不同回流比和SRT對(duì)A/O-MBR脫氮除磷的影響

王德美，王曉昌，唐嘉陵，夏四清，2

（1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安710055；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092）

不同回流比和SRT對(duì)A/O-MBR脫氮除磷的影響

王德美1，王曉昌1，唐嘉陵1，夏四清1，2

（1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安710055；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092）

通過(guò)改變回流比和污泥齡（SRT）考察其對(duì)A/O-MBR脫氮除磷效果的影響，結(jié)果表明：在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，不同回流比對(duì)氨氮的去除率都在96%以上。提高回流比，使得反硝化過(guò)程不能完全進(jìn)行，從而導(dǎo)致出水NO3--N升高，脫氮效率降低。而SRT對(duì)NH4+-N、NO3--N和TN沒(méi)有明顯影響。此外，在SRT=30 d，回流比較低時(shí)（回流比為2），厭氧釋磷作用較為明顯，而提高回流比（回流比為3），反硝化聚磷過(guò)程得到強(qiáng)化，反應(yīng)器均能達(dá)到較高的除磷效果（95%以上）。而當(dāng)污泥中TP含量達(dá)到飽和時(shí)，增加SRT至60 d，并不能有效改善除磷效果。

A/O-MBR；回流比；污泥齡；除磷

自80年代起，N、P污染已經(jīng)成為全球性的問(wèn)題。富含N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的污水排入水體會(huì)損害正常的水體功能〔1〕。因此開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的脫氮除磷技術(shù)對(duì)改善水環(huán)境質(zhì)量具有十分重要的意義〔2-3〕。MBR工藝以其較好的出水水質(zhì)受到了科研工作者的青睞。此外，其高效的污泥截留性能使污泥停留時(shí)間（SRT）不受水力停留時(shí)間（HRT）的影響，保證了處理系統(tǒng)內(nèi)較高的污泥濃度，污染物去除效率大大提高。A/O-MBR工藝作為一種常見(jiàn)的脫氮除磷組合形式將傳統(tǒng)脫氮工藝和MBR互補(bǔ)地結(jié)合起來(lái)。然而對(duì)于不同的回流比和SRT，A/O-MBR的脫氮除磷效果并不相同。首先，改變回流比會(huì)對(duì)系統(tǒng)脫氮效果有影響。污泥混合液由膜池回流到厭氧池，回流比的大小直接影響著厭氧池反硝化容量的充分利用及系統(tǒng)出水總氮（TN）濃度〔4〕。其次，改變SRT會(huì)對(duì)系統(tǒng)除磷效果有影響。除磷主要是通過(guò)排放含高磷剩余污泥而實(shí)現(xiàn)的，如果SRT過(guò)長(zhǎng)則排出的剩余污泥量太少，就達(dá)不到較高的除磷效率。T.A.Alper等〔5〕指出，反應(yīng)器中的MLSS及MLVSS隨SRT增大而增大。對(duì)于不同工藝，SRT的改變帶來(lái)的影響不一致。試驗(yàn)以生活污水為處理對(duì)象采用A/O-MBR工藝研究了不同污泥回流比（分別為2和3）以及不同SRT（分別為30 d和60 d）條件下系統(tǒng)對(duì)NH4+-N、TN和P去除率的影響。

1　材料與方法

1.1A/O-MBR反應(yīng)器

A/O-MBR反應(yīng)器如圖1所示。

圖1　A/O-MBR反應(yīng)器

反應(yīng)器有效體積為37.5 L，其中厭氧池、好氧池和膜池的體積比為1∶1∶1。膜組件為PVDF中空纖維膜，面積為0.5 m2，孔徑為0.1 μm。好氧池與膜池之間利用穿孔隔板分開(kāi)，膜池采用穿孔管曝氣沖刷膜表面控制膜污染，氣水比為20∶1，好氧池采用微孔曝氣頭曝氣供氧。運(yùn)行期間，水力停留時(shí)間（HRT）為17.5 h，初始運(yùn)行時(shí)回流比為2，SRT=30 d，一段時(shí)間后增大回流比，使回流比為3，SRT不變，再運(yùn)行一段時(shí)間后在回流比為3的條件下增大SRT，使SRT=60 d。其中MLVSS/MLSS為0.7～0.75。反應(yīng)器進(jìn)水為投加廚余發(fā)酵液的校園生活污水，進(jìn)水COD為350～430mg/L，PO43--P為4～13mg/L，TP為6～15mg/L，NH4+-N為15～29 mg/L，NO3--N為1～2.2 mg/L，TN為18～31 mg/L。廚余發(fā)酵液COD為100～200 g/L，SCOD 為60～120 g/L，TN為500～1 000 mg/L，揮發(fā)性脂肪酸VFA為10～15 g/L，蛋白質(zhì)為10～30 g/L，多糖為50～100 g/L。

1.2水質(zhì)測(cè)定方法

每天定時(shí)從反應(yīng)器中取樣檢測(cè)，分析方法參考APHA〔6〕，測(cè)定COD、SCOD、TP以及污泥濃度，其中樣品通過(guò)0.45 μm濾膜過(guò)濾后測(cè)定NH4+-N、NO3--N、NO2--N、PO43--P。

1.3污泥TP分析方法

污泥中P含量可直接反映污泥對(duì)磷的去除能力以及P在反應(yīng)器中的存在形態(tài)。每天從反應(yīng)器中取樣，泥水混合液直接消解后測(cè)定TP1。另外，混合液在3 500 r/min離心10 min后，通過(guò)0.45 μm濾膜過(guò)濾，測(cè)定溶解性總磷TP2。污泥中TP含量為：TP= （TP1-TP2）/MLSS。

2　結(jié)果與討論

2.1脫氮效果

2.1.1NH4+-N的變化

不同回流比和不同SRT下A/O-MBR中NH4+-N的變化情況如圖2所示。

圖2　　反應(yīng)器中NH4+-N的變化

由圖2可見(jiàn)，在回流比為2，SRT=30 d期間內(nèi)，進(jìn)水NH4+-N在15～29 mg/L之間波動(dòng)，范圍變化較大，而出水NH4+-N較低，基本保持在0.6 mg/L以下，去除率達(dá)97%以上。由此表明反應(yīng)器對(duì)NH4+-N的去除效果非常好，硝化菌的活性較高，硝化作用較為徹底。在SRT不變的情況下將回流比增至3，在此期間進(jìn)水 NH4+-N在 16～26 mg/L之間波動(dòng)，出水NH4+-N同樣較低，基本保持在0.8 mg/L以下，去除率達(dá)96%以上。第三階段維持回流比為3的條件下將SRT增大，使SRT=60 d，此期間進(jìn)水NH4+-N在12～22.5 mg/L之間波動(dòng)，出水NH4+-N較低，去除率達(dá)96%以上。厭氧池中NH4+-N隨進(jìn)水波動(dòng)較大，而好氧池、膜池和出水中NH4+-N較低并保持穩(wěn)定，說(shuō)明反應(yīng)器的耐沖擊負(fù)荷較強(qiáng)。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中不同回流比和SRT對(duì)出水NH4+-N濃度基本沒(méi)有影響，其去除率均在96%以上。這主要是膜組件具有高效的截留能力，能使AOB和NOB在反應(yīng)器中有效地富集。

2.1.2NO3--N的變化

運(yùn)行期間反應(yīng)器中NO3--N的變化情況如圖3所示。

圖3　　反應(yīng)器中NO3--N的變化

由圖3可見(jiàn)，整個(gè)運(yùn)行期間進(jìn)水NO3--N基本維持在2 mg/L左右，比較穩(wěn)定。數(shù)據(jù)顯示在第一階段，即回流比為2，SRT=30 d期間，厭氧池中NO3--N較低，在1 mg/L以下，并且較為穩(wěn)定。但是在第二階段，即SRT不變，回流比增至3，厭氧池中NO3--N有所升高，并且不太穩(wěn)定，這主要是因?yàn)楫?dāng)內(nèi)回流比增加時(shí)，使得進(jìn)入?yún)捬醵蔚娜芙庋鹾彤愷B(yǎng)菌增加，替代NO3--N消耗進(jìn)水中的碳源，從而使得用于反硝化過(guò)程的碳源減少，不能提供充足的電子供體，導(dǎo)致厭氧段不能將回流液的NO3--N全部還原。此外，可以看出，增加SRT至60 d時(shí)對(duì)各部分NO3--N濃度無(wú)明顯影響。由此說(shuō)明在碳源不充足的條件下，回流比對(duì)反硝化具有較大的影響，而SRT影響較小。

2.1.3TN的變化

A/O-MBR反應(yīng)器中TN的變化情況如圖4所示。

圖4　　反應(yīng)器中TN的變化

由圖4可見(jiàn)，在回流比為2，SRT=30 d期間，進(jìn)水TN在18～31 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，而出水TN在3～13 mg/L范圍內(nèi)，TN去除效率達(dá)到60%以上，多數(shù)為70%至85%。在SRT不變的條件下，回流比增至3，此期間進(jìn)水TN在17～27 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，比前一階段偏低，而出水TN濃度范圍與前一階段類似，TN去除率50%以上，多數(shù)為70%至80%，略低于前一階段。改變SRT階段無(wú)明顯變化，可見(jiàn)SRT的改變對(duì)TN沒(méi)有明顯影響。數(shù)據(jù)表明，增大回流比并未使TN的去除率提高，反而有所降低，這主要是因?yàn)樵龃蠡亓鞅瓤赡軐?dǎo)致缺氧段的溶解氧增加，替代NO3--N消耗進(jìn)水中的碳源，使TN的去除率下降〔7〕。而SRT的增加并不能有效地提高脫氮能力，這主要可能是因?yàn)楫愷B(yǎng)反硝化過(guò)程的主要限制因子是基質(zhì)含量（如電子受體和供體）。

2.2除磷效果

2.2.1PO43--P去除效果

A/O-MBR反應(yīng)器中PO43--P的變化情況如圖5所示。

圖5　　反應(yīng)器中PO43--P的變化

由圖5可見(jiàn)，回流比為2，SRT=30 d期間，反應(yīng)器進(jìn)水PO43--P基本保持在10 mg/L左右，最高達(dá)到12.6 mg/L。而出水中PO43--P逐漸降低，第7天后出水PO43--P為0.41 mg/L，去除效率達(dá)到95.1%。第12天利用NaClO清洗膜組件導(dǎo)致第13天除磷效果不理想，僅為27.17%。這可能是因?yàn)榫哿拙艿揭种扑?。但從?4天后，反應(yīng)器除磷效果逐漸恢復(fù)，到第16天達(dá)到96.49%。此外，可以看出厭氧池中PO43--P較高，保持在10～25 mg/L左右，這主要是因?yàn)榫哿拙趨捬鯒l件下的釋磷作用所致。研究表明，聚磷菌在厭氧條件下利用有機(jī)物合成PHB，需要釋放PO43--P。厭氧池中較為徹底的釋磷過(guò)程有利于聚磷菌在好氧條件下過(guò)量吸磷?？梢钥闯鲈诤醚醭睾湍こ刂蠵O43--P含量始終保持在較低水平。

在SRT不變的情況下，將回流比增至3，期間反應(yīng)器進(jìn)水PO43--P基本保持在10 mg/L左右，但是厭氧池中PO43--P明顯降低，僅為0.1 mg/L左右。而此時(shí)好氧池、膜池和出水中PO43--P依然較低，去除效率達(dá)到95%以上。這主要是因?yàn)閰捬醭刂写嬖诜聪趸哿拙?。?dāng)回流比增大時(shí)，厭氧池中NO3--N含量增加（圖3所示），反硝化聚磷菌（DPAOs）利用NO3--N將PO43--P吸入體內(nèi)，從而導(dǎo)致好氧區(qū)含量較低。而將SRT增至60 d時(shí)，由于排泥量減少，反應(yīng)器PO43--P去除效率逐漸下降，至60%左右。而當(dāng)進(jìn)水中PO43--P降低至6 mg/L時(shí)，去除效率依然較低。由此說(shuō)明，SRT對(duì)磷酸鹽的去除影響較大。

2.2.2污泥中TP的變化

運(yùn)行期間污泥中TP的變化情況圖6所示。

圖6　　運(yùn)行期間污泥中TP的變化

由圖6可見(jiàn)，回流比為2時(shí)，厭氧池中TP為22 mg/g左右，低于好氧池和膜池含量（30 mg/g），由此表明污泥在厭氧條件下釋磷，從而導(dǎo)致厭氧池中PO43--P含量較好氧池和膜池高。而當(dāng)回流比增至3時(shí)，厭氧池、好氧池和膜池污泥中TP升高至42 mg/g左右，這主要是因?yàn)榉聪趸哿拙趨捬鯒l件下的吸磷過(guò)程，使得厭氧污泥中磷含量升高，而在好氧區(qū)無(wú)法釋磷，從而使得污泥中TP含量增加?？梢钥闯鑫勰嘀蠺P含量在22 d后幾乎不變，說(shuō)明污泥的吸磷過(guò)程達(dá)到平衡，通過(guò)排泥實(shí)現(xiàn)進(jìn)水TP的去除。因此當(dāng)污泥中TP含量已經(jīng)達(dá)到飽和時(shí)，提高SRT至60 d減少排泥量，進(jìn)水中的PO43--P不能有效地去除，從而使得去除效率降低（圖5所示）。

3　結(jié)論

通過(guò)改變回流比和污泥齡SRT觀察其對(duì)A/OMBR脫氮除磷效果的影響，結(jié)果表明：在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，回流比對(duì)NH4+-N去除效果并沒(méi)有較大的影響。而提高回流比可能導(dǎo)致反硝化不完全，從而導(dǎo)致TN去除效率下降。由于膜組件較高的截留效率，微生物在反應(yīng)器中容易富集，因此STR對(duì)氮的去除效果影響較小。

SRT=30 d的條件下，在回流比為2時(shí)，厭氧池NO3--N含量較低，釋磷過(guò)程較為明顯，而當(dāng)回流比提高到3時(shí)，厭氧池NO3--N含量較高，此時(shí)反硝化聚磷過(guò)程較為明顯，PO43--P去除效率能達(dá)到95%以上。而當(dāng)SRT=60 d時(shí)，磷的去除效率逐漸下降。表明SRT對(duì)磷的影響較大。

厭氧釋磷時(shí)，厭氧池污泥中TP含量明顯低于好氧池和膜池污泥TP含量，而反硝化聚磷過(guò)程存在時(shí)，厭氧池污泥中TP含量和好氧池、膜池接近。同時(shí)污泥中TP含量達(dá)到飽和時(shí)，延長(zhǎng)SRT不能有效改善污泥的除磷效果。

［1］Xia Siqing，Gao Tingyao，Zhou Zengyuan.Simultaneous nitrogen and phosphorus removal under low dissolved oxygen conditions［J］.Journal of Environmental Sciences，2001，13（1）：46-50.

［2］Kuba T，van Loosdrecht M C M，Heijnen J J.Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrification in a two-sludge system［J］. Water Research，1996，30（7）：1702-1710.

［3］Oehmen A，Lemos P C，Carvalho G.Advances in enhanced biological phosphorus removal：From micro to macro scale［J］.Water Research，2007，41（11）：2271-2300.

［4］De Barbadillo C，Carrio L，Mahoney K，et al.Practical considerations for design of a step-feed biological nutrient removal system［J］.Florida Water Resource Journal，2002（1）：18-20.

［5］Alper T A，Ozge E，Lan M，et al.Effect of sludge age on the bacterial diversity of bench scale sequencing batch reactors［J］.Environment Science&Technology，2009，43（8）：2950-2956.

［6］APHA.Standard methods for the examination of water and wastewater，21stedition［R］.WashingtonDC：AmericanPublicHealthAssociation，American Water Works Association，Water Pollution and Control Federation，2003.

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Influences of different reflux ratio and SRT on denitrification and dephosphorization in A/O-MBR

Wang Demei1，Wang Xiaochang1，Tang Jialing1，Xia Siqing1，2
（1.School of Environmental and Municipal Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China；2.School of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

By means of changing the reflux ratio and sludge age solid residence time（SRT），their influences on denitrification and dephosphorization effects in A/O-MBR have been investigated.The results demonstrate that during the whole operation period，all of the ammonia nitrogen removing rates by different reflux ratios is above 96%.Raising the reflux ratio makes the denitrification process unable to complete，which results in the increase of influent NO3--N，and decrease of denitrification effect.However，SRT does not have obvious influence on NH4+-N、NO3--N and TN.In addition，when SRT is 30 d and reflux ratio is low（reflux ratio=2），the anaerobic phosphate releasing action is pretty obvious，while the reflux ratio is raised to 3，the denitrifying phosphate accumulation process can be enhanced. Moreover，the reactors can all reach higher dephosphorization effect（95%）.When the TP content is saturatedin sludge，and SRT lengthened to 60 d，the dephosphorization effect cannot be improved effectively.

A/O-MBR；reflux ratio；solid residence time（SRT）；dephosphorization

X703.1

A

1005-829X（2016）01-0055-04

水體污染與治理科技重大專項(xiàng)（2013ZX07310）；陜西省污水處理與資源化重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2013KCT-13）；城市內(nèi)湖氮磷去除及富營(yíng)養(yǎng)化控制技術(shù)研究（2013ZX07310-001）；城市污水處理設(shè)施升級(jí)改造及資源化利用技術(shù)（CX12160）

王德美（1989—），碩士。E-mail：wangdemei11@163.com。

2015-11-10（修改稿）