氣水交替膜生物反應(yīng)器處理生活污水效能

王宏杰，董文藝，李 繼

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，518055 廣東 深圳，whj1533@yahoo.com.cn)

氣水交替膜生物反應(yīng)器處理生活污水效能

王宏杰，董文藝，李 繼

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，518055 廣東 深圳，whj1533@yahoo.com.cn)

為更好地將氣水交替膜生物反應(yīng)器應(yīng)用于實(shí)際工程，通過中試試驗(yàn)，考察該反應(yīng)器對(duì)實(shí)際生活污水的處理效果.結(jié)果表明，在實(shí)際污水碳氮比為4的條件下，AMBR對(duì)COD和NH4+－N的去除率在90%左右，出水質(zhì)量濃度分別低于20 mg/L和5 mg/L，但對(duì)TN的去除能力有限，出水平均質(zhì)量濃度為22.4 mg/L，去除率僅為38%.通過在原水中投加葡萄糖使原水碳氮比提高至6時(shí)，AMBR對(duì)TN的去除率上升至66%左右，出水質(zhì)量濃度在13 mg/L左右，能達(dá)到國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)，出水中COD和NH4+－N質(zhì)量濃度仍低于20 mg/L和5 mg/L.長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過膜阻力發(fā)現(xiàn)，AMBR具有很好的抗膜污染性能，長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，TMP始終維持在－20 kPa左右.

氣水交替膜生物反應(yīng)器;生活污水;碳氮比;膜污染

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(jìn)行曝氣的污水生物處理工藝［1－3］，許多研究表明，該工藝具有很好的同步脫氮除碳效果［4－8］.但常規(guī)MABR工藝采用后加沉淀池出水，不僅增加占地面積，同時(shí)泥水分離效果受前面生物段影響較大，出水水質(zhì)得不到保證.為解決以上問題，將膜曝氣和傳統(tǒng)的膜分離相組合，構(gòu)成一種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(yùn)行穩(wěn)定和MABR同步除碳脫氮的優(yōu)點(diǎn).

本課題組前期的研究表明，采用人工配水時(shí)，該工藝在原水碳氮比大于5［9］、混合液 DO為0.5 mg/L的條件下［10］，具有很好的同步脫氮除碳效果.而實(shí)際生活污水由于污染物組成相對(duì)復(fù)雜，該工藝的處理效果與配水可能會(huì)有一定的差別.本文主要考察了該工藝對(duì)實(shí)際生活污水的處理效果，同時(shí)通過在原水中添加葡萄糖，考察碳氮比對(duì)污染物去除效果的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

AMBR試驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)裝置圖

AMBR中兩膜片進(jìn)行交替運(yùn)行，通過PLC和電磁閥進(jìn)行控制.當(dāng)電磁閥9開啟時(shí)，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(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，通過流量計(jì)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)混合液的均勻混合.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 3 m2/片.反應(yīng)器的有效體積為240 L，水力停留時(shí)間控制為8 h.試驗(yàn)過程中控制混合液DO在0.5 mg/L左右，反應(yīng)器中水溫為30℃左右.

1.2 試驗(yàn)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(jìn)行氣水交替連續(xù)運(yùn)行.試驗(yàn)過程分為3個(gè)階段，具體如表1所示.

表1 不同運(yùn)行階段的原水水質(zhì)

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)［11］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采用堿性過硫酸鉀消解－紫外分光光度法.過膜壓差(trans-membrane pressure，TMP)采用壓力表測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物去除效果

2.1.1 COD

不同運(yùn)行階段，AMBR對(duì)COD的去除效果如圖2所示.

由圖2可知，在第一階段，原水為完全實(shí)際污水時(shí)，AMBR對(duì)COD具有很好的去除效果.雖然實(shí)際生活污水的COD在91～191 mg/L波動(dòng)，但反應(yīng)器出水COD較穩(wěn)定，平均值僅為18 mg/L，去除率達(dá)87.5%.而在第二和第三階段，由于葡萄糖的投加，進(jìn)水 COD平均質(zhì)量濃度增加至186 mg/L和233 mg/L，但AMBR仍能有效去除COD，出水中COD質(zhì)量濃度仍低于20 mg/L，可見該工藝對(duì)COD具有很好的去除效果.

圖2 AMBR對(duì)COD的去除效果

2.1.2 NH4+－N

不同運(yùn)行階段，AMBR對(duì)NH4+－N的去除效果如圖3所示.

圖3 AMBR對(duì)NH4+－N的去除效果

由圖3可知，在各階段，AMBR對(duì)NH4+－N均具有很好的去除效果.在進(jìn)水平均NH4+－N質(zhì)量濃度為32 mg/L的條件下，平均出水質(zhì)量濃度均為3 mg/L左右.可見，投加碳源、增加原水的碳氮比對(duì)AMBR去除NH4+－N基本沒有影響，這與采用人工配水所獲得的試驗(yàn)結(jié)果一致.

2.1.3 TN

不同運(yùn)行階段，AMBR對(duì)TN的去除效果如圖4所示.

圖4 AMBR對(duì)TN的去除效果

由圖4中可知，在第一階段，原水碳氮比為4左右的條件下，出水TN的平均質(zhì)量濃度高達(dá)22.4 mg/L，去除率僅為38%.而課題組前期采用人工配水進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在同樣的碳氮比條件下，TN的去除率可接近50%，原因是實(shí)際生活污水中有機(jī)物的生化性較配水低.由試驗(yàn)測(cè)定可知，實(shí)際生活污水中的 ρ(BOD5)/ρ(COD)為0.35～0.49，而人工配水的比值在0.55～0.60.較低的ρ(BOD5)/ρ(COD)表明實(shí)際污水中的有機(jī)物生化性較差，能用于反硝化的碳源較少，從而使TN的去除率比人工配水低.

通過添加葡萄糖，當(dāng)實(shí)際污水的碳氮比升至5時(shí)，反應(yīng)器對(duì)TN的去除效果有所上升，去除率達(dá)55%左右，出水TN平均質(zhì)量濃度為16.5 mg/L，但仍高于文獻(xiàn)［12］中一級(jí)A規(guī)定的15 mg/L.當(dāng)原水的碳氮比增至6時(shí)，反應(yīng)器對(duì)TN的去除率上升至66%左右，出水平均質(zhì)量濃度為13 mg/L左右，低于15 mg/L的國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的要求.因此，對(duì)于低碳氮比的實(shí)際生活污水，為使TN達(dá)到國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，需通過投加一定的外加碳源，使原水碳氮比增至6左右.

2.2 膜污染的變化

實(shí)驗(yàn)過程中，采用過膜阻力(trans-membrane pressure，PTM)來反映膜組件的污染情況.AMBR兩膜組件PTM值隨運(yùn)行時(shí)間的變化如圖5所示.

圖5 PTM隨運(yùn)行時(shí)間的變化

由圖5可知，在不同的運(yùn)行階段，AMBR兩膜組件的PTM均維持在－20 kPa左右.可見，AMBR在實(shí)際生活污水處理過程中具有很好的抗膜污染性能，同時(shí)，碳源的投加不影響AMBR中膜組件的抗膜污染性.

3 結(jié)論

1)AMBR對(duì)實(shí)際生活污水的COD和NH+4－N均具有很好的去除效果，出水COD和NH+4－N平均質(zhì)量濃度在20 mg/L和3 mg/L左右，在原水中添加葡萄糖提高碳氮比不影響AMBR對(duì)COD和NH4+－N的去除效果.

2)在原水碳氮比為4左右的條件下，AMBR對(duì)實(shí)際生活污水TN的去除率較低，出水TN高于20 mg/L，未能達(dá)到國(guó)家一級(jí)A的要求.通過添加葡萄糖，當(dāng)原水碳氮比增到6時(shí)，反應(yīng)器出水TN質(zhì)量濃度能低于標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)A的15 mg/L的要求.

3)AMBR處理實(shí)際生活污水時(shí)，膜組件具有很好的抗膜污染性能.

［1］PANKHANIA M，STEPHENSON T.Hollow fibre bioreactor for wastewater treatment using bubbleless membrane aeration［J］.Water Research，1994，28(10):2233－2236.

［2］COTE P L，BERSILLON J L，HUYARD A.Bubblefree aeration using membranes:process analysis［J］.Journal Water Pollution Control Federation，1988，60(11):1986－1992.

［3］BRINDLE K，STEPHENSON T，SEMMENS M J.Pilotplanttreatmentofa high strength brewery wastewater using a membrane aeration bioreactor［J］.Water Environment Research，1999，71(6):1197－1204.

［4］BRINDLE K，STEPHENSON T，SEMMENSM J.Nitrification and oxygen utilization in a membrane aeration bioreactor［J］.Journal of Membrane Science，1998，144:197－209.

［5］SEMMENSM J，DAHM K，SHANAHAN J，et al.COD and nitrogen removal by biofilms growing on gas permeable membranes［J］.Water Research，2003，37(18):4343－4350.

［6］HIBIYA K，TERADA A，TSUNEDA S，et al.Simultaneous nitrification and denitrification by controlling vertical and horizontal microenvironment in a membrane aerated biofilm reactor［J］.Journal of Biotechnology，2003，100(1):23－32.

［7］HISASHI S，HIDEKI O，BIAN R，et al.Macroscale and microscale analyses of nitrification and denitrification in biofilms attached on membrane aerated biofilm reactors［J］.Water Research，2004，38(6):1633－1641.

［8］汪舒怡，汪誠(chéng)文，梁鵬，等.膜曝氣生物反應(yīng)器的除碳脫氮特性研究［J］.中國(guó)給水排水，2007，23(9):40 －43，52.

［9］王宏杰，董文藝，甘光華，等.碳氮比對(duì)氣水交替式膜生物反應(yīng)器同步脫氮除碳的影響［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，43(2):1892－1896.

［10］DONG Wenyi，WANG Hongjie，LI Weiguang，et al.Effect of DO on simultaneous removal of carbon and nitrogen by a membrane aeration/filtration combined bioreactor［J］.Journal of Membrane Science，2009，344(1/2):219－224.

［11］國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.水與廢水分析檢測(cè)方法［M］.4版.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［12］國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.GB18918－2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

Gas－water alternate membrane bioreactor for domestic sewage treatment

WANG Hong-jie，DONG Wen-yi，LI Ji

(Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School，518055 Shenzhen，Guangdong，China，whj1533@yahoo.com.cn)

The treatment efficiency by the gas－water alternate membrane bioreactor(AMBR)on domestic sewage was investigated through a pilot－scale study in order to get better application effect in the practical engineering.The results showed that:AMBR had good COD and NH4+－N removal effect when the C/N ratio of raw domestic sewage was 4，and the COD and NH4+－N concentration in effluent under 20 mg/L and 5 mg/L.But it’s not good at TN removal because of its low C/N ratio，and the TN concentration in effluent was 22.4 mg/L.When the C/N ratio of raw water increased to 6 according to adding glucose in raw domestic sewage，the TN removal efficiency by AMBR was increased to 66%，and the effluent TN was only 13 mg/L，which met the First A －level requirement of China.Meanwhile，the COD and NH4+－N removal effect by AMBR was unaffected by the change of the raw water’s C/N ration.The trans－ membrane pressure was maintained about－20 kPa indicated that AMBR also had good membrane fouling alleviating effect.

gas－water alternate membrane bioreactor;domestic sewage;C/N ratio;membrane fouling

TU992.3

A

0367－6234(2011)10－0050－03

2010－05－12.

十一五國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAB17B04，06);建設(shè)部研究開發(fā)項(xiàng)目(2008－k7－8);深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(SY200806260035A).

王宏杰(1983—)，男，博士后;

董文藝(1967—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 劉 彤)