碳氮比對氣水交替式膜生物反應(yīng)器同步脫氮除碳的影響

王宏杰，董文藝，甘光華，楊 躍，李偉光

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，518055廣東深圳，whj1533@yahoo.com.cn)

為緩減膜污染，傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor，MBR)常采用較大曝氣量，使反應(yīng)器內(nèi)的水流能夠充分攪動，混合液中污泥和顆粒很難沉淀下來，減緩膜上濾餅層的形成速度、減小濾餅層的厚度，從而達到減小膜阻力的效果.同時，較大的氣水比還可以減緩膜的吸附污染［1］.但該措施使混合液中DO含量較高，導(dǎo)致MBR反硝化效果差，TN去除效果不佳.而膜曝氣生物反應(yīng)器(membrane aeration bioreactor，MABR)是將膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)曝氣頭進行曝氣的污水生物處理工藝［2-4］，一些研究表明，該工藝在有效去除-N的同時，還具有較好的脫氮功能［5-9］.但常規(guī) MABR工藝采用后加沉淀池出水，當(dāng)反應(yīng)器處理效果不穩(wěn)定或發(fā)生污泥膨脹時，出水水質(zhì)得不到保證，且占地面積較大.

本實驗中將膜曝氣和膜分離相組合，構(gòu)成新型的氣水交替式膜生物反應(yīng)器(gas-water alternate membrane bioreactor，AMBR)，該反應(yīng)器將有效地結(jié)合傳統(tǒng)MBR出水水質(zhì)好、占地面積小、運行穩(wěn)定和MABR可同步除碳脫氮等優(yōu)點.

對于活性污泥法，因為產(chǎn)率不同，活性污泥系統(tǒng)中異養(yǎng)菌與硝化菌競爭底物和溶解氧，導(dǎo)致硝化菌的生長受到抑制.一般認為處理系統(tǒng)的BOD負荷小于0.15 g/(g·d)時，硝化反應(yīng)才能正常進行［10］，過高的碳氮比將抑制硝化反應(yīng).而對于反硝化過程，則需要一定量的碳源才能滿足反硝化脫氮的需求.硝化和反硝化兩者對碳源需求的不同導(dǎo)致傳統(tǒng)生物反應(yīng)器很難實現(xiàn)同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification，SND).AMBR雖然由于獨特的供氧方式，其生物膜分層及底物降解規(guī)律與傳統(tǒng)生物反應(yīng)器有較大區(qū)別，可以實現(xiàn)單一反應(yīng)器的同步除碳脫氮，但碳氮比對反應(yīng)器所能達到的SND效率仍具有一定的影響［11］.因此，本文采用人工配水，考察了碳氮比對AMBR同步脫氮除碳的影響.

1 實驗

1.1 實驗裝置及運行條件

實驗裝置如圖1所示.MBR中兩膜片進行交替運行，通過PLC和電磁閥進行控制.當(dāng)電磁閥9開啟時，電磁閥8也處于開啟狀態(tài)，膜片4用于曝氣，膜片5用于出水;此時電磁閥7和10處于閉合狀態(tài).運行60 min后，電磁閥8和9自動關(guān)閉，而7和10處于開啟狀態(tài)，此時膜片4用于出水，而膜片5用于曝氣.再次運行60 min后進行交替.氣源為由氧氣瓶15提供的質(zhì)量分數(shù)為99.9%的純氧，通過流量計14控制曝氣量以改變反應(yīng)器中的DO值.由于膜曝氣過程中無肉眼可見的氣泡產(chǎn)生，無法起到混合作用，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)混合液的混合均勻.實驗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，每片膜面積為0.1 m2.反應(yīng)器的有效體積為8 L，水力停留時間控制為8 h.

圖1 實驗裝置

1.2 實驗材料

實驗原水為人工配水，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.原水TN質(zhì)量濃度為36 mg/L左右，NH4+-N質(zhì)量濃度為34 mg/L左右，pH為7.0左右，COD根據(jù)碳氮比的不同進行調(diào)整.實驗用的污泥取自深圳市某污水處理廠脫水機房，并利用SBR反應(yīng)器馴化.

1.3 檢測方法

試驗中的水質(zhì)分析方法均參照國家環(huán)?？偩种贫ǖ乃c廢水分析檢測方法進行.COD采用重鉻酸鉀密閉消解法-N采用納氏試劑光度法，TN采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法-N采用N-(1-萘基)-乙二銨光度-N采用紫外分光光度法.

1.4 實驗過程

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，進行氣水交替連續(xù)運行.前期的研究表明，當(dāng)混合液DO質(zhì)量濃度在0.5 mg/L左右時，AMBR具有較好的同步脫氮除碳效果［12］，因此在本實驗過程中混合液DO控制在0.5 mg/L.通過改變COD，考察碳氮比(COD和TN質(zhì)量濃度比)為3、4、5、7和10左右的條件下，AMBR對污染物的去除效果.每種碳氮比條件下各運行30 d.

2 結(jié)果與討論

2.1 COD去除效果

碳氮比對AMBR去除COD的影響如圖2所示.可以看出，混合液中的COD隨著碳氮比的上升有所增加，由碳氮比為3時的27.8 mg/L增加至碳氮比為10時的83.9 mg/L.這主要是由于隨著碳氮比的增高，COD負荷也由碳氮比為3時的13.24 g/(m2·d)上升至碳氮比為10時的45.63 g/(m2·d).COD負荷的增加導(dǎo)致有機物無法迅速滲入至生物膜內(nèi)部，因而附著于膜絲表面的異養(yǎng)菌對COD的去除效果有所下降，混合液中的COD有所積累.但是通過出水膜表面的微生物及膜過濾的作用，碳氮比在3～10的條件下，出水的COD均在20 mg/L左右.可見，在保證溶解氧的條件下，碳氮比對AMBR去除COD的影響較小.

圖2 碳氮比對AMBR去除COD的影響

圖3 碳氮比對AMBR去除－N的影響

而對于AMBR，曝氣膜絲上附著的微生物及基質(zhì)分布如圖4所示.由于其硝化菌附著于膜絲表面，大部分存在于生物膜內(nèi)側(cè)，而有機物到達該區(qū)域前已經(jīng)被外側(cè)異養(yǎng)微生物充分降解.因此，盡管碳氮比的提高將導(dǎo)致有機物進一步滲入至生物膜內(nèi)側(cè)，但相對于進水，其碳氮比仍大幅度下降，使該區(qū)域硝化菌仍成為優(yōu)勢菌種，因此對-N的去除影響不大.

2.3 TN去除效果

不同碳氮比條件下，AMBR對TN的去除效果如圖5所示，可以看出，碳氮比對AMBR去除TN有很大的影響.當(dāng)碳氮比為3左右時，反應(yīng)器對TN的去除率僅為28.4%，隨著碳氮比的上升，TN去除率也隨之提高，當(dāng)碳氮比為5左右時，TN去除率已提高至66%左右，出水TN平均質(zhì)量濃度為12.4 mg/L，滿足國家一級A的要求［17］.當(dāng)碳氮比進一步上升時，對TN去除的提高有限，當(dāng)碳氮比為10左右時，TN的去除率僅上升至75.2%.可見，雖然AMBR所構(gòu)成的特殊的微生物環(huán)境有利于脫氮，但當(dāng)碳氮比較低(＜5)時，由于反硝化過程中碳源的不足，對TN的去除效果仍然不理想.

圖4 曝氣膜絲上生物膜及基質(zhì)的分布

圖5 碳氮比對AMBR去除TN的影響

本實驗的研究結(jié)果與 Matsumoto等［11］對MABR通過數(shù)據(jù)模型模擬得到的結(jié)果有所差別.該研究中發(fā)現(xiàn)碳氮比為3～5.25時均能獲得較優(yōu)的TN去除效果，當(dāng)碳氮比為3.75時，能獲得最佳的TN去除效果，其去除率達到78.9%.而當(dāng)碳氮比大于6時，TN去除效果迅速下降.本文分析認為，在碳氮比高于6時，附著于膜絲表面的生物膜幾乎完全是異養(yǎng)菌，硝化菌數(shù)量受到了限制，由此導(dǎo)致TN的去除效果下降.而在本實驗中，碳氮比的升高有利于TN的去除，即使在碳氮比為10的條件下，仍未見TN的去除率下降.

對各碳氮比條件下出水中的氮形態(tài)進行分析，結(jié)果如圖6所示.

圖6 原水及不同碳氮比條件下出水氮的組成

3 結(jié)論

1)通過模擬生活污水小試實驗，考察了混合液DO質(zhì)量濃度控制在0.5 mg/L左右、碳氮比在3～10之間變化時，碳氮比對AMBR同步脫氮除碳的影響，結(jié)果顯示:碳氮比對AMBR去除COD和-N無明顯影響，出水中COD和-N的平均質(zhì)量濃度分別在 20 mg/L和2 mg/L左右.

2)碳氮比對AMBR去除TN具有較大的影響，隨著碳氮比的增加，TN去除率逐漸上升，當(dāng)碳氮比大于5時，出水 TN平均質(zhì)量濃度為12.4 mg/L，滿足國家一級A的15 mg/L的要求.

3)出水中TN質(zhì)量濃度隨碳氮比的增加而減少主要通過加強反硝化作用，減少出水中的-N含量實現(xiàn).

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