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摘 要：对膜生物反应器（MBR）技术的脱氮效能研究是目前水处理领域的热点。论文介绍了好氧硝化颗粒污泥膜生物反应器、内电解—SMBR组合工艺、两级序批式膜生物反应器这三种脱氮效果较好的新型MBR组合工艺，分析了它们在脱氮方面的优势,并对膜生物反应器的膜污染机理及控制方法进行了探讨，对今后膜生物反应器的研究和发展进行了展望。
关键词：膜生物反应器；组合工艺；脱氮；膜污染
Research Progress in Nitrogen Removal with MBR Combined Process and Membrane Fouling
Abstract: Study on nitrogen removal of MBR is an important research topic in recent water treatment field. Three new MBR combined processes are introduced, such as aerobic granule membrane bioreactor, combined internal electrolysis/SMBR process and two stage sequencing bath MBR, which has a good effect on nitrogen removal. The advantages at nitrogen removal are analyzed, the mechanisms and control methods of membrane fouling are discussed. The future research and development of the membrane bioreactor are prospected.
Key words: MBR; combined process; nitrogen removal; membrane fouling
膜生物反应器（MBR）将膜过滤和生物降解相结合，是一种高效、实用的污水处理工艺。由于其高品质的出水，国内外已将它作为重要的污水回用技术[1]。20世纪60年代，美国将MBR技术应用于水处理领域，70-80年代， 日本对MBR技术在废水中的应用进行开发研究，使MBR真正走向实际应用阶段。我国对MBR的研究始于20 世纪90 年代，主要集中在清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、中国科学院生态环境研究中心、同济大学等多家科研院校[2]。MBR可在紧凑的空间内同时实现微生物对污染物质的降解和膜对污染物质的分离, 具有抗冲击负荷、设备紧凑、占地面积小、易于自动化控制、运行管理方便、处理效率高和节能等优点[3]-[6]。
随着“十二五”对脱氮要求的进一步提高，寻找经济高效的脱氮工艺成为新的发展趋势，因此研究新型的高效脱氮膜生物反应器（MBR）具有重要的意义。另外，在工程应用中膜污染会引起膜通量下降，缩短膜的使用寿命，增加膜生物反应器的运行成本，是制约膜生物反应器（MBR）工艺发展的瓶颈之一，因此探讨膜污染的控制技术对膜生物反应器的进一步推广应用具有一定的促进作用。
1.高效脱氮新型MBR组合工艺
废水生物脱氮过程中通常发生3种不同的生物反应,即有机物的好氧氧化、硝化反应和反硝化反应。但城市污水的处理要求同时进行有机物、氮、磷的去除,由于脱氮和除磷所需要的环境条件(好氧、缺氧和厌氧交替的环境)不同及其过程中所需基质不同,往往使生物处理工艺难以达到预期的效果[7]。在常规生物脱氮工艺中,为了保持良好的硝化效果需要足够的硝化菌,较长的污泥龄是维持硝化菌生长的有效方法,但同时也相应增大了构筑物的容积。
此外,絮凝性较差的硝化细菌常会被二沉池的出水带出,从而导致硝化作用降低,进而影响了系统的脱氮效率. 而膜的截留作用使膜生物反应器(MBR) 工艺走出上述困扰,MBR 通过膜的截留使硝化菌能够长期停留在反应器内,满足了硝化菌的生长需求[8]。近年来，在膜生物反应器的基础上开发出了一系列高效脱氮的新工艺。
1.1 好氧硝化颗粒污泥膜生物反应器
好氧颗粒污泥是好氧条件下自发形成的细胞自身固定化颗粒，是近年来兴起的新型废水生物处理技术。因其具有沉降性能好、微生物种群多样化、污泥活性高、抗冲击负荷强等优点，已成为国内外的研究热点[9]-[12]。
好氧硝化颗粒污泥膜生物反应器( aerobic granule membrane bioreactor, AGMBR)是用好氧硝化颗粒污泥取代传统的活性污泥，将气升式间歇反应器( sequencing batch airlift reactor,SBAR)工艺与MBR工艺耦合形成的。好氧硝化颗粒污泥膜生物反应器具有如下优势:首先，好氧硝化颗粒污泥稳定性强、污泥活性高、硝化菌大量富集能降解高浓度氨氮废水[13]。与膜分离技术同时使用,确保了高效、稳定的出水水质；其次，好氧硝化颗粒污泥粒径大，沉降性能好，能有效减缓膜污染[14] ，降低了工艺的运行成本和能)耗；而且好氧硝化颗粒污泥粒径大，内部存在厌氧区，能在反应器内实现同步硝化反硝化(SND)过程，取代了传统的污水处理技术中的硝化反硝化工艺，简化了污水处理工艺，降低了工程费用，同时SBAR的运行方式也有利于颗粒的培养与稳定运行。这一新的工艺可以极大地改善MBR的性能，拓展其应用前景。白琳等采用好氧序批式内循环运行方式的好氧硝化颗粒污泥膜生物反应器AGMBR连续运行102 d，实验结果表明其对有机物具有良好的去除效果，在实验的后期对COD和NH4+-N的去除率分别稳定在86%和94% [15]。
1.2 内电解—SMBR组合工艺
铁碳内电解法由于工艺简单、操作方便、运行费用低及脱色效果好等优点，已成为当前废水处理研究的热点之一[16] -[19]。
内电解—SMBR组合工艺是将内电解法与膜生物反应器相结合的新型组合工艺。内电解—SMBR组合工艺具有如下优势：（1）由于膜的截留作用使世代时间较长的亚硝化细菌和硝化细菌得以滞留在反应器中，使NH4+-N得以充分去除；（2）由于大量Fe3+形成良好的生物铁絮体，絮体内部形成了微氧环境，而低溶解氧有利于菌株反硝化作用的进行，促使水中的NO3－-N、NO2－-N转化为N2，TN得以去除且去除率高；（3）废水经过内电解塔，出水呈弱酸性，且含有较多的Fe3+，可对后续SMBR中活性污泥的絮体结构产生一定的影响。秦磊等采用自制的PVDF中空纤维膜组件构建了浸入式膜生物反应器，进行了内电解—SMBR组合工艺处理难降解蒽醌活性染料废水的试验，结果表明，在稳定运行期间，进水NH4+-N平均为28.23mg/L，出水NH4+-N浓度小于2mg/L，平均去除率分别为95.2%和97.5%。进水TN平均为35.1 mg/L，出水TN平均为2.5 mg/L，平均去除率为92.2%[20]。膜出水水质优于《污水综合排放标准》（GB/8978-1996）一级排放标准和《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918- 2002）一级A标准[21] 。
关键词：膜生物反应器；组合工艺；脱氮；膜污染
Research Progress in Nitrogen Removal with MBR Combined Process and Membrane Fouling
Abstract: Study on nitrogen removal of MBR is an important research topic in recent water treatment field. Three new MBR combined processes are introduced, such as aerobic granule membrane bioreactor, combined internal electrolysis/SMBR process and two stage sequencing bath MBR, which has a good effect on nitrogen removal. The advantages at nitrogen removal are analyzed, the mechanisms and control methods of membrane fouling are discussed. The future research and development of the membrane bioreactor are prospected.
Key words: MBR; combined process; nitrogen removal; membrane fouling
膜生物反应器（MBR）将膜过滤和生物降解相结合，是一种高效、实用的污水处理工艺。由于其高品质的出水，国内外已将它作为重要的污水回用技术[1]。20世纪60年代，美国将MBR技术应用于水处理领域，70-80年代， 日本对MBR技术在废水中的应用进行开发研究，使MBR真正走向实际应用阶段。我国对MBR的研究始于20 世纪90 年代，主要集中在清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、中国科学院生态环境研究中心、同济大学等多家科研院校[2]。MBR可在紧凑的空间内同时实现微生物对污染物质的降解和膜对污染物质的分离, 具有抗冲击负荷、设备紧凑、占地面积小、易于自动化控制、运行管理方便、处理效率高和节能等优点[3]-[6]。
随着“十二五”对脱氮要求的进一步提高，寻找经济高效的脱氮工艺成为新的发展趋势，因此研究新型的高效脱氮膜生物反应器（MBR）具有重要的意义。另外，在工程应用中膜污染会引起膜通量下降，缩短膜的使用寿命，增加膜生物反应器的运行成本，是制约膜生物反应器（MBR）工艺发展的瓶颈之一，因此探讨膜污染的控制技术对膜生物反应器的进一步推广应用具有一定的促进作用。
1.高效脱氮新型MBR组合工艺
废水生物脱氮过程中通常发生3种不同的生物反应,即有机物的好氧氧化、硝化反应和反硝化反应。但城市污水的处理要求同时进行有机物、氮、磷的去除,由于脱氮和除磷所需要的环境条件(好氧、缺氧和厌氧交替的环境)不同及其过程中所需基质不同,往往使生物处理工艺难以达到预期的效果[7]。在常规生物脱氮工艺中,为了保持良好的硝化效果需要足够的硝化菌,较长的污泥龄是维持硝化菌生长的有效方法,但同时也相应增大了构筑物的容积。
此外,絮凝性较差的硝化细菌常会被二沉池的出水带出,从而导致硝化作用降低,进而影响了系统的脱氮效率. 而膜的截留作用使膜生物反应器(MBR) 工艺走出上述困扰,MBR 通过膜的截留使硝化菌能够长期停留在反应器内,满足了硝化菌的生长需求[8]。近年来，在膜生物反应器的基础上开发出了一系列高效脱氮的新工艺。
1.1 好氧硝化颗粒污泥膜生物反应器
好氧颗粒污泥是好氧条件下自发形成的细胞自身固定化颗粒，是近年来兴起的新型废水生物处理技术。因其具有沉降性能好、微生物种群多样化、污泥活性高、抗冲击负荷强等优点，已成为国内外的研究热点[9]-[12]。
好氧硝化颗粒污泥膜生物反应器( aerobic granule membrane bioreactor, AGMBR)是用好氧硝化颗粒污泥取代传统的活性污泥，将气升式间歇反应器( sequencing batch airlift reactor,SBAR)工艺与MBR工艺耦合形成的。好氧硝化颗粒污泥膜生物反应器具有如下优势:首先，好氧硝化颗粒污泥稳定性强、污泥活性高、硝化菌大量富集能降解高浓度氨氮废水[13]。与膜分离技术同时使用,确保了高效、稳定的出水水质；其次，好氧硝化颗粒污泥粒径大，沉降性能好，能有效减缓膜污染[14] ，降低了工艺的运行成本和能)耗；而且好氧硝化颗粒污泥粒径大，内部存在厌氧区，能在反应器内实现同步硝化反硝化(SND)过程，取代了传统的污水处理技术中的硝化反硝化工艺，简化了污水处理工艺，降低了工程费用，同时SBAR的运行方式也有利于颗粒的培养与稳定运行。这一新的工艺可以极大地改善MBR的性能，拓展其应用前景。白琳等采用好氧序批式内循环运行方式的好氧硝化颗粒污泥膜生物反应器AGMBR连续运行102 d，实验结果表明其对有机物具有良好的去除效果，在实验的后期对COD和NH4+-N的去除率分别稳定在86%和94% [15]。
1.2 内电解—SMBR组合工艺
铁碳内电解法由于工艺简单、操作方便、运行费用低及脱色效果好等优点，已成为当前废水处理研究的热点之一[16] -[19]。
内电解—SMBR组合工艺是将内电解法与膜生物反应器相结合的新型组合工艺。内电解—SMBR组合工艺具有如下优势：（1）由于膜的截留作用使世代时间较长的亚硝化细菌和硝化细菌得以滞留在反应器中，使NH4+-N得以充分去除；（2）由于大量Fe3+形成良好的生物铁絮体，絮体内部形成了微氧环境，而低溶解氧有利于菌株反硝化作用的进行，促使水中的NO3－-N、NO2－-N转化为N2，TN得以去除且去除率高；（3）废水经过内电解塔，出水呈弱酸性，且含有较多的Fe3+，可对后续SMBR中活性污泥的絮体结构产生一定的影响。秦磊等采用自制的PVDF中空纤维膜组件构建了浸入式膜生物反应器，进行了内电解—SMBR组合工艺处理难降解蒽醌活性染料废水的试验，结果表明，在稳定运行期间，进水NH4+-N平均为28.23mg/L，出水NH4+-N浓度小于2mg/L，平均去除率分别为95.2%和97.5%。进水TN平均为35.1 mg/L，出水TN平均为2.5 mg/L，平均去除率为92.2%[20]。膜出水水质优于《污水综合排放标准》（GB/8978-1996）一级排放标准和《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918- 2002）一级A标准[21] 。