一體式膜生物反應器同步除碳脫氮效果

劉貫一，彭秋月

(河北聯(lián)合大學建筑工程學院，河北唐山 063009)

目前，含氮化合物的排放量急劇增加，引發(fā)了嚴重的水體環(huán)境污染和水質富營養(yǎng)化問題［1］。傳統(tǒng)的廢水生物處理工藝去除污水中的氮污染量很少，通常只有10% ～13%［2］。因此，研究廢水處理工藝中的脫氮新思路、新技術及合適的控制條件是有效去除廢水中含氮物質，控制水污染的重要研究課題，也是廢水深度處理研究中的核心問題［4］。本試驗研究設想能否在一個單體設備中實現(xiàn)連續(xù)的除碳、脫氮功能。目的在于改變傳統(tǒng)生物膜法的培養(yǎng)方式，將其通氣方法改為由載體的一側進入，使得生物膜兩側的好氧、厭氧微生物相對位置將發(fā)生反轉，實現(xiàn)同步硝化反硝化，最終達到去除氮的作用。

利用疏水性的中空纖維作為載體，借助水與纖維之間相互作用在微孔處形成的界面張力平衡水壓力，阻止污水進入中空纖維內部。而中空纖維膜表面處于富氧狀態(tài)，微生物極易在膜表面進行積累從而形成生物膜。此時，氧氣由膜內腔直接透過膜傳遞至生物膜，被微生物所利用，傳氧效率高。

對于傳統(tǒng)生物膜，溶解氧由外向里濃度逐漸降低，相應生長著好氧微生物、兼性微生物和厭氧微生物。而對于本試驗所研究的生物膜，溶解氧從里往外降低，當供氧條件控制得當時，反應器處于缺氧或者厭氧狀態(tài)，生物膜最外層可以生長厭氧微生物，即相對于傳統(tǒng)生物膜，好氧層和厭氧層相對位置發(fā)生反轉。這樣的反轉有利于微生物進行硝化反應。這是因為透氣膜載體表面的生物膜底層溶解氧濃度大，有機物的濃度經過外層生物膜的降解后降低，是硝化微生物反應的適宜條件(好氧環(huán)境、低BOD濃度);外層微溶解氧和無氧環(huán)境、充足的有機碳源可以滿足反硝化微生物生長需要，這兩個過程的結合即可完成脫氮的全過程。因此，在操作條件適宜的情況下，可以實現(xiàn)同步除碳脫氮功能［3］。本試驗的生物膜中氧氣濃度和污染物濃度分布定性關系如圖1所示:

圖1 生物膜中氧氣濃度和污染物濃度斷面示意圖

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗材料

生物膜反應器中的填料是決定生物膜反應器污泥處理效率與質量的主要因素之一。根據(jù)試驗要求，選擇的膜要具有透氣而不透水，耐高水壓，大表面積等特點，結合目前膜的發(fā)展，載體材料選用聚丙烯中空纖維膜(購自藍十字膜技術有限公司)，其平均外徑約為0.42 mm，壁厚為50μm，開孔率約為50%。

1.2 水質分析方法

各項水質指標都采用國家標準分析方法測定:

1)CODCr，用重鉻酸鉀法 (GB 11914-89)測定;

3)TN，用日本三菱公司TN05型總氮測定儀;

4)pH，用玻璃電極法(GB6920-86)測定;

1.3 試驗用水、接種污泥

本試驗用水模擬生活污水采用人工配制:用自來水加淀粉、氯化銨(NH4C1)、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀，微量元素用碳酸氫鈉、氯化鈣、硫酸鎂、氯化鐵等營養(yǎng)鹽來模擬生活污水水質。NH4C1作為NH4+－N的來源，用來產生水中的NH3，淀粉作為BOD來源。

為了增加微生物濃度需投加活性污泥，活性污泥取自唐山市西郊污水處理廠曝氣池，對反應器進行接種。

1.4 試驗裝置

圖2 試驗設備圖

試驗所用反應器為連續(xù)式裝置，用有機玻璃制成。用6 mm的有機玻璃粘制成反應器主體和導氣匣，中空纖維膜組件用聚丙烯中空纖維幾根一束分別固定到導氣匣上。比表面積為81.2 m2/m3，載體的排擠系數(shù)約3%。為防止水在空氣中發(fā)生氧化、分解，將水箱放置在冰箱之內。

1.5 試驗過程

1)檢查中空纖維微孔膜組件是否漏氣，漏水;檢查無誤后，裝配試驗裝置;

2)裝配完后精細調節(jié);向污水水箱注入配制好的人工污水，并加設恒水位裝置，調節(jié)反應器主體的高度，使反應器內水位既淹沒所有纖維膜組件也不會從反應器溢出。啟動整個試驗裝置，開始培養(yǎng)生物膜;為了加快生物膜的培養(yǎng)及其成熟速度，在反應器中投加從西郊污水處理廠的曝氣池中取來的活性污泥，并且可將所配置的人工污水濃度加大;

3)前期培養(yǎng)，培養(yǎng)期間還應該多換幾次污水，即重新配制人工污水進行培養(yǎng)，以免反應器內無足夠營養(yǎng)供給微生物生長。隨著培養(yǎng)時間的延長，中空纖維微孔膜組件上的微生物由一開始的小點慢慢的將膜組件表層大片覆蓋，形成很薄的一層生物膜。

4)經過一個月培養(yǎng)后，生物膜的厚度也基本穩(wěn)定，若檢測的出水水質指標穩(wěn)定，說明生物膜已經成熟，就可以測定各項指標了。

2 試驗結果與討論

2.1 CODcr去除問題

試驗結果如圖3所示:

圖3 CODcr的變化曲線

從圖3可以看出:所研究的生物膜對CODcr有一定的去除效果并且增加進水濃度后去除效果仍無太大影響，說明此系統(tǒng)對污水的抗沖擊能力較強。試驗前期生物膜厚度不穩(wěn)定，對有機物的去除效果不是很明顯，只能達到55%左右;隨著試驗的進行，此生物膜趨于成熟，處理效果相對穩(wěn)定，去除率約達到73%。因此培養(yǎng)中的生物膜有去除有機物的能力。

2.2 脫氮問題

試驗結果如圖4、圖5、圖6所示:

圖4 TN的變化曲線

圖5 氨氮的變化曲線

圖6 －N的變化曲線

從圖4和圖5可以看出:生物膜已經有較好的硝化、反硝化能力。試驗階段，TN和氨氮的出水濃度緩慢下降，說明反硝化作用增強。當試驗趨于穩(wěn)定時，TN的去除率約為62%，氨氮的去除率約為62%。因此利用疏水性的中空纖維作為載體和充氧元件的生物膜具有脫氮功能。

2.3 生物膜脫落問題

試驗期間未觀察到泥斗處有沉積物，說明沒有生物膜脫落現(xiàn)象。

對于傳統(tǒng)生物膜來說，它的生物膜里層是厭氧環(huán)境，微生物的代謝產物為有機酸和厭氧產物如CH4等，CH4微溶于水，它不能隨著流動水層排走，而在厭氧環(huán)境中鼓起的氣泡最終使生物膜脫落。對于本試驗而言，其生物膜里層是好氧環(huán)境，微生物的代謝產物是H2O和CO2。H2O通過附著水層進入流動水層，并隨其排走。而一部分CO2溶解于水，一部分則透過好氧層從透氣膜逸出［5］。當污水在其流動過程中逐步得到凈化時，在供氧過程中，生物膜不會受到氣體摩擦，也就不存在生物膜脫落問題。

3 結論

1)新生物膜有去除污水中有機物的能力。

2)新生物膜有良好的脫氮能力。

3)一體式膜生物反應器中自養(yǎng)－異養(yǎng)菌共存的特殊生物膜結構使該工藝在強化硝化及同步脫氮除碳方面具有很大的吸引力，可同時實現(xiàn)除碳脫氮效果

4)在試驗期內，新生物膜確實沒有生物膜脫落問題。

根據(jù)以上分析和試驗結果表明:利用這種生物膜作為載體材料組建在同一個生物反應器內有望實現(xiàn)。首先，在相同處理能力條件下，這個系統(tǒng)的構筑物容積、占地面積與機電設備等要少于其它傳統(tǒng)處理工藝，維修相對方便，投入資金少，節(jié)省能源。

其次，試驗中所采用的方案是利用中空纖維膜作為載體，同時兼作充氧元件。相對于其它曝氣手段，這一方案的優(yōu)點在于整個處理過程中水、氣的運行和排放都是有控制進行的。這將使污水處理設施對環(huán)境的影響減至最小。

4 本試驗存在的問題

(1)纖維組件有效深455mm，寬77mm，長90mm，有效體積為3.153L，比表面積為81.2m2/m3，接觸時間為11.5h。由于試驗時間不足，無法測出其他接觸時間的效果進行比較。

(2)時間充足的話，應該還要對其他比表面積大小的纖維組件進行試驗研究。

(3)本試驗用水為人工配制，保存方法是放置在冰箱內。由于冰箱內溫度約為5℃ 左右仍有大量微生物活動而消耗有機物和TN，所以隨著時間的推遲進水中有機物和TN逐漸減小。

［1］國家環(huán)保局.生物脫氮技術［M］.北京:中國環(huán)境科學出版社.1992.

［2］鄭興燦，李亞新.污水除磷脫氮技術［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社.1998.

［3］汪舒怡，王城文，黃霞.用于廢水處理的膜曝氣生物反應器［J］.環(huán)境污染治理技術與設備，2006，7(6):131-137.

［4］張樹德，曹國憑.厭氧氨氧化脫氮新技術及特點［J］.河北理工學院學報，2006，28(4):131-134.

［5］張自杰.排水工程(第四版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.