膜生物反應(yīng)器強(qiáng)化生物除磷工藝及影響因素

呂浩田 ， 卞曉崢 ， 黃健平,2* ， 趙藝豪

(1.華北水利水電大學(xué) ， 河南 鄭州 450046 ； 2.河南省水體污染與土壤損害修復(fù)工程技術(shù)研究中心 ， 河南 鄭州 450046)

0 前言

為解決水體富營養(yǎng)化這一環(huán)境問題，污染物排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，生物除磷污水處理工藝得到了廣泛的研究與應(yīng)用。而生物除磷工藝的二次釋磷、污泥齡矛盾和碳源競(jìng)爭(zhēng)等固有缺陷限制了自身的發(fā)展。為了克服這些缺陷，近20年來國內(nèi)外學(xué)者將現(xiàn)有的生物除磷工藝與膜生物反應(yīng)器組合，形成了膜生物反應(yīng)器強(qiáng)化生物除磷污水處理工藝，取得了良好穩(wěn)定的處理效果，生物除磷工藝得到了改善。

1 強(qiáng)化生物除磷工藝研究進(jìn)展

1.1 生物除磷工藝及其存在的缺陷

生物除磷工藝的除磷機(jī)制包括兩種，一種是活性污泥微生物增殖對(duì)污水中磷的同化，另一種是活性污泥中的聚磷菌(PAOs)在交替的厭氧和好氧條件下先釋磷后過量吸磷，后者是生物除磷工藝的主要除磷機(jī)制[1]。由于生活污水富含氮磷，所以生物除磷工藝通常也包括脫氮。根據(jù)不同的流程單元順序與回流方式，生物除磷工藝可分為A2O工藝、RA2O工藝和UCT工藝。A2O工藝包括厭氧池、缺氧池和好氧池3個(gè)流程單元，見圖1。

圖1 A2O工藝流程

生物除磷工藝存在一些固有缺陷，包括二次釋磷、污泥齡矛盾和碳源競(jìng)爭(zhēng)。混合液在二沉池厭氧環(huán)境中會(huì)發(fā)生不生成胞內(nèi)有機(jī)物的二次釋磷現(xiàn)象，導(dǎo)致出水總磷(TP)升高；PAOs生長時(shí)間相對(duì)較短，而硝化細(xì)菌則較長，兩者差距較大，致使系統(tǒng)存在污泥齡(SRT)矛盾；除磷與脫氮對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致兩者難以兼顧[2-3]。

1.2 膜生物反應(yīng)器工藝及其優(yōu)勢(shì)

膜生物反應(yīng)器(MBR)是活性污泥法與膜濾的結(jié)合，利用膜組器高效截留有機(jī)污染物和微生物，代替二沉池實(shí)現(xiàn)泥水分離，提高了生化池的污泥濃度(MLSS)和容積負(fù)荷，使水力停留時(shí)間(HRT)和SRT分離，顯著提高了污染物的去除效果[4-5]。MBR可根據(jù)膜組器位置的不同分為兩種，一種是浸沒式MBR，另一種是外置式MBR。浸沒式MBR的膜組器設(shè)置在生化池內(nèi)，見圖2；外置式MBR的膜組器設(shè)置在生化池后獨(dú)立膜池內(nèi)，見圖3。

圖2 浸沒式MBR

圖3 外置式MBR

1.3 膜生物反應(yīng)器改進(jìn)生物除磷工藝的機(jī)制

生物除磷工藝通過與MBR結(jié)合克服工藝自身存在的固有缺陷，形成了膜生物反應(yīng)器強(qiáng)化生物除磷工藝，即在生物除磷的最后一個(gè)單元好氧池內(nèi)設(shè)置膜組器，或在生物除磷流程末端設(shè)置外置式MBR代替二沉池。此時(shí)，二沉池厭氧二次釋磷，PAOs與硝化細(xì)菌的泥齡矛盾，以及脫氮與除磷的碳源競(jìng)爭(zhēng)等問題得到了解決。首先MBR代替二沉池進(jìn)行泥水分離，直接避免了傳統(tǒng)生物除磷工藝二沉池厭氧二次釋磷。

MBR的高效截留作用解決了PAOs和硝化細(xì)菌泥齡矛盾。不同SRT的膜生物反應(yīng)器強(qiáng)化生物除磷工藝結(jié)果見表1。

表1 不同SRT的膜生物反應(yīng)器強(qiáng)化生物除磷工藝

試驗(yàn)研究的出水NH3-N<2 mg/L，TP<1 mg/L，SRT分布在15～40 d。此時(shí)TP和NH3-N在不同SRT條件下都可獲得良好的去除效果，且觀察到表1中的MLSS維持在6 g/L以上，說明PAOs和硝化細(xì)菌在不同SRT條件下都可通過MBR的高效截留作用同時(shí)得到有效富集，兩者的泥齡矛盾問題得到了解決。

MBR的高效截留作用同樣解決了PAOs與反硝化菌的碳源競(jìng)爭(zhēng)問題。由于MBR的高效截留作用可保證出水COD達(dá)標(biāo)，不受運(yùn)行條件影響。一些研究直接將沉砂池出水作為進(jìn)水，利用其較高的COD解決碳源競(jìng)爭(zhēng)問題，得到出水COD<60 mg/L，TN<15 mg/L，TP<1 mg/L，見表2。其中，王朝朝等[15]在UCT-MBR中分別處理低負(fù)荷的初沉池出水和高負(fù)荷的沉砂池出水，結(jié)果表明，MBR可保障兩種負(fù)荷的出水COD達(dá)標(biāo)，高負(fù)荷下出水TN和TP顯著低于低負(fù)荷，這說明利用MBR對(duì)大分子有機(jī)物的截留作用解決碳源競(jìng)爭(zhēng)問題是可行的。

表2 膜生物反應(yīng)器強(qiáng)化生物除磷工藝處理沉砂池出水

綜上所述，不同類型的生物除磷工藝都通過與MBR結(jié)合有效解決了二沉池厭氧二次釋磷，PAOs與硝化細(xì)菌的泥齡矛盾，以及脫氮與除磷的碳源競(jìng)爭(zhēng)等問題。

2 除磷效果與膜污染的影響因素

生物除磷工藝能否發(fā)揮其優(yōu)良的除磷特性，取決于PAOs及其活性，這需要適宜該工藝的污水和運(yùn)行控制條件。MBR運(yùn)行過程中產(chǎn)生的膜污染不容忽視，膜污染主要由混合液胞外聚合物(EPS)在膜孔和膜表面的沉積而產(chǎn)生。溶解性的EPS又稱溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)，兩者的濃度通常由污水性質(zhì)和運(yùn)行控制條件決定。盡管生物除磷工藝涉及到的生化反應(yīng)更復(fù)雜，但其混合液成分的要素與傳統(tǒng)活性污泥工藝是一致的。綜上所述，污水組成和運(yùn)行控制條件是膜生物反應(yīng)器強(qiáng)化生物除磷工藝的除磷效果和膜污染的關(guān)鍵影響因素。

2.1 碳氮比

碳氮比(C/N)對(duì)除磷效果影響，本質(zhì)上是碳源數(shù)量能否滿足除磷需求的問題，而C/N對(duì)膜污染的影響，其機(jī)制相對(duì)復(fù)雜。王朝朝等[20]研究了不同C/N對(duì)UCT-MBR除磷效果與膜污染的影響，結(jié)果顯示：當(dāng)C/N為3.2時(shí)，TP去除率僅為29.5%；當(dāng)C/N為7.3時(shí)，TP去除率提升至98%；C/N由3.2提升至7.3后，膜污染速率提高了32%，此時(shí)混合液組分分析表明，EPS多糖和EPS蛋白分別增加了31.8%和94.7%，SMP增加了100%。MANNINA等[21]也做了類似研究，結(jié)果顯示：當(dāng)C/N為10時(shí)，TP去除率為90%，隨后降低C/N至5時(shí)，TP去除率降至25%；C/N由10降低至5后，膜污染速率提高了50%，顯然與王朝朝等[20]的研究結(jié)論相悖，此時(shí)，混合液組分分析顯示C/N降低后SMP顯著升高，這是由于C/N降低會(huì)導(dǎo)致污泥解體，污泥粒徑隨之減小，膜污染加劇。C/N對(duì)膜生物反應(yīng)器強(qiáng)化生物除磷工藝膜污染的影響有待進(jìn)一步的深入研究。

2.2 水力停留時(shí)間

HRT是影響生物除磷效果和膜污染的關(guān)鍵因素。BROWN等[22]研究了HRT對(duì)A2O-MBR的影響，結(jié)果表明：在好氧HRT為8 h等確定條件下，厭氧HRT在0.5～3 h變化，TP去除率隨厭氧HRT先增加后減少；在2 h時(shí)最大，為82%。這是因?yàn)樽銐虻膮捬鮄RT為PAOs吸收COD釋磷提供了足夠的反應(yīng)時(shí)間，而時(shí)間過長，可利用COD耗盡時(shí)，則會(huì)發(fā)生不能形成胞內(nèi)有機(jī)物的無效釋磷。袁麗梅等[23]研究表明，縮短系統(tǒng)的HRT會(huì)直接加速膜污染，系統(tǒng)在HRT為6.96 h期間的膜污染速率是HRT為8.7 h時(shí)的3倍。這是因?yàn)榭s短HRT意味著提高膜通量，則膜污染進(jìn)程必然隨之加快。

2.3 溫度

溫度決定了混合液微生物活性，且影響膜的性能。SAYI等[24]對(duì)A2O-MBR進(jìn)行長期運(yùn)行，結(jié)果顯示：期間溫度從41 ℃下降到24 ℃，TP去除率反而從50%逐漸增加到95%，這是由于在較高溫度下，厭氧段PAOs較難吸收有機(jī)物釋磷，糖原積累微生物與PAOs之間存在競(jìng)爭(zhēng)。而膜運(yùn)行情況顯示：39 ℃下的膜比通量比25 ℃時(shí)高43%。這說明隨著溫度的升高，膜污染趨勢(shì)有所下降，但生物除磷的過程受到限制。

2.4 溶解氧

溶解氧(DO)對(duì)膜生物反應(yīng)器強(qiáng)化生物除磷工藝的影響與其對(duì)傳統(tǒng)生物除磷的影響不盡相同。袁麗梅等[25]的研究顯示在好氧段DO分別為2.2、1.5、1.0、0.7 mg/L時(shí)，TP去除率分別為51.3%、68.5%、71.4%和60.9%，其中DO為1 mg/L時(shí)，厭氧段釋磷量最大。因?yàn)镸BR在高DO條件下直接進(jìn)行泥水分離，回流污泥攜帶殘留DO會(huì)阻礙厭氧池的正常釋磷，而傳統(tǒng)生物除磷工藝則一般不存在這種情況，故本組合工藝宜在好氧池嚴(yán)格控制DO。

3 結(jié)語

生物除磷工藝通過與MBR結(jié)合形成的膜生物反應(yīng)器強(qiáng)化生物除磷工藝取得良好穩(wěn)定的處理效果，其固有缺陷二沉池厭氧二次釋磷、PAOs與硝化細(xì)菌的泥齡矛盾和脫氮與除磷的碳源競(jìng)爭(zhēng)等問題，因MBR的高效截留作用得到了有效解決。近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此組合工藝的脫氮除磷效果和膜污染的影響因素進(jìn)行了研究，包括碳氮比、水力停留時(shí)間、溫度和溶解氧等。目前，國內(nèi)外對(duì)于常規(guī)好氧MBR或厭氧MBR膜污染的研究已深入至微生物群落及其代謝機(jī)制的水平。本文工藝研究的側(cè)重點(diǎn)在于脫氮除磷效果，對(duì)膜污染的研究報(bào)道較少，所以，應(yīng)更進(jìn)一步探明膜生物反應(yīng)器強(qiáng)化生物除磷工藝的膜污染機(jī)理，為工藝的進(jìn)一步改進(jìn)提供理論依據(jù)。