膜面積負(fù)荷對(duì)氣水交替MBR處理污水的影響

王宏杰，董文藝，李 繼

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，深圳市水資源利用與環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，518055 廣東 深圳，dwy1967@yahoo.com.cn)

氣水交替膜生物反應(yīng)器(gas－water alternate membrane bioreactor，AMBR)是將傳統(tǒng)MBR和膜曝氣生物反應(yīng)器(membrane aeration bioreactor，MABR)相結(jié)合形成的一種新型反應(yīng)器，該反應(yīng)器采用兩組膜組件，一組膜組件進(jìn)行曝氣時(shí)，另一組膜組件進(jìn)行出水，運(yùn)行一段時(shí)間后兩組膜組件的功能交替.該反應(yīng)器同時(shí)具有傳統(tǒng)MBR出水水質(zhì)好、占地面積小、運(yùn)行穩(wěn)定和MABR同步除碳脫氮[1－5]的優(yōu)點(diǎn).

常規(guī)污水處理工藝具有一定抗污染負(fù)荷能力，在原水水質(zhì)波動(dòng)的條件下，可通過(guò)改變曝氣量等參數(shù)，達(dá)到穩(wěn)定去除污染物的能力.AMBR工藝采用膜曝氣供氧，膜曝氣供氧量的變化可通過(guò)膜腔內(nèi)壓力的改變而實(shí)現(xiàn)[6－8].在進(jìn)水污染物負(fù)荷改變時(shí)，需改變膜腔內(nèi)壓力來(lái)調(diào)整供氧能力，保證混合液的DO處于理想水平[9]，從而使AMBR具有較好的同步脫氮除碳效果.但負(fù)荷過(guò)高時(shí)，膜腔內(nèi)壓力需達(dá)到很高程度才能保證供氧量，而過(guò)高的膜腔內(nèi)壓力將導(dǎo)致膜材料破損;同時(shí)，由于微生物降解速率的限制，即使保證了供氧量，當(dāng)污染負(fù)荷過(guò)高時(shí)，污染物去除效果仍然有限.對(duì)于AMBR工藝，微生物大部分附著于膜絲表面，混合液污泥含量非常低[9]，該工藝的污染物去除主要通過(guò)膜絲表面的微生物降解實(shí)現(xiàn).因此，為保證反應(yīng)器的處理效果，需確定該工藝的最大膜面積污染物負(fù)荷.本文考察了膜面積污染物負(fù)荷對(duì)AMBR工藝處理模擬生活污水的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件

試驗(yàn)裝置如圖1所示.AMBR中兩膜片進(jìn)行交替運(yùn)行，通過(guò)PLC和電磁閥進(jìn)行控制.當(dāng)電磁閥9開(kāi)啟時(shí)，電磁閥8也處于開(kāi)啟狀態(tài)，膜片4用于曝氣，膜片5用于出水;此時(shí)電磁閥7和10處于閉合狀態(tài).運(yùn)行3 h后，電磁閥8和9自動(dòng)關(guān)閉，而7和10處于開(kāi)啟狀態(tài)，此時(shí)膜片4用于出水，而膜片5用于曝氣.再次運(yùn)行3 h后進(jìn)行交替.氣源為由氧氣瓶15提供的99.9%的純氧，通過(guò)流量計(jì)14控制曝氣量以改變反應(yīng)器中的DO值.膜曝氣過(guò)程中無(wú)肉眼可見(jiàn)的氣泡產(chǎn)生，無(wú)法起到混合作用，因此，在反應(yīng)器底部設(shè)置一水力循環(huán)泵6，有利于原水和反應(yīng)器內(nèi)混合液混合均勻.試驗(yàn)所用膜材料為親水性聚丙烯中空纖維膜(PP)，膜孔徑為0.2 μm，膜面積為0.1 m2/片.反應(yīng)器的有效體積為8 L，水力停留時(shí)間控制為8 h.

圖1 試驗(yàn)裝置圖

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原水為人工配水，由淀粉、葡萄糖、蛋白胨、氯化銨、磷酸氫二鉀、氯化鈣、硫酸鎂、氯化鐵配制而成，并加入碳酸氫鈉調(diào)節(jié)pH值.母液碳氮比(COD與TN比)約為10，pH為7.0左右，原水根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行不同倍數(shù)的稀釋?zhuān)髦饕廴疚镔|(zhì)量濃度比值與常規(guī)生活污水接近.試驗(yàn)用的初期接種污泥取自深圳市某污水處理廠脫水機(jī)房，并利用SBR反應(yīng)器馴化.

1.3 檢測(cè)方法

試驗(yàn)中的水質(zhì)分析方法均參照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行.COD采用重鉻酸鉀密閉消解法;NH4+－N采用納氏試劑光度法;TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解－紫外分光光度法.

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

按3 000 mg/L的活性污泥量向反應(yīng)器內(nèi)投加馴化成熟的污泥，進(jìn)行氣水交替連續(xù)運(yùn)行.通過(guò)改變進(jìn)水污染物質(zhì)量濃度，考查了負(fù)荷(按總膜面積計(jì)算)對(duì)AMBR去除污染物的影響.隨著進(jìn)水負(fù)荷的增加，為保持反應(yīng)器混合液DO控制在0.5 mg/L的較優(yōu)值[9]，通過(guò)增加供氧壓力來(lái)提高供氧量，但為防止膜腔內(nèi)壓力過(guò)大導(dǎo)致膜絲破損，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制膜腔內(nèi)壓力不超過(guò)200 kPa.

2 結(jié)果與討論

2.1 膜面積負(fù)荷對(duì)COD去除的影響

膜面積負(fù)荷對(duì)AMBR去除COD的影響如圖2所示.

圖2 膜面積負(fù)荷對(duì)COD去除的影響

從圖2可以看出，AMBR在膜腔內(nèi)氧壓力控制在200 kPa以?xún)?nèi)的前提下，最大的COD去除負(fù)荷為84.9 g/(m2·d).當(dāng)進(jìn)水 COD負(fù)荷小于90 g/(m2·d)時(shí)，通過(guò)控制膜腔內(nèi)氧壓力，AMBR混合液中的DO質(zhì)量濃度均能控制在0.5 mg/L左右，反應(yīng)器對(duì)COD的去除率也高于90%.當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷達(dá)90 g/(m2·d)時(shí)，膜腔內(nèi)氧壓力已達(dá)到預(yù)設(shè)的最大值.隨著COD負(fù)荷的進(jìn)一步上升，需更多的氧氣才能保證AMBR有效地去除COD.但此時(shí)供氧量已達(dá)到極限，COD負(fù)荷的上升導(dǎo)致了混合液中的DO質(zhì)量濃度迅速下降，COD的去除效果也逐漸降低.當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷增加至100 g/(m2·d)時(shí)，COD去除率已降至60%左右.

2.2 膜面積負(fù)荷對(duì)NH4+－N去除的影響

膜面積負(fù)荷對(duì)AMBR去除NH4+－N的影響如圖3所示.

圖3 膜面積負(fù)荷對(duì)NH4+－N去除的影響

由圖3可知，不同膜面積負(fù)荷條件下AMBR對(duì)NH4+－N的去除可以分為3個(gè)階段.第一階段為進(jìn)水NH4+－N負(fù)荷小于7.2 g/(m2·d)的條件下，此時(shí)混合液的 DO質(zhì)量濃度保持在0.5 mg/L左右，AMBR對(duì) NH4+－N具有很好的去除效果，平均去除率高于90%.第2階段為進(jìn)水NH4+－N負(fù)荷在7.2～8.2 g/(m2·d)的條件下，此時(shí)混合液的 DO質(zhì)量濃度仍保持在0.5 mg/L左右，但反應(yīng)器對(duì)NH4+－N的去降率有所下降.當(dāng)進(jìn)水 NH4+－N負(fù)荷增加至8.2 g/(m2·d)時(shí)，反應(yīng)器對(duì)NH4+－N的去除率已下降至72%.這主要是由于反應(yīng)器中的硝化菌數(shù)量有限，即使在混合液 DO質(zhì)量濃度為0.5 mg/L的條件下，硝化速率的限制使AMBR對(duì)NH4+－N的去除效果也有所下降.第3階段是負(fù)荷大于8.2 g/(m2·d)的條件下，此時(shí)，由于負(fù)荷的持續(xù)增加，反應(yīng)器對(duì)氧的需求量進(jìn)一步加大.但限于膜腔內(nèi)氧壓力控制在200 kPa以?xún)?nèi)的前提條件，供氧量在負(fù)荷為8.2 g/(m2·d)時(shí)已達(dá)到最大值，污染物負(fù)荷的進(jìn)一步增加導(dǎo)致反應(yīng)器中混合液的 DO質(zhì)量濃度迅速降到 0 mg/L.而NH4+－N的去除效果也進(jìn)一步下降，在進(jìn)水負(fù)荷為9.2 g/(m2·d)時(shí)，AMBR對(duì) NH4+－N的去除率已降至50%左右.

采用傳統(tǒng)曝氣方式的生物反應(yīng)器，當(dāng)混合液DO為0 mg/L時(shí)，由于硝化菌難以與異養(yǎng)菌競(jìng)爭(zhēng)少量的氧氣，其對(duì)氨氮的去除率接近于0.而對(duì)于AMBR，當(dāng)其混合液DO質(zhì)量濃度為0 mg/L時(shí)，仍具有一定的NH4+－N去除效果.這主要是由AMBR工藝獨(dú)特的供氧方式?jīng)Q定的，參照文獻(xiàn)[3，11－13]，膜絲上附著的微生物及基質(zhì)質(zhì)量濃度分布示意圖如圖4所示.靠近膜絲表面的區(qū)域具有高DO、低有機(jī)物的特點(diǎn)，有利于硝化菌的增殖.因此，即使混合液DO質(zhì)量濃度低至0 mg/L時(shí)，由于靠近膜絲表層的區(qū)域仍存在溶解氧，AMBR仍具有一定的NH4+－N去除能力.

圖4 膜絲上生物膜及基質(zhì)的分布

2.3 膜面積負(fù)荷對(duì)TN去除的影響

不同膜面積負(fù)荷條件下，AMBR對(duì)TN的去除效果如圖5所示.

圖5 膜面積負(fù)荷對(duì)TN去除的影響

由圖5可以看出，AMBR在膜腔內(nèi)氧壓力控制在200 kPa以?xún)?nèi)的前提下，最大的TN去除負(fù)荷為6.5 g/(m2·d).當(dāng)進(jìn)水 TN負(fù)荷小于8.6 g/(m2·d)時(shí)，反應(yīng)器對(duì) TN的去除率高于70%，最高去除負(fù)荷可達(dá)6.4 g/(m2·d).而當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷進(jìn)一步升高時(shí)，由于NH4+－N的去除率逐漸下降，導(dǎo)致TN的去除效果也不理想.當(dāng)進(jìn)水TN負(fù)荷為10 g/(m2·d)時(shí)，TN的去除率已下降至46%.

3 結(jié)論

1)AMBR對(duì)COD的最大去除負(fù)荷為84.9 g/(m2·d).當(dāng) 進(jìn) 水 COD 負(fù)荷小于90 g/(m2·d)，AMBR對(duì) COD的去除率可達(dá)90%以上，繼續(xù)增加負(fù)荷將導(dǎo)致 COD去除率下降.

2)AMBR對(duì)NH4+－N的最大去除負(fù)荷為6.75 g/(m2·d).當(dāng)進(jìn)水 NH4+－N負(fù)荷小于7.2 g/(m2·d)時(shí)，反應(yīng)器對(duì)NH4+－N的去除率高于90%，繼續(xù)增加負(fù)荷將導(dǎo)致NH4+－N去除率下降.

3)AMBR對(duì)TN的最大去除負(fù)荷為6.5 g/(m2·d).當(dāng)進(jìn)水TN 負(fù)荷小于8.6 g/(m2·d)時(shí)，反應(yīng)器對(duì) TN的去除率高于70%.

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