序批分體式膜生物反應(yīng)器脫氮除磷特性研究

趙明杰　王序馳　金明姬

摘要：采用序批分體式膜生物反應(yīng)器處理模擬廢水，考察了不同污泥負(fù)荷條件下系統(tǒng)對(duì)TN、TP的處理特性，并探討了系統(tǒng)TN、TP容積負(fù)荷與去除速率間的相關(guān)性。結(jié)果表明，在0.22～0.63 kg COD/（kg MLSS·d）污泥負(fù)荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)TN、TP出水濃度均滿足GB18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)（20 mg/L與1 mg/L），其平均去除率分別為97.3%與96.8%，表明處理效果顯著。在0.22～0.63 kg COD/（kg MLSS·d）污泥負(fù)荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)TN、TP容積負(fù)荷與去除速率具有良好的相關(guān)性，在工程實(shí)踐中有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：序批分體式膜生物反應(yīng)器；污泥負(fù)荷；去除速率

中圖分類號(hào)：X703；TQ052 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）24-6223-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.031

Abstract： The simulated wastewater was treated in Sequence Separation Membrane Bioreactor. The characteristics of TN and TP removal at different sludge loading， the correlation between the volume loading of TN，TP and the removal rate were investigated. The results showed that when the sludge loading was 0.22～0.63 kg COD/（kg MLSS·d），the effluent concentrations of TN，TP met the first level B（20 mg/L and 1 mg/L） criteria specified of the GB18918-2002 Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant， and the average removal rates were 97.3% and 96.8%，respectively，so the system had an excellent treatment efficiency. A good correlation existed between the volume loading of TN，TP and the removal rate when the sludge loading was 0.22～0.63 kg COD/（kg MLSS·d）. It has a guiding significance in the engineering practice.

Key words：sequence separation membrane bioreactor；sludge loading；removal rate

膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor，MBR）是將膜技術(shù)與生物處理技術(shù)相結(jié)合的一種水處理技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)活性污泥法相比，膜生物反應(yīng)器的處理效率高，占地面積小，出水水質(zhì)穩(wěn)定，無污泥流失及污泥膨脹，受到人們的重視[2，3]，但高昂的膜造價(jià)成本與膜污染制約了膜生物反應(yīng)器的大規(guī)模推廣應(yīng)用[4]。

目前，隨經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水體富營(yíng)養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)活性污泥法已無法滿足氮、磷排放標(biāo)準(zhǔn)[5]。在此背景下，膜生物反應(yīng)器在生物脫氮除磷領(lǐng)域備受關(guān)注。膜生物反應(yīng)器通過膜對(duì)微生物的截留作用，在反應(yīng)器內(nèi)可維持較長(zhǎng)污泥停留時(shí)間 （SRT）[6]；同時(shí)，序批式的運(yùn)行模式易在生物反應(yīng)池內(nèi)形成好氧、缺氧及厭氧等不同運(yùn)行環(huán)境，有利于硝化、反硝化及除磷菌的生長(zhǎng)[7]。此外，膜組件與生物反應(yīng)池分置的分體式膜生物反應(yīng)器，減輕了膜的污染，易于管理。綜上所述，本研究采用序批分體式膜生物反應(yīng)器處理模擬廢水，考察系統(tǒng)對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的處理特性，探討系統(tǒng)氮、磷去除速率，為工藝優(yōu)化與運(yùn)行調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

如圖1所示，試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃制造而成，主要由蓄水池、生物反應(yīng)池與排水池構(gòu)成。廢水依次經(jīng)蓄水池、生物反應(yīng)池和排水池并最終排出。進(jìn)入蓄水池的廢水經(jīng)初次沉淀后，在水位差的作用下流入生物反應(yīng)池；在生物反應(yīng)池進(jìn)行生物降解后的處理水，在水位差的作用下流入排水池；處理水在排水池通過膜的過濾最終排出。生物反應(yīng)池內(nèi)設(shè)有曝氣、攪拌裝置及時(shí)間控制器，其有效容積為34 L。排水池內(nèi)設(shè)有中空纖維簾式膜組件（5組），膜購(gòu)置于杭州凱宏膜技術(shù)有限公司，其主要材質(zhì)為聚偏氟乙烯（PVDF）。每組膜面積為140 cm2（20 cm×7 cm），截留孔徑為0.4 μm。

1.2 試驗(yàn)材料

采用人工模擬廢水，廢水以葡萄糖為碳源，（NH4）2SO4與K2HPO4為氮源與磷源，外加CaCl2、FeSO4·7H2O、MgSO4·7H2O等部分微生物生長(zhǎng)所需微量元素配制而成，此時(shí)，廢水化學(xué)需氧量（COD）濃度為500 mg/L，根據(jù)不同試驗(yàn)要求調(diào)整其進(jìn)水濃度。試驗(yàn)用污泥取自延吉市污水處理廠二沉池回流污泥。

1.3 試驗(yàn)方法

污染物生物降解主要在生物反應(yīng)池內(nèi)進(jìn)行，而生物反應(yīng)池結(jié)合生物脫氮除磷機(jī)理，采用曝氣—攪拌—曝氣相結(jié)合的序批式運(yùn)行模式，具體操作如圖2。序批式運(yùn)行模式也減輕了系統(tǒng)對(duì)膜的污染，處理水在生物反應(yīng)池內(nèi)經(jīng)沉淀后流入排水池，避免了污泥流入排水池，減輕了膜的負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)運(yùn)行周期為12 h，日處理量為16 L。

試驗(yàn)以進(jìn)水污泥負(fù)荷為變量，考察不同負(fù)荷條件下系統(tǒng)的生物脫氮除磷特性。污泥負(fù)荷從0.22依次調(diào)整到0.27、0.45、0.56、0.63 kg COD/（kg MLSS·d）等不同負(fù)荷工況。水質(zhì)分析參照國(guó)家環(huán)保局分析方法[8]，總氮（TN）、總磷（TP）、COD及混合液懸浮固體濃度（MLSS）分別采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法、過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法、重鉻酸鉀法與105 ℃干燥減重法。

2 結(jié)果與分析

2.1 TN處理效果

由圖3可知，在0.22、0.27、0.45、0.56、0.63 kg COD/（kg MLSS·d）等不同污泥負(fù)荷工況下，TN平均出水濃度分別為0.95、1.36、1.33、1.74、2.95 mg/L，均低于一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)（20 mg/L）。在0.22～0.56 kg COD/（kg MLSS·d）污泥負(fù)荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)TN的處理效果較為穩(wěn)定，去除率變化幅度較小。但污泥負(fù)荷上升至0.63 kg COD/（kg MLSS·d）時(shí)，TN去除率相對(duì)有較大幅度下降。隨污泥負(fù)荷的增加，系統(tǒng)中有機(jī)物量增多，硝化細(xì)菌在與異養(yǎng)型碳氧化細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)過程中處于劣勢(shì)，生長(zhǎng)繁殖受到抑制，故硝化作用減弱[9，10]，TN去除率也呈下降趨勢(shì)。

整個(gè)運(yùn)行期間，TN平均去除率為97.3%，系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果顯著。曝氣—攪拌—曝氣的序批式運(yùn)行模式，為系統(tǒng)中硝化菌與反硝化菌的生長(zhǎng)，以及生物脫氮過程中的好氧硝化與缺氧反硝化反應(yīng)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。同時(shí)，由于膜對(duì)微生物的截留作用，系統(tǒng)可維持較長(zhǎng)的SRT，有利于生長(zhǎng)速度緩慢的硝化菌的生長(zhǎng)，故系統(tǒng)對(duì)TN的處理效果顯著。

2.2 TP處理效果

由圖4可知，在0.22、0.27、0.45、0.56、0.63 kg COD/（kg MLSS·d）不同污泥負(fù)荷工況下，TP平均出水濃度分別為0.64、0.28、0.22、0.43、0.45 mg/L，均低于一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)1 mg/L。在整個(gè)運(yùn)行期間，0.22 kg COD/（kg MLSS·d）低污泥負(fù)荷條件下，系統(tǒng)對(duì)TP的去除率較低，為92.9%；而隨污泥負(fù)荷的增加，在0.27～0.63 kg COD/（kg MLSS·d）污泥負(fù)荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)TP的處理效果逐漸趨于穩(wěn)定，去除率變化幅度較小，在97.2%～98.1%范圍內(nèi)。據(jù)研究報(bào)道，硝酸鹽對(duì)聚磷菌的厭氧釋磷有抑制作用[11，12]。低污泥負(fù)荷條件下，硝化菌不受異養(yǎng)型碳氧化細(xì)菌影響而大量繁殖，硝化作用加強(qiáng)，而相反反硝化因碳源缺乏受到抑制，故在低污泥負(fù)荷環(huán)境下硝酸鹽得到富集，厭氧釋磷過程受到抑制[13]。

整個(gè)運(yùn)行期間，TP平均去除率為96.8%，系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果顯著。曝氣—攪拌—曝氣的序批式運(yùn)行模式為系統(tǒng)創(chuàng)造了良好厭氧釋磷與好氧吸磷的生物除磷環(huán)境，故系統(tǒng)對(duì)TP的處理效果顯著。

2.3 TN、TP容積負(fù)荷與去除速率的關(guān)系

在不同污泥負(fù)荷運(yùn)行條件下，系統(tǒng)TN、TP容積負(fù)荷與TN、TP去除速率的關(guān)系見圖5。在所有運(yùn)行范圍內(nèi)，隨TN、TP容積負(fù)荷的增加，系統(tǒng)TN、TP去除速率呈上升趨勢(shì)。由圖5、表1可得系統(tǒng)TN、TP容積負(fù)荷與TN、TP去除速率擬合結(jié)果可知，在17.7～40.1、4.3～11.1 g TN/（m3·d）范圍內(nèi)，系統(tǒng)TN、TP容積負(fù)荷與去除速率具有很好的相關(guān)性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證TN、TP擬合方程科學(xué)性，對(duì)系統(tǒng)TN、TP去除速率實(shí)測(cè)值與擬合方程預(yù)測(cè)值進(jìn)行了比較，比較采用卡方（χ2）檢驗(yàn)。結(jié)果表明，TN、TP的χ2值分別為0.003與0.006，χ2<χ20.05，4=9.49，P>0.05，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值無顯著差異，擬合方程可較好地對(duì)TN、TP去除速率進(jìn)行預(yù)測(cè)，在工程中具有意義。但由于試驗(yàn)是在一定污泥負(fù)荷及TN、TP容積負(fù)荷條件下進(jìn)行，故脫離此范圍則擬合方程的預(yù)測(cè)值可能會(huì)與實(shí)測(cè)值出現(xiàn)一定偏差。

3 結(jié)論

1）0.22～0.63 kg COD/（kg MLSS·d）污泥負(fù)荷范圍內(nèi)，序批分體式膜生物反應(yīng)器對(duì)TN的平均去除率為97.3%，對(duì)TP的平均去除率為96.8%，處理效果顯著。且TN、TP出水濃度均達(dá)到GB18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)（TN 20 mg/L，TP 1 mg/L）。

2）試驗(yàn)結(jié)果表明，在17.7～40.1、4.3～11.1 g TN/（m3·d）范圍內(nèi)，系統(tǒng)TN、TP容積負(fù)荷（X）與TN、TP去除速率（Y）具有很好的相關(guān)性，其擬合結(jié)果分別為YTN=0.382 9+0.960 6XTN與YTP=-0.160 7+0.997 2XTP。通過對(duì)擬合方程驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，方程在一定負(fù)荷范圍內(nèi)，可較好地預(yù)測(cè)系統(tǒng)的TN、TP去除速率，在工程中具有一定意義。

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