论文摘要
氮是导致水体富营养化的主要污染物之一,在A/O膜生物反应器（MBR）中实现有机物和氮的同时去除,具有节省有机碳源、减少温室气体排放、减少剩余污泥产生等优点,应用前景广阔。膜污染是制约MBR广泛应用的主要瓶颈,研究膜污染过程和膜污染机理对于控制膜污染、降低MBR运行成本具有重要意义。本研究将缺氧过程、好氧过程和膜分离过程相结合,形成了一体式A/O（缺氧/好氧）膜生物反应器（Integrated A/O-MBR）,实现了在单一MBR中有机物与氮的同时去除。本文对Integrated A/O-MBR脱氮的效果、机理,以及影响脱氮、膜污染的关键因素进行了深入研究。同时考察了Integrated A/O-MBR处理实际船舶污水的性能。研究的主要结论如下:（1）Integrated A/O-MBR具有良好的去除化学需氧量（COD）和总氮（TN）的能力。COD的去除率可以稳定在98%以上,TN的去除率可以稳定在78%左右。由于溶解氧（DO）浓度梯度的存在,反应器不同区域中微生物种群结构不同,其中好氧区域中活性污泥的硝化能力强,缺氧区域中活性污泥的反硝化能力强。反应器中,好氧区域和缺氧区域分别作为硝化反应和反硝化反应的功能区,它们相互配合实现了有机物和氮的同时去除。内部循环速率的增加,会增加Integrated A/O-MBR对TN的去除。水力停留时间（HRT）最少需要8h,Integrated A/O-MBR才能达到较高的TN去除率,而当HRT在8h到12h之间时,反应器的脱氮效果变化不大。在COD/TN从4增加到10的过程中,TN的去除率逐渐提高,COD/TN的提高有利于Integrated A/O-MBR总氮的去除。（2）Integrated A/O-MBR运行中启动期膜污染速率明显高于稳定期。在从启动期到稳定期的变化过程中,活性污泥中的微生物种群结构发生了演变,一些特定功能菌种分别在缺氧区和好氧区发展成为优势菌种,微生物种群多样性随着时间的推移逐渐减弱,到达稳定期后,种群结构不再变化。在从启动期到稳定期的变化过程中,混合液悬浮固体（MLSS）浓度逐渐升高、胞外聚合物（EPS）及溶解性微生物产物（SMP）的含量逐渐变低,絮体颗粒变得较大且内部结构变得松散,这些因素的变化是这一过程中膜污染速率不断减轻的主要原因。到达稳定期后,这些参数不再变化,膜污染速率开始维持在较低水平。活性污泥微生物种群结构的变化,会引起活性污泥混合液组成成分、活性污泥絮体形态结构以及活性污泥流变特性的变化,而这些因素彼此影响,共同作用改变了膜污染速率。（3）丝状菌主要通过改变活性污泥絮体的形态结构来影响膜污染。长期运行时丝状菌的生长状态变化同EPS和SMP之间没有明显的关系。作为活性污泥絮体的骨架,丝状菌对于絮体的形态和内部结构有很重要的影响。丝状菌较少时,絮体的颗粒较小,结构较紧密,而当丝状菌的数量较多时,絮体颗粒变得较大,内部结构也变得较松散。实验中丝状菌对于膜污染速率影响力较弱或者可以忽略,主要是在该条件下活性污泥形态和结构的改变对膜污染速率的影响较弱。（4）Integrated A/O-MBR在高于临界通量和低于临界通量运行时,膜污染表现出不同的行为和机理。高于临界通量运行时,过膜压差（TMP）表现出单一的快速增长特性,膜污染速率在较高的范围内。此时,滤饼层阻力是膜污染阻力的主要来源,膜污染速率主要由活性污泥絮体的等效粒径和分形维数控制。在低于临界通量运行时,膜污染行为表现为两段性:TMP缓慢增长期和TMP飞跃期。TMP缓慢增长期,影响膜污染速率主要因素是微生物代谢产物（EPS、SMP）。这些物质在膜表面及膜孔内的积累引起了局部区域通量的不平衡,局部通量的不平衡又引起了活性污泥在膜表面的沉积,最终进入TMP飞跃期。TMP飞跃期膜污染的行为与高于临界通量运行时相似。由于低临界通量运行时膜清洗或者更换膜组件的频率较低,实际运行中应选取低于临界通量运行。此外,实际运行中可以通过改变操作参数降低EPS、SMP浓度的方法来延长MBR的运行时间。（5）船用燃料油可以通过生物降解的方法去除,经过大约4小时后,油类物质大部分被降解。表面活性剂浓度和盐度对油类物质的降解影响不大,而燃料油浓度和接种污泥则对其有明显的影响。油类浓度越高对应的去除率越大。同传统的活性污泥相比,商业菌种在燃料油生物降解中显示了一定的优越性。采用Integrated A/O-MBR处理实际混合船舶污水时,主要污染物浓度的去除率分别为COD:94.5%,TN:63.7%,总磷（TP）:34%和总悬浮固体（TSS）:99.9%。气相色谱-质谱联用（GC-MS）的结果表明,污水中的油类物质也大部分被去除。在燃料油浓度小于1000mg·L-1条件下,Integrated A/O-MBR处理船舶污水时可以省略油水分离器,从而降低船舶污水处理设施的成本和运行费用。此外,Integrated A/O-MBR的出水水质要明显好于国际海事组织（IMO）的有关规定,可以满足包括阿拉斯加（Alaska）法律在内所有现存法律法规的要求。