(Pellicer-Nàcher et al., 2010)计算.

式中，LO2为系统的氧表面负荷，即氧通量(g ˙ m-2 ˙ d-1)，KO2为指定条件下的氧传质系数(m ˙ d-1)，SO2*为饱和溶解氧浓度(mg ˙ L-1)，SO2为生物膜基质内的实际溶解氧浓度(mg ˙ L-1).假定SO2=0 mg ˙ L-1，计算得到本试验MABR最大氧通量为8.5 g ˙ m-2 ˙ d-1(以O2计).

2.2 试验水质及运行条件

试验用水采用人工配制的模拟高浓度氨氮废水，不添加有机碳源，以碳酸氢铵作为氮源，碳酸氢钠为无机碳源和pH调节剂，每升配水中加入28 mg KH2PO4、224 mg MgSO4˙7H2O、84.5 mg CaCl2˙2H2O、 1 mL微量元素(Pynaert et al., 2004)，NH4+-N浓度见表 1.

表1 MABR中试各阶段的运行条件

试验过程采用温控装置保证水温在25~30 ℃，添加碳酸氢钠调节碱度，控制pH在7.5~8.3之间，供氧通过膜氧分压控制，稳定运行阶段，逐步提高进水氨氮浓度，同时调控HRT，控制反应器进水氨氮负荷.

由于中试装置膜组件设立膜丝数量较少，膜比表面积相对较小，后续研究中已证实成倍增加膜组件膜丝数量时，生物膜对污染物表面去除负荷相近，容积去除负荷成倍增加，因此，本研究中氨氮去除负荷采用生物膜表面去除负荷来表征，列出的容积负荷仅供参考.

2.3 水质分析方法

pH和温度测定采用HACH HQ 系列便携式测定仪(HQ40d18，HACH，美国)，DO测定采用在线溶解氧测定仪(JPB-607，上海雷磁)，电导率测定采用在线电导率测定仪(DDSJ-308A，上海雷磁).水质指标NH4+-N、NO2--N和NO3--N测定参照国家环保总局发布的标准方法(国家环保总局，2002).

2.4 生物膜厚度测定

采集完整生物膜样品，采用冷冻切片机(MEV，SLEE，德国)将生物膜沿曝气膜丝的径向切成50 μm厚的切片，切片置于载玻片上，通过配有测量装置的光学摄影显微镜(BA-310，中国Motic公司)测量生物膜的厚度，每片生物膜在不同位置测定3次，取平均值表征生物膜厚度.

2.5 亚硝化率计算方法

亚硝化率(NAR)计算公式如下：

式中，[NO2-]为出水亚硝酸盐氮质量浓度(mg ˙ L-1)，[NO3-]为出水硝酸盐氮质量浓度(mg ˙ L-1).

2.6 生物膜SOUR活性

取1根完整曝气膜刮取生物膜，超声5 min后用磁力搅拌器打散使之均匀悬浮，去离子水清洗3次后，8000 r ˙ min-1离心10 min，去掉上清液，投入内装搅拌子的测定瓶中待测.

氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化菌和好氧异养菌的活性采用单位质量微生物的氧利用速率(Specific oxygen uptake rate，SOUR)来表征，分别以SOURAOB 、SOURNOB、SOURH表示(王建龙等，1999).根据悬浮微生物总量(MLSS)，测定时间和溶解氧变化情况(溶解氧消耗曲线斜率)，求得生物膜微生物比氧利用速率SOUR.

2.7 生物膜DNA提取和实时定量PCR

用无菌剃刀从反应器曝气膜上刮取部分生物膜，立即提取DNA或者短期保存于-20 ℃冰箱中后提取DNA.DNA提取采用MB公司的Fast DNASpin Kit for Soil 试剂盒，提取后的DNA存放于-20 ℃冰箱中保存备用.采用Nano 2000(美国，Thermo Scientific)纳米荧光定量仪检测DNA原始样本浓度.

采用美国ABI7500型实时荧光定量PCR系统对反应器中生物膜中的16S rRNA AOB(CTO)、16S rRNA Nitrospira sp.(NSR)进行荧光定量研究，分别用来表征生物膜中氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌的含量.CTO前引物序列为CCGGAGGAAAG TAGGGGATCG，后引物序列为CTAGCYTTGTAGTTTCAAACGC(Rotthauwe et al., 1997)，NSR前引物序列为CCTGCTTTCAGTT GCTACCG，后引物序列为GTTTGCAGCGCTTTG TACCG(Dionisi et al., 2002).每反应体系20 μL，包括10 μL SYBR Green mix，前引物和后引物各0.4 μL，0.4 μL ROX，6.8 μL无菌水，2 μL DNA模板，每个样品均重复3次，并添加HPLC级高纯水作为阴性对照组，数据采用3次平均值.

2.8 生物膜挂膜与中试系统启动

接种污泥取自运行良好的上海某污水处理厂好氧段活性污泥.本试验启动采用循环挂膜法，将污泥和营养液按一定配比打入反应器，反应器内部循环水力混合，序批式运行，2 d后停止循环，更换营养液，继续循环运行2 d，排出未挂膜剩余污泥，之后连续进水.以连续进水的第1 d记为连续运行第1 d.

启动阶段，定期清洗反应器内部器壁，防止生物膜在非曝气膜载体上生长，一段时间后可观察到肉眼可见的生物膜结构，之后连续运行过程中由于渗透进入反应器液相中的溶解氧浓度受到限制，不用对反应器内部进行清洗。