摘要：选用一体化膜—序批式生物反应器(Submerged Membrane Sequencing Batch Reactor，简称SMSBR)处理焦化废水，考察了能否通过膜分离的强化作用提高生物处理系统对焦化废水的处理效果，使出水COD达到新的排放标准(＜100 mg/L)，并提"脱氮效率。研究结果表明：在HRT为32.7 h，平均COD容积负荷为0.45kg/(m3·d)的条件下，出水COD可以稳定在100 mg/L以下(平均为86.4 mg/L)；要使COD达到新的排放标准，进水COD容积负荷应低于0.67kg/(m3·d)(该负荷下出水COD在100 mg/L上下波动，平均为106.3 mg/L)；好氧段存在明显的反硝化现象，使COD的去除得到强化；在保证系统温度、碱度、溶解氧和不受进水COD负荷冲击的情况下，出水NH3-N可低于1 mg/L，但泥龄太长所产生的微生物代谢产物抑制了硝化反应过程中的硝酸盐细菌，使好氧段出水NO2-N/NOx-N平均为91.1%，因此系统获得极其稳定高效的短程硝化作用，有利于进一步脱氮；按“缺氧1—好氧—缺氧2”方式运行时，若“缺氧2”的HRT＞8.44 h，可实现81.34%的反硝化率(外加碳源：COD/N为2.1 g/g)，平均TN去除率为87.2%，最高达90.2%。
关键词：SMSBR 焦化废水 有机物 脱氮 Characteristics of Submerged SMSBR in Removal of Organic Matters and Nitrogen from Coke Plant WastewaterAbstract：A SMSBR was used for treating coke plant wastewater and enhanced effects of membrane separation on the treatment efficiencies were investigated.The purpose of the study was to make effluent COD meet the new discharge standard(＜100mg/L),and increase the removal efficiency of nitrogen.The result shows that effluent COD is steadily below 100 mg/L (86.4 mg/L on the average) at the HRT of 32.7 h and the COD volume loading rate of 0.45kg/(m3·d).To reach the new effluent discharge standard,COD volume loading rate should be lower than 0.67kg/(m3·d).In this condition effluent COD fluctuates around 100 mg/L (106.3 mg/L on the average).The COD removal is enhanced by denitrification appearing in the aerobic stage.The effluentNH3-N is lower than 1 mg/L when temperature, alkalinity,and dissolved oxygen in the system are under control and there is no COD shock-load.NO2-N/NO3-N in the effluent from the aerobic stage is 91.1% on the average because nitrifers in nitrification process are inhibited by the metabolic products of microorganisms due to long sludge age. This shows that short-cut nitrification/denitrification is obtained with high efficiency and stability in the system, and is benefit for further removal of nitrogen.SMSBR system operates in anoxic-aerobic-anoxic mode,HRT of the second anoxic stage is longer than 8.44 h and carbon source is added (COD/N=2.1),the average removal efficiency of total nitrogen can reach 87.2% (90.2% as the maximum) and efficiency of denitrification can reach 81.34%。
Keywords:SMSBR;coke plant wastewater;organic matter;nitrogen removal 膜生物反应器(Membrane Bioreactor，简称MBR)是通过膜分离来强化生物处理系统的一种组合工艺，而传统的生物处理工艺则对有毒或难降解有机废水的处理存在一定的局限性，因此能否通过膜分离的强化作用提高生物处理系统对这些废水的处理效果是一个值得研究的课题。之所以选用一体化膜—序批式生物反应器(简称SMSBR)来处理焦化废水，是因为：①焦化废水是一种典型的有毒难降解有机废水，虽适于用生物处理系统，但传统的A/O或A2/O工艺的处理效果还不理想，出水COD难以达到新的排放标准(＜100 mg/L)，另外脱氮效率也难以提高，这正适合于考察膜分离的强化作用；②结合焦化废水的特点，选择序批式生物反应器可以一池实现硝化和反硝化的作用，运行简单，易于自动控制；③膜与序批式生物反应器组合形成的SMSBR工艺是运行能耗低的一种膜生物反应器，且膜分离过程不会影响微生物的活性［1、2］。1 试验概况 工艺流程如图1所示，试验运行分两个阶段，其概况及运行周期设置分别如表1、2和表3所示。试验第一阶段按照“缺氧—好氧”方式运行，是针对有机物的去除而设计的，考察了两种有机负荷(工况1和工况2)下的运行情况；第二阶段按照“缺氧1—好氧—缺氧2”方式运行，是针对脱氮设计的，并考察了两种HRT(分别为工况3和工况4)下的运行情况。整个试验过程保持SRT为600 d，目的是考察在如此长的泥龄下反应器是否能保持较好的处理效果。在每个周期进行膜排水时都对反应器继续曝气，目的是减缓膜过滤阻力的急剧升高。好氧过程中投加NaHCO3碱液以补充碱度，在“缺氧2”过程中补充碳源(甲醇)以实现反硝化。试验用水取自某焦化厂调节池的出水。试验接种污泥取自宝钢焦化厂A/O处理工艺中好氧回流污泥，初始浓度为3 338 mg/L，并先按SBR工艺(HRT=48 h，运行周期各段设置为：进水搅拌=6 h，曝气反应=16 h，沉淀=1 h，排水=0.5 h，闲置=0.5 h)驯化一个月，然后按照SMSBR工艺的运行方式启动运行。表1 运行概况项目2.3系统对NH3-N及TN的去除效果
图4所示为进入春季，硝化重新启动之后进、出水NH3-N浓度的变化(包括第一阶段和第二阶段)。
由图4可见，出水NH3-N浓度从5月4日—5月20日迅速下降至1 mg/L以下，并于6月5日由于出水剩余碱度不足引起波动，但经过调整碱度又迅速恢复正常。从6月13日起，由于提高了进水容积负荷，硝化细菌受到冲击，经过一个月(7月13日)后，出水NH3-N浓度又降至1 mg/L以下。7月23日其浓度再次升高是由于曝气系统出现问题，导致供氧不足引起，并于8月2日又恢复了正常。8月2日"后，进一步提高进水容积负荷使得出水NH3-N浓度再次受到冲击，并难以达到稳定，9月2日之后由于降低了COD负荷，NH3-N很快稳定在1 mg/L以下。由此可见，硝化反应极易受到系统温度、碱度、溶解氧和进水COD负荷的影响，但在保证这些条件之后，系统具有极高的NH3-N转化率。 研究中发现一个突出的现象是：冬季过后的硝化再次启动，硝化过程的第一阶段进行得非常彻底，而第二阶段受到严重抑制，使好氧段NO2-N大量积累，且NO2-N/NOx-N平均高达91.1%，获得了极其高效稳定的短程硝化作用，如图5所示。
这种现象在试验运行初期并未出现，推断是由于泥龄太长使微生物代谢产物增多并被膜所截留而产生积累，从而抑制了硝酸盐细菌的生长。这一现象有利于脱氮过程，并可节省外加碳源。
图6所示为试验第一阶段中各周期各段对TN的去除。 由图6可见，不仅缺氧反应段实现对TN的去除(相对进水的平均去除率为22%)，好氧反应段对TN也有相当的去除(相对缺氧出水的平均去除率为32.1%)，因为该工艺在好氧反应过程中实现了同时硝化反硝化作用。第一阶段对TN的去除率平均为53.1%，其中一半来自好氧段的反硝化作用，这一现象在其他MBR的研究中也得到体现［4］，并解释为由于污泥浓度高而使氧传递效率下降。
为了消除好氧段所积累的NO2-N，并进一步提高对TN的去除，进行了试验的第二阶段(工况3和工况4)，如图7所示。
图中工况3的试验结果表明，增设缺氧段并在此阶段补充甲醇，TN的去除有明显的下降，各段相对进水的平均TN去除率分别是：缺氧为38.9%，好氧为51.9%，总去除率为65%，但最终出水还剩余一定的NO2-N未被除去(平均50.7 mg/L)。为此采用工况4，即通过减少排水量降低反应的容积负荷，延长HRT。结果表明，当“缺氧2”HRT＞8.44 h时，出水NO2-N的浓度大幅度下降(最低4.6 mg/L)，可实现81.34%的反硝化率(外加碳源：COD/N为2.1 g/g)而各段相对进水的平均TN去除率分别是：缺氧为56.3%，好氧为67.1%，总去除率为87.2%，最高达90.2%。
3 结论 ①为使出水COD降至100 mg/L以下，进水容积负荷应低于0.67 kgCOD/(m3·d)；好氧段的反硝化作用对COD的去除有显著的强化作用。
②经过长期的运行，生物反应器内的有机物表现出一定程度的积累，这些物质主要来自微生物的代谢产物(由于泥龄过长)和污泥分散生长所产生的游离细菌，而膜分离作用则保证了出水COD的稳定性；膜分离对废水中的有机物也有一定的截留作用，但所截留的有机物可在后续的反应中被进一步降解而不会产生积累。
③SMSBR工艺在保证系统温度、碱度、溶解氧和进水COD负荷的情况下，出水NH3-N可降至1 mg/L以下，但泥龄过长所产生的微生物代谢产物抑制了硝酸盐细菌，使NO2-N大量积累，NO2-N/NOx-N平均高达91.1%，获得极其高效稳定的短程硝化作用。
④在“缺氧1—好氧—缺氧2”的运行方式中，“缺氧2”的HRT＞8.44 h时，可实现81.34%的反硝化率(外加碳源：COD/N为2.1 g/g)；最终在HRT为45 h的运行条件下，各段相对进水的平均TN去除率分别是：缺氧为56.3%，好氧为67.1%，总去除率为87.2%，最高达90.2%。参考文献：
［1］M Brokman,et al.Sludge activity and crossflw microfiltration-a non-beneficial relationship［J］.Wat Sci Tech,1996,34(9):205-213.
［2］Wuter Ghyoot，et al.Nitrogen removal from sludge reject water with a membrane-assisted bioreactor［J］.Wat Res,1999,33(1):23-32.
［3］李春杰,顾国维.焦化废水的一体化膜-序批式生物反应器处理［J］.上海环境科学,2001，20(1)：24-27.
［4］E B Muller，et al.Aearobic domestic waste water treatment in a pilot plant with complete sludge retentation by crossflow filtration［J］.Wat Res，1995,29(4):1179-1189.