氮气膜曝气生物反应器厌氧氨氧化初探

1 水资源及其处理现状

1.1 我国水资源现状

地球上总储水量非常丰富，大约有1.36times;10¹² ，在这些水量中，人类无法直接利用的海洋水占97%左右，淡水仅占3%左右^[1]。这些淡水中，其中的四分之三都属于冰川以及冰帽。但是实际上可以供人类使用的淡水资源占理论上的淡水资源不到1%。中国可利用的淡水资源总量大约有2.8x，从数量上看算的上是一个水资源大国了，但是其实我国的淡水资源，在世界上排名只排在第六位。从另外一个角度来看，因为我国人口基数非常的大，在水资源总量不变的情况下导致人均拥有的淡水资源就变得很少了，只有2300 ，并且在分布上很不均匀。在此种自然条件下，随着我国人口的不断增加和经济社会的迅速发展，我国的水资源压力必然会进一步加剧。

近年来，工业农业的不断发展使的大量的含氮、含磷元素，或者其他元素的复杂有机物进入到河流、湖泊等自然水体当中，导致自然水体水质的急剧恶化，以及水体的富营养化现象^[2]，例如近期频繁出现的赤潮的现象。为了我国成功打赢可持续发展的攻坚战，水资源污染是一个必须解决的关键问题。目前，我国的主要的在水资源污染方面被困扰的问题有三个问题，具体如下：（1）污染物的排放量日益增大，并且大大超过了当前水环境的环境容量；（2）受污染水域众多；（3）人均可用水资源短缺。

低碳高氮即低碳氮比（C/N）逐渐成为我国城市污水一个主要特点，其碳氮比例大约在3.3～8.5之间^[3]。随着社会的发展，来自居民的生活污水以及相关商业污水，例如餐饮行业，中的有机物成分发生了显著的变化，最明显的就是污水中的含碳量开始降低与此同时含氮量却开始大幅上升，这是由于生活水平提升后，人民对于鸡鸭鱼等富含蛋白质物品的消耗量快速增加。然而对于目前城市污水低碳氮比这样的形式，若使用传统脱氮方式来处理，则会因为碳源的不足使得硝化细菌，反硝化细菌以及聚磷菌等微生物无法生存和快速繁殖，从而导致脱氮除磷的效果大大减弱。

为了解决当前水资源污染严重，传统脱氮除磷方法又失效的严峻形势，国家在两方面采取了对应的措施。一方面，国家投入了大量的人力物力来修建新型污水处理厂，来处理已经产生的污染物，缓解水资源污染近一步恶化趋势。另一方面，国家制定了更加严格的污水排放条例，《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）A级标准，在此标准中，国家增强了对氮磷废水的排放资格的管控，有些标准甚至甚至超过了地方的污水排放标准。这意味着在一些城市，污水即使达到了当地的排放标准也不能排放，要满足国家标准才可以。

城镇污水处理厂污染物一级排放标准与地表水IV、V类环境标准对比情况见表1.1。

表 1.1 城镇污水厂排放标准与地表水 IV、V 类环境标准指标对比

指标	城镇污水厂出水一级标准（mg/L）		地表水IV类标准（mg/L）	地表水V类标准（mg/L）
	A	B
COD	50	60	le;30	le;40
BOD5	10	20	le;6	le;10
NH3-N	5	8	le;1.5	le;2.0
TN	15	20	le;1.5	le;2.0
TP	0.5	1	le;0.3 （湖、库0.1）	le;0.4 （湖、库0.2）

1.2 生物脱氮原理

在早期时候，人们主要依靠物理和化学方法来进行污水的脱氮。但随着研究的不断深入，人们渐渐发现，这样的方法存在处理过程复杂、运行成本高、对环境会造成二次污染等等问题。在90世纪70年代，南非和美国的研究学者开始从生物角度出发，提出利用生物的脱氮除磷技术，并且更加安全可靠、低成本^{[4, 5]}。

污水中的氮有多种存在形式，其主要包括：有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮。目前污水处理中的氮处理方法主要分为三步，分别是氨化、硝化和反硝化。通过微生物的生物化学反应，将污水中大多数的有机态的氮转化为氨氮，然后通过硝化菌在好氧的条件下将氨氮转化为硝酸盐氮，最后在利用反硝化作用，将其转化为气体并且以气体状态排出水体，从而达到废水脱氮的目的。同时在同化作用下将部分氨氮合成新细胞，并最终以剩余污泥形式排放。

氨化作用：又称为脱氨作用，氨化是指微生物在分解含氮有机物，例如蛋白质，时产生氨氮的过程。自然界中，动植物的残体中含有大量的大分子含氮有机物，这些有机物在微生物的作用下会分解成小分子的有机化合物，进而在酶的作用下脱去其含有的氨基，从而产生氨，这整个将有机氮从大分子含氮有机物中释放出来成为氨氮的过程称为氨化作用。

在氨化作用过程中产生的氨一般分为两个部分，一部分被用于微生物自身物质的同化合成，另一部分则是排除体外被硝化细菌所利用。氨化作用普遍存在于自然界中，几乎所有异养微生物都可以进行氨化作用，无论是缺氧微生物还是好养微生物。

硝化作用：硝化过程包括硝化亚硝化，硝化的过程是指亚硝化细菌和硝化细菌在有氧气存在的条件下将氨氮氧化成亚硝酸钠盐氮，在将亚硝酸盐氮氧化成为硝酸盐氮的过程。一般来说，硝化过程包括两个步骤，一是硝化，二是亚硝化。首先，（氨氮）在亚硝化细菌的作用下被氧化成（亚硝酸盐氮）；然后，在硝化细菌的作用下被氧化成为（硝酸盐氮）。当然这是简化了的过程，在实际的微生物体内远不止这两步，氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮之间的转化涉及到了各种酶的催化和电子的转移。

反硝化作用：也被称为脱氮作用。反硝化作用是指利用反硝化细菌在缺氧的条件下用含碳有机物作为其碳源来提供电子，将电子转移至硝酸盐和亚硝酸盐等电子供体上去，还原硝酸盐氮和亚硝酸盐氮成为气态的分子氮或者有机氮。

根据脱氮转化途径的不同，反硝化作用可分为俩类，一是同化反硝化，二是异化反硝化。同化反硝化是指硝酸盐氮以及亚硝酸盐氮在在微生物体内经过复杂的生化反应后合成了有机物并且成为了微生物的一部分。异化反硝化的最终产物不是有机物而是气态氮，这些气态的氮将会被微生物所遗弃，然后排出到微生物体外。当氧气存在时，氧气是反硝化作用的最终的电子受体，当氧气不存在但是存在硝酸盐氮的情况下，消化作用的最终电子受体则由硝酸盐氮扮演，此时的硝酸盐氮将会被还原生成N₂和N₂O^[6]。在条件不合适的时候，在反硝化的过程会出现积累的情况，这对人体以及部分生物是有害的，所以在利用反硝化来处理污水达到脱氮目的的时候需要注意的积累问题。反硝化细菌对环境条件的要求比较宽泛，当温度在5℃到40℃之间，pH在7.0到7.5之间时，反硝化细菌都可以进行反硝化作用。

1.3 传统脱氮工艺

传统生物脱氮工艺一般拥有两个步骤，硝化以及反硝化。其中硝化作用由硝化细菌（好氧菌）在好养的条件下进行的，反硝化作用是由反硝化细菌（兼性厌氧菌）在厌氧的条件下进行的。由于硝化细菌发生硝化反应与反硝化细菌发生反硝化反应所需要的环境条件不同，所以硝化作用与反硝化作用不能够在同一个反应池内同时进行，需要分开。在此基础上发展起来的传统脱氮方法，例如A²/O、UCT、A/O等，都是采用两个反应池串联的运行模式。目前我国大多数的污水处理厂用的都是这个方法。由于硝化细菌的生长周期长，泥龄长，所以传统脱氮的效率相对低下。并且由于硝化反应的过程中会产生氢离子，导致pH降低即酸化，所以在硝化过程中一般需要额外的添加一些碱性物质来中和酸性物质以达到稳定pH的目的。此外，硝化细菌属于异养微生物，需要有机物作为电子供体，在污水本身含有的有机碳较低的时候，在脱氮过程中需要添加额外的有机物^[7]。

A²/O是一种简单实用的具有生物脱氮除磷功能的成熟的水处理工艺^{[8, 9]}，它具有构筑物的结构简单、水力停留的时间较短、污泥不容易发生膨胀以及运行经验成熟等多个优点。工艺既有它的优点，相应的也有不可避免的一些缺点，例如硝化细菌的生长周期较长与除磷细菌的生长周期较短之间存在着不可调和的矛盾，厌氧释放磷同缺氧时的反硝化过程都需要同样的生长元素，这就会因为生长基质不足而产生竞争^{[10, 11]}，同时，因其处理工艺需要回流污泥以及回流混合液，这其中携带的部分硝态氮元素和溶解的氧气都会对处理工艺产生不可避免的影响等，从而产生相应的问题。这些缺点的存在，使得此工艺无法同时保证高效的脱氮和除磷^{[12, 13]}。

传统化学法脱氮主要有以下几个类型：①吹脱法：在高氨氮废水中加入碱性物质，使其发生如下反应式：,从而产生气态氨，并且使其随着空气的流动脱离水体^[14]。吹脱法的主要优点是，设备占地面积小，并且操作灵活便捷，建造起来容易，适用于大多数的污水处理厂^[15]。吹脱法能够有效的处理高浓度的氨氮废水，具有操作简单，工艺流程短，运行成本较低，适应性强等优点，并且吹脱出来的氨气可以在此回收利用^[16]，但是受温度的影响较大，低温时脱氮效率低，吹脱使用的时间较长，而且吹脱使用的容器易结垢。在处理于氨浓度较高的废水时，吹脱塔和吹脱池需要进行预处理。相对的吹脱法也有很多缺点，例如温度对吹脱法的影响较大，温度低时吹脱法脱氮的效率较低，吹脱所需要的时间长，吹脱的容器容易结垢等等^[17]。

②化学沉淀法：在含氮废水加入一定量的特定的沉淀剂，在一定的条件下，使废水中的氨氮与沉淀剂生成难溶性磷酸铵镁()沉淀，从而沉淀下去，由此达到脱氮的目的。在前人大量实验的基础上，选择适合的温度、pH等理化条件，可使化学沉淀法的脱氮效率达到90%以上^[18]。同吹脱法一样，由于化学沉淀法需要特定的沉淀剂，所以其运行成本很高，并且由于沉淀剂种类的限制，此方法只对氨氮具有较好的去除效率，对亚硝酸盐氮、硝酸盐氮等并没有很有效。

③离子交换法：利用有选择性吸附作用的材料，来去除水中氮的方法称为离子交换工艺。离子交换系统有很多优点，例如系统运行的成本较低、初期的投资成本少、出水水质稳定、能耗低等一些列优点^[19]。此方法常用的吸附剂有，离子交换膜、离子交换树脂、沸石、蒙脱石、火花煤、树脂吸附剂、活性炭、硅藻土等。此方法的主要的优点是成本低与工艺简便^[17]。由于离子吸附剂需要定期更换和清洗，并且所使用的材料有可能产生二次污染，这些缺陷给离子交换法的普及与推广带来了很多的不便。

2 污水脱氮技术理论的最新进展

随着生物大分子化学的快速发展，人们对脱氮工艺有了更进一步的认识。人们基于传统脱氮方式上提出了一些更加简便高效的新型脱氮工艺和新的理论观点，例如硝化细菌的硝化作用和反硝化作用是可以同时进行的。由此产生了一系列的新型脱氮工艺，包括短程硝化工艺、同步硝化反硝化工艺以及厌氧氨氧化工艺等。其中厌氧氨氧化最具发展前景。

2.1 短程硝化-反硝化工艺

短程硝化-反硝化工艺是指通过控制外部条件实现在亚硝化阶段进行反硝化反应，由此避免了由于亚硝酸盐氮积累对微生物活性的影响。这项工艺具有减少反应器容积、污泥产量和曝气量，缺点是很难长久稳定亚硝酸氮的积累^[20]。短程硝化-反硝化的代表工艺无疑是SHARON工艺，SHARON工艺全称是 Single reactor for high ammonium removal over nireite，该工艺利用了硝酸菌在 30~35℃的环境中增值速率低于亚硝酸菌的特点，此项工艺对反应器的水力停留时间以及污泥龄，还有水温进行控制，淘汰杂菌，例如硝酸菌，使亚硝酸菌在反应器中占有绝对优势，从而实现脱氮。这项工艺做到了在一个系统内实现短程硝化反硝化，使曝气量和碳源做到了双重节约，产泥量降低，从而大大降低了基建费用和反应器容积。OLAND 工艺，全称是 Oxygen limited autotrophic nitrification and denitrification，在此工艺中溶解氧是关键，在 DO 较低时，易发生丝状菌膨胀，因此该工艺更适用于膜工艺^[21]。

2.2 同步硝化反硝化

同步硝化反硝化，简称SND。是指可以使硝化和反硝化同时在反应器发生的一种新型工艺。不同于传统的工艺，没有完整的硝化-反硝化过程。例如氧化沟、SBR和转盘等常见处理工艺，都属于同步硝化反硝化。可以减少曝气量从而降低能耗^{[4, 22]}。

3 厌氧氨氧化技术

厌氧氨氧化技术的工艺原理是在厌氧环境中，利用厌氧氨养细菌将亚硝酸盐氮和氨氮结合转化为氮气从而起到高效且无害化脱氮的目的。此技术可以有效改善酸碱平衡，降低污泥产量^[23]。

3.1厌氧氨氧化菌

厌氧氨氧化菌是一类细菌的统称，其英文名称为Anaerobic ammonium oxidation bacteria，简称为AAOB，属于革兰氏阴性菌，并且具有光损性，需要避光培养，厌氧氨氧化菌的繁殖方式为细胞单生或者成对的出芽繁殖。在电子显微镜的观察下，厌氧氨氧化菌的形状以不规则的圆形或者椭圆形居多，并且其直径一般不到一微米^[24]。厌氧氨氧化菌属于浮霉菌门，包括Ca.Brocadia，Ca.Anammoxoglobus，Ca.Kuenenia，Ca.Scalindua，Ca.Anammoximicrobium和Ca.Jettenia。人类至今未能成功地分离得到纯种菌株，因此，厌氧氨氧化菌并没有一个统一且固定的名称以及分类，只是统称其为厌氧氨氧化菌^[25]。

目前已经发表了的厌氧氨氧化菌的简单的模型结构示意图。如图1.1-a所示^[26]，厌氧氨氧,菌从内到外依次为蛋白质颗粒、类核(nucleoid)、核糖质(riboplasm)、Anammox体(anammoxosome)、细胞质内膜(intracytop lasmic membrande)、pp质(paryphoplasm)、细胞膜(cytoplasmic membrane)、细胞壁(cell wall)。

图1.1 厌氧氨氧化结构及原理

厌氧氨氧化菌的菌落颜色为红色，生长周期长，大约在10天到30天左右。厌氧氨氧化菌在pH值在7.5到8.5之间可以存活，最适pH为8。最适合厌氧氨氧化菌生长的温度在20℃到43℃之间^[27]。厌氧氨氧化菌属于严格厌氧菌，氧含量越低越好。

厌氧氨氧化菌在厌氧的环境中，可以将铵根离子（）以及亚硝酸根离子()结合在一起，反应生成氮气，从而达到脱氮的目的。厌氧氨氧化菌是一类自养型的微生物，它的主要碳源是二氧化碳（），而不是传统的脱氮除磷中硝化细菌与反硝化细菌所使用的有机碳。所以对于低碳氮比的污水来说，想要在不额外添加碳源的情况下去除污水中的氮，厌氧氨氧化菌无疑是一个很好的选择。根据相关研究表明，厌氧氨氧化菌的厌氧氨氧化作用去除了海洋生态系统中大约的百分之三十到五十的氮含量，由此可以看出，厌氧氨氧化对与水体中氮元素的去除的巨大的作用^[28]。

3.2 厌氧氨氧化

厌氧氨氧化是基于厌氧氨氧化菌的一种生物脱氮方式。根据电子受体的不同,厌氧氨氧化可以分为两类，第一类是用亚硝酸盐与氨氮发生反应生成氮气的亚硝酸盐型的型厌氧氨氧化，又称为N-anammox，此反应的化学反应方程式为。第二类是用硫酸根与氨氮发生反应生成氮气的硫酸盐型的厌氧氨氧化，又称为S-anammox，其反应方程式为。

在厌氧氨氧化的反应过程中，目前认为的机理是以亚硝酸盐粒子作为电子的受体，氨氮粒子作为电子生物供体，二者发生反应直接生成氮气。具体的反应过程，如图1.1-b所示，可以描述为三步^{[29, 30]}。第一步，亚硝酸盐离子在亚硝酸盐还原酶的催化作用下被还原成一氧化氮（）。第二步，羟基氨和氨气分子在一起被细胞质内部的一种被膜包裹了的联胺水解酶催化，使二者结合生成联氨（）。第三步，在细胞质中与到联氨氧化酶接受其催化，并且转化成。其反应方程式为

总反应式为：

4 膜曝气生物膜技术

4.1 膜曝气曝气生物膜

膜生物反应器可以分成三类：①膜分离生物反应器( Membrane separation bioreactor) ，一般用于分离和截留固体; ②膜曝气生物反应器 (Membrane aeration bioreactor) ，即无泡曝气,因其高效的氧利用率，一般可用于高需氧量的废水处理;③萃取膜生物反应器 ( Extractive membrane bioreactor) ，一般用于工业废水中优先污染物的处理^[2]。在下文叙述过程中，若未特意说明，则均为膜曝气生物反应器。

膜曝气生物膜法就是在膜曝气生物反应器上进行的污水处理方法。膜曝气生物膜法又称无泡曝气生物膜法，是利用各类膜材料围成一个中空层，在中空层通各种气体并将整个膜材料浸润在水中，使得微生物附着在膜材料上生长形成一个由微生物组成的阶梯型生物群落，处理污水的关键就在于此生物群落的附着与驯化^[31]；与传统鼓泡曝气池所不同的是。第一，膜曝气生物膜法在曝气时要求膜材料内外的气体压差小于泡点，即恰好能够使人用肉眼观察到有气泡的产生时最小气体压强，整个反应器内无气泡产生；第二，传统鼓泡曝气池的微生物群落一般悬浮在池水中或者附着在外加的载体上^[32]；前者不够稳定，容易造成微生物的流失，后者则需要增加了额外的成本，相较而言，膜曝气生物膜法的生物膜直接生长在曝气膜上，不仅同时解决了上面两个问题，而且由于内外生物层（即靠近膜材料的微生物和靠近水的微生物层）氧化还原电位的不同，导致其所生长的微生物种类也不同，微生物种类的增多提高了反应器对污水的适应能力和氧气的利用率，变相的节约了成本、提高了效率。近些年随着科学技术日益提升，不同材质的膜材料相继开始出现，并且传统膜材料的价格开始下落，这为新型膜曝气生物膜法的出现与普及奠定了基础^[33]。

4.2 膜生物反应器技术的发展历程

在上个世纪六十年代初的美国，出现了史上第一个完整的膜生物反应器，并且，在美国化学会议上美国 Dorr- Oliver公司发表了相关研究成果。在1968年，Syracuse大学的教授 N. L. Nemerrow 系统的研究了此工艺的优秀性，并在1969年10月美国的第四十二届联邦水污染会议上向世人发表了他的关于研究成果。在1971年，P. L. Staverger发表了相关的文章，详细证明了膜生物反应器在处理低碳氮比（C/N）污水上的优势^[34]。从此以后，膜生物反应器正式进入了人们的视野中，并受到广泛关注。但是直到七十年代末期，膜生物反应器的相关研究都只算是处于基础阶段。进入八十年代后，随着科学技术的发展，尤其是膜材料生产技术的成熟，膜生物反应器的相关研究也随之取得了较大的进展。其中日本对于膜生物反应器的研究在全球范围内属于前沿部分。早在1987年，日本就已经拥有至少13家公司使用膜曝气生物反应器作为他们的污水处理工艺，处理后的水可以作为中水重复使用。

我国在这方面的研究起步的较晚，在1991年10月岑运华介绍了日本的MBR的研究现状后，清华大学通过引进法国和日本的膜反应器来进行相关的研究。在此之后，同济大学也从日本购买的一套成套的膜曝气反应器系统，由此开始了厌氧膜生物反应器的研究工作，直至今日^[35]。

4.3 膜曝气生物膜法的优点

①由膜曝气生物膜法不产生气泡。对于好养曝气池，氧气直接能够以分子状态透过膜材料，进入微生物层。由此，氧气可以全部被微生物所利用，传质效率几乎可以达到100%，解决了因溶氧不足导致的好养微生物生长状况不好的现象。 同理，对于厌氧曝气池，氮气以分子态透过膜材料，进入微生物层，挤占了氧气的存在空间，形成一个溶氧极低的空间，更加有利于厌氧菌的生长繁殖。

②由于微生物附着在膜材料的外表面，并且曝气不产生气泡，所以在曝气过程中，处于外侧生物膜层不会因为气体或水体的流动而造成生物膜的脱落。

③由于气体分子透过膜材料可以直接接触到生物膜，期间并不会接触到液相边界层，因此，其气体的传质阻力相比较传统曝气法要小很多，由此可节约更多的能源。

④常规曝气池的鼓泡式曝气，在当污水中含有易挥发性物质时，例如苯酚，甲苯等。这些物质就会随着气泡脱离水里进入大气，对大气产生污染。同时也是为在实验室的同学和工作人员增添了一份安全隐患。而膜曝气生物膜法在曝气过程中不产生气泡，气体以分子态在微生物和水体之间移动，这就避免这种情况的发生。同时，也不会因为污水存在表面活性剂而在水体表面产生大量的气泡，影响视觉感受。

⑤同时，中空纤维膜的比表面积非常大，巨大的比表面积为气体的传递以及微生物的生长提供了巨大的施展空间，这有利于反应器的小型化。

⑥在膜曝气生物反应器中，气液两相是分离的，曝气压力不会受到反应器内液体混合状态的影响^[36]。因此，溶液氧化还原电位的高低可以通过调节曝气压力来控制。对于污染程度一般的废水，可以通过控制溶氧，在保证微生物生长的同时，减小曝气压强，由此既可以避免曝气过渡而导致的水体溶解氧浓度过高，也能够较大程度的降低反应器运行的费用。对于需要脱氮的废水，则可以通过控制曝气程度，使得只有靠近膜材料的微生物能够氧气，即生长好养微生物，在外层由于缺少氧气，则生长的为厌氧微生物，在垂直方向上生长不同种类的微生物。从而达到，同时去除COD和脱氮除磷的效果。

5 当前膜曝气法处理低碳氮比污水所存在的问题及展望

近年来，生活污水、工业废水、地表水和地下水均出现了氮的污染问题。大多数情况下，它们均缺乏反硝化脱氮所必需的碳源， 给氮的无害化处理带来困难。传统的生物脱氮理论认为，氨氮的去除通常经过硝化和反硝化 2 个过程^[37]。 由于利用的微生物和反应条件不同，一般来说，硝化和反硝化不能同时发生，由此发展了多种不同的生物脱氮工艺，如：A/O、A2/O、UCT 工艺等。这些工艺在废水脱氮方面起着一定的作用，但也存在着许多问题，如氨氮的完全硝化需要消耗大量的氧，其结果增加了动力消耗；对低碳氮比的废水，需外加碳源，使得整个工艺流程变长，存在占地面积大，基建投资高等不足。所以低碳氮比情况下硝酸盐脱氮所面临的主要问题是如何以最低的代价提高其去除率。

5.1 膜曝气生物反应器

膜曝气生物反应器(membrane aerated bioreac—tor，MABR)是利用透气膜进行曝气供氧的一种污水生物处理新工艺。由于采用的透气膜一般为微孔疏水有机膜或致密硅橡胶膜，空气可以极小的气泡甚至无泡的形式进入水体中，因此可以获得很高的氧利用率^[38,39]。另一方面，透气膜也是生物膜附着生长的良好载体。因此，在MABR中，空气通过透气膜为附着在其上的生物膜提供无泡曝气，同时透气膜上的生物膜与污水充分接触，可实现高效低耗降

国外膜生物反应器在污水处理中的应用范围和规模不断增加, 然而, 膜污染依然是影响其推广应用的主要障碍。经济分析表明中小规模的污水处理厂可能采用膜生物反应器更便宜, 但大规模的污水处理厂宜采用常规工艺。现代分子生物技术为研究和了解膜生物反应器中的微生物群落提供了新的方法和手段^[40]。

5.2 膜曝气生物膜法存在问题和研究发展方向

尽管膜曝气生物反应器对废水进行无泡曝气有着诸多优势，但在研究过程中也发现存在一些问题^[41.42]。(1)对于活性污泥系统，无泡曝气不能够产生气泡对污泥混合液产生混合，而采用其他混合方式如循环泵等会带来较高的能量消耗；(2)中空纤维膜的内腔会形成凝结物，减少了氧传质的有效膜面积；(3)膜孔和膜表面容易吸附油脂、氧化铁等物质，同时表面活性剂、固体悬浮物和纤维缠绕会产生非生物性污染，在膜表面形成污染层从而使得传氧能力下降；(4)微生物非常容易附着在膜表面形成生物膜，导致传递至反应器主体的氧量下降。微生物对于膜组件的影响虽然对于悬浮污泥系统是个不利的现象，但是如果合理利用，却可以发展成为一种新型生物膜工艺，即膜曝气生物膜。以下将重点介绍这类生物膜的形成和传质特点^[43]。

并且由于具有出水水质优异，操作运行简单，污泥产率低，占地面积小等特点^[44]。膜生物反应器在污水处理的应用范围和规模不断扩大和增加。然而, 膜污染和目前高昂的投资费用是影响膜生物反应器进一步推广应用的主要因素。随着材料科学技术的发展，膜材料和膜组件的费用会逐步降低，但今后膜污染却依旧是膜生物反应器推广应用的主要障碍。目前膜生物反应器在国外的研究和应用发展很快。膜曝气生物膜法应当致力解决上述问题同时增强其优点。

6 小结与展望

传统化学脱氮工艺和传统生物脱氮工艺在处理含氮污水时具有一定的局限性，例如传统生物脱氮工艺适宜处理高碳氮比污水，这是由其脱氮机理决定的。当前我国城市污水的趋势是由高碳氮比趋近与低碳氮比，此时传统生物脱氮工艺 的局限性就体现了出来。为了应对由于传统脱氮工艺造成的处理空缺，需要一种可以高效处理低碳氮比污水的生物脱氮工艺。

分析厌氧氨氧化菌脱氮机理，发现利用厌氧氨氧化菌脱氮时不需要碳源，因此，厌氧氨氧化菌在处理低碳氮比污水具有得天独厚的优势。本实验利用氮气曝气膜装置培养厌氧氨氧化菌，力图达到富集厌氧氨氧化菌以及利用其脱氮的双重目的。

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资料编号：[84466]

氮气膜曝气生物反应器厌氧氨氧化初探

1 水资源及其处理现状

1.1 我国水资源现状

地球上总储水量非常丰富，大约有1.36times;10¹² ，在这些水量中，人类无法直接利用的海洋水占97%左右，淡水仅占3%左右^[1]。这些淡水中，其中的四分之三都属于冰川以及冰帽。但是实际上可以供人类使用的淡水资源占理论上的淡水资源不到1%。中国可利用的淡水资源总量大约有2.8x，从数量上看算的上是一个水资源大国了，但是其实我国的淡水资源，在世界上排名只排在第六位。从另外一个角度来看，因为我国人口基数非常的大，在水资源总量不变的情况下导致人均拥有的淡水资源就变得很少了，只有2300 ，并且在分布上很不均匀。在此种自然条件下，随着我国人口的不断增加和经济社会的迅速发展，我国的水资源压力必然会进一步加剧。

近年来，工业农业的不断发展使的大量的含氮、含磷元素，或者其他元素的复杂有机物进入到河流、湖泊等自然水体当中，导致自然水体水质的急剧恶化，以及水体的富营养化现象^[2]，例如近期频繁出现的赤潮的现象。为了我国成功打赢可持续发展的攻坚战，水资源污染是一个必须解决的关键问题。目前，我国的主要的在水资源污染方面被困扰的问题有三个问题，具体如下：（1）污染物的排放量日益增大，并且大大超过了当前水环境的环境容量；（2）受污染水域众多；（3）人均可用水资源短缺。

低碳高氮即低碳氮比（C/N）逐渐成为我国城市污水一个主要特点，其碳氮比例大约在3.3～8.5之间^[3]。随着社会的发展，来自居民的生活污水以及相关商业污水，例如餐饮行业，中的有机物成分发生了显著的变化，最明显的就是污水中的含碳量开始降低与此同时含氮量却开始大幅上升，这是由于生活水平提升后，人民对于鸡鸭鱼等富含蛋白质物品的消耗量快速增加。然而对于目前城市污水低碳氮比这样的形式，若使用传统脱氮方式来处理，则会因为碳源的不足使得硝化细菌，反硝化细菌以及聚磷菌等微生物无法生存和快速繁殖，从而导致脱氮除磷的效果大大减弱。

为了解决当前水资源污染严重，传统脱氮除磷方法又失效的严峻形势，国家在两方面采取了对应的措施。一方面，国家投入了大量的人力物力来修建新型污水处理厂，来处理已经产生的污染物，缓解水资源污染近一步恶化趋势。另一方面，国家制定了更加严格的污水排放条例，《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）A级标准，在此标准中，国家增强了对氮磷废水的排放资格的管控，有些标准甚至甚至超过了地方的污水排放标准。这意味着在一些城市，污水即使达到了当地的排放标准也不能排放，要满足国家标准才可以。

城镇污水处理厂污染物一级排放标准与地表水IV、V类环境标准对比情况见表1.1。

表 1.1 城镇污水厂排放标准与地表水 IV、V 类环境标准指标对比