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摘要：对膜生物反应器（MBR）A/O工艺处理己内酰胺废水进行了研究，并与传统活性污泥法(CAS)A/O工艺进行了比较。研究表明，MBR法较之CAS法能更有效地去除COD、NH3-N及NO3-N，在较高负荷下，这种优势更加明显。同时研究了不同回流比对MBR法处理效果的影响，结果表明，当回流比R=5时，处理效果最为理想。
关键词：膜生物反应器 A/O工艺 回流比 污泥负荷
己内酰胺（C6H11NO）废水是化工产业中难处理废水之一，虽然己内酰胺易生物降解，但由于其碳氮比例严重失调，出水水质难以达标，目前国内大部分企业处理己内酰胺废水使用A/O工艺，即缺氧（Anoxic）-好氧（Aerobic）系统。在常规的生物脱氮工艺中，为保持构筑物中有足够数量的硝化菌以完成生物硝化作用，在维持较长污泥龄的同时也相应增大了构筑物的容积；此外，絮凝性较差的硝化菌常会被二沉池的出水带出，硝化菌数量的减少影响硝化作用，进而降低了系统的脱氮效率。A/O系统结合膜生物反应器，较污泥法增加了池内的生物量，且工艺简单，更耐冲击负荷，处理效果稳定，管理方便，具有良好的应用前景[1，2]。
本文研究了膜生物反应器A/O工艺在较低污泥浓度状态下处理己内酰胺废水的效果，考察回流比对处理效率的影响，并与传统悬浮活性污泥法A/O工艺在不同的污泥负荷下的处理效果进行了相应的比较。
1 试验装置及运行工况
1.1 试验装置
膜生物反应器和传统活性污泥法的反应装置分别如图1和图2所示。其中好氧池体积均为12 L，缺氧池体积为4 L。
装置中所用搅拌器为B90型无极调速电动搅拌器，所用恒流泵为HL-1恒流泵、HL-5恒流泵及 BT-100恒流泵。试验用膜管是广州佛山陶瓷研究所生产的无机陶瓷膜，长30 cm，外径13 mm，内径9 mm，外表面孔径0.1～0.2 μm。蠕动泵采取抽10 min，停5 min的运行方式，通过调节蠕动泵的转速实现负压值的改变、出水量的调节，达到进出水平衡。
膜生物反应器A/O工艺处理己内酰胺废水试验研究
图1 膜生物反应器装置
膜生物反应器A/O工艺处理己内酰胺废水试验研究
图2 传统活性污泥法装置
1.2 运行工况
试验用污泥取自天山污泥厂，污泥驯化阶段保持进水己内酰胺浓度在1000 mg/L左右，即COD为2000 mg/L，TN为245 mg/L，加入适当K2HPO4，维持C在100:1左右，保持泥龄为30 d，好氧段溶解氧（DO）控制在4 mg/L左右。污泥30 d后出水水质基本稳定，膜生物反应器（MBR）中的MLSS在4750 mg/L左右，传统活性污泥法（CAS）中的MLSS稳定在4200 mg/L左右，驯化阶段结束。在第一阶段（30 d）内，保持污泥负荷0.3 kgCOD/（kgMLSS·d），期间改变回流比，考察回流比对去除效率的影响。随后逐步增加进水量，提高污泥负荷至0.8 kgCOD/（kgMLSS·d），保持回流比R=5，10 d后出水水质稳定，进入第二阶段（10 d）。
1.3 主要项目的分析方法
COD：微波炉重铬酸钾标准滴定法；NH3-N：纳氏试剂分光光度法；NO3-N：硝酸根电极法；TN：过硫酸钾氧化－紫外分光光度法。
2 试验结果与分析
2.1 MBR法与CAS法处理效果比较
在保证进水水质基本相同的情况下，对MBR和CAS装置进行连续40 d的监测，观察两装置的出水，考察处理效果。每7～10天取样监测，主要监测内容为COD和TN。监测情况如图3所示。
膜生物反应器A/O工艺处理己内酰胺废水试验研究
图3 MBR和CAS出水效果比较
在监测期间，对MBR的回流比进行多次调整，其值分别为1，2，5，10，CAS系统的回流比一直为5。回流比对MBR去除效果的影响具体见下文分析。6月8日，CAS系统发生一次严重的污泥上浮现象，导致系统对COD和TN的去除效率下降。除去这次突发事故，CAS系统的对COD和TN去除效果基本稳定。
6月12日开始逐步提高两系统的污泥负荷，到6月21日系统稳定。从图1可以看出，随着负荷的提高，两系统的去除效率都有所降低。无论高负荷还是低负荷，MBR的去除效率都要优于CAS，在高负荷下优势更为明显。
2.2 不同污泥负荷下MBR、CAS处理效果比较
为了研究不同污泥负荷下，MBR及CAS处理COD及TN的效果，对两装置进行了连续40 d的观察研究。通过改变进水水量，污泥负荷从最初的0.3 kgCOD/（kgMLSS·d）提高到0.8 kgCOD/（kgMLSS·d），处理效果如表1和和2所示。由于改变负荷需要10～15 d的稳定时间，表中数据均为稳定后2次监测的平均值。A段、O段水质均为滤纸过滤后测得。
表1 0.3 kgCOD/（kgMLSS·d）各阶段处理效果
装置
| 监测项目/(mg·L-1)
| 进水
| A
| O
| 出水
| MBR
| COD
| 2000
| 189.5
| 44.9
| 12.2
| TN
| 245
| 21.7
| 12.8
| 11.6
| NH3-N
| -
| 10.6
| 2.4
| 1.5
| NO3-N
| -
| 0.81
| 8.4
| 9.1
| CAS
| COD
| 2000
| 157.4
| 52.7
| 41.2
| TN
| 245
| 28
| 14.1
| 13.7
| NH3-N
| -
| 12.8
| 3.4
| 3.4
| NO3-N
| -
| 1.19
| 10.3
| 9.3
|
表2 0.8 kgCOD/（kg MLSS·d）负荷下各阶段处理效果
装置
| 监测项目/(mg·L-1)
| 进水
| A
| O
| 出水
| MBR
| COD
| 2000
| 386.2
| 121.1
| 64.3
| TN
| 240
| 36.1
| 17.4
| 16.0
|
| NH3-N
| -
| 10.5
| .5.1
| 4.2
| NO3-N
| -
| 1.79
| 10.2
| 11.5
| CAS
| COD
| 2000
| 427.2
| 204.7
| 121.8
| TN
| 240
| 50.3
| 29.4
| 23.4
|
| NH3-N
| -
| 14.1
| 10.4
| 9.5
|
| NO3-N
| -
| 1.81
| 16.4
| 12.4
|
从表中可以看出，在0.3 kgCOD/（kgMLSS·d）负荷下，MBR的出水水质略优于CAS，而在0.8 kgCOD/（kg MLSS·d）负荷下，MBR的出水出水质明显优于CAS。在0.3 kgCOD/（kgMLSS·d）负荷下，两沉淀池出水水质均非常好。将CAS的O段滤液与出水相比较，可以看出出水的COD、NO3--N比O段均有所降低，这说明在沉淀池中的停留过程中有反硝化作用。而MBR的O段滤液与出水相比，COD的值从44.9 mg/L降到12.2 mg/L，膜管对悬浮物的截留作用非常明显。NH4＋-N降低，但NO3-N却有所升高，这说明膜管的过滤过程中有硝化反应的产生。在陶瓷膜管表面可以看到形成了一层几乎透明的生物膜，这层生物膜可能由被截留的悬浮细菌形成的，对有机物的去除和硝化作用均有贡献（3）。
随着负荷的提高，MBR和CAS的各项去除效果均有所下降，但MBR较之CAS仍有很大的优势，其硝化和反硝化效果均优于CAS。由于污泥负荷的提高，水力停留时间缩短，CAS出水的浊度升高，大量的游离细菌尤其是絮凝性较差的硝化细菌被冲刷出去，而MBR能截留游离细菌，对污泥的活性影响不大[4]。MBR的脱氮效率比CAS高的原因可能有两个。第一，硝化速率的提高源于膜生物反应器中污泥絮体较小，较小的絮体有着更大的周长/面积比，因而氧传质阻力小，硝化作用更彻底。但絮体尺寸对反硝化作用没有明显的影响[5]。在这里，可能是MBR的C/N比更合理，从而使其反硝化作用也更彻底。第二，由于膜管的截留性能，系统内的硝化菌的含量较CAS高。
另外，在监测过程中，几乎测不到NO2--N，这主要是硝化反应速率要大于亚硝化反应速率，NO2--N一旦生成，立即被硝化为NO3--N。出水中NO3--N占TN大部分，反硝化成为系统脱氮的限制因素。
2.3 不同回流比下MBR的处理效果
分别研究了回流比为1、2、5、10下MBR的NO3--N、COD和NO3--N的处理效果，结果如表3所示。回流比改变后，系统在7 d后方可稳定，因此表中数据为稳定后2次监测的平均值。
表3 不同回流比下各项去除效果
监测项目/(mg·L-1)
| R
| 进水
| A
| O
| 出水
| COD
| 1
| 2000
| 515.8
| 50.4
| 17
|
| 2
| 2000
| 328.5
| 58.7
| 18.3
|
| 5
| 2000
| 237
| 50.5
| 15.2
|
| 10
| 2000
| 178.5
| 58.5
| 20.2
| NH3-N
| 1
| 0
| 26.4
| 0.8
| 0.5
|
| 2
| 0
| 18.9
| 2.4
| 1.7
|
| 5
| 0
| 10.6
| 2.4
| 1.5
|
| 10
| 0
| 9.06
| 2.6
| 2.3
| NO3-N
| 1
| 0
| 0.84
| 43.9
| 46.7
|
| 2
| 0
| 0.76
| 39.1
| 46.2
|
| 5
| 0
| 0.81
| 11.2
| 13
|
| 10
| 0
| 21.56
| 52.5
| 52.8
|
回流比的大小对COD处理的去除效率的影响不大，COD的去除效率始终达到99%以上，但对氮的去除效率有很大影响。在好氧段里进行氨氮的硝化处理时，混合液中氧含量越充足，对硝化反应越有利，但若回流液携带过多的溶解氧到缺氧池，当A段的DO>0.5时，就会影响反硝化的效果[6]。从反硝处理的角度来说，水中溶解氧越少越好，硝酸盐越多越好，这样就需要控制最佳的回流比[7，8]。在试验中发现R | 
