復(fù)合式膜生物反應(yīng)器處理城市污水最佳溶解氧試驗分析*

李 泉，趙 明

（1.河南機(jī)電高等專科學(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453000;2.中州大學(xué)實驗管理中心，河南鄭州 450044）

將常規(guī)的生物處理法與膜分離相結(jié)合，其意義不僅僅在于以膜分離取代二沉池，完全去除懸浮固體引起的污染物，還在于通過膜分離的作用，將二沉池?zé)o法截留的游離細(xì)菌和大分子有機(jī)物完全阻隔在反應(yīng)池內(nèi)。這必將改變常規(guī)生物處理中污染物的構(gòu)成，使得大分子有機(jī)物和膠體明顯上升，在短時間內(nèi)促成專性微生物的積累。根據(jù)微生物生長模型理論，隨著SRT(污泥齡)的增加，反應(yīng)器中污泥濃度不斷增加［1］，當(dāng)污泥濃度增加到一定程度時，由于不能很好地供給微生物生長所需的物質(zhì)和能量，微生物衰減率增加，死亡后的微生物會被降解，由于微生物的降解物中有一部分是難降解的殘片和高分子物質(zhì)，所以會使反應(yīng)器的處理效果存在一定的波動性。

1 實驗裝置

本研究采用將多種污水處理工藝設(shè)計在極其簡單的系統(tǒng)裝置中，系統(tǒng)由復(fù)合反應(yīng)區(qū)和好氧MBR(膜生物反應(yīng)器)反應(yīng)區(qū)組成。為了利于保持系統(tǒng)內(nèi)混合液處于良好的紊動和懸浮狀態(tài)，減小因剪切造成的污泥顆粒破解，提高曝氣設(shè)備的充氧速率，經(jīng)過綜合比較，根據(jù)流體力學(xué)原理，自行設(shè)計，把反應(yīng)器設(shè)計長方形。復(fù)合反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有填料，為提高充氧效率和滿足混合液所需的流態(tài)，復(fù)合反應(yīng)器底部用穿孔曝氣管進(jìn)行曝氣，有利于混合液旋轉(zhuǎn)并防止死角，減小水頭損失。微生物附著于填料表面和游移在廢水中，除了具有降解有機(jī)物的作用以外，還同時具有促進(jìn)系統(tǒng)反硝化的功能。為保證復(fù)合反應(yīng)區(qū)內(nèi)懸浮污泥量，通過回流泵將部分活性污泥回流至復(fù)合反應(yīng)區(qū)。好氧MBR反應(yīng)區(qū)是將中空纖維微濾膜直接放入反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)器底部安置了曝氣器。反應(yīng)器實際上兼具活性污泥法、生物膜法和膜分離三種處理過程。因此，該工藝是這三種處理方法的有效結(jié)合。

圖1 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器工藝流程圖

2 溶解氧的確定

DO對生物脫氮除磷微環(huán)境的形成有著直接的影響，生物反應(yīng)器中主要存活的微生物都是好氧菌，因此生物反應(yīng)器內(nèi)維持一定的DO值，對于保證生物反應(yīng)器的處理效果是至關(guān)重要［2］。但DO過高，必然要增加動力消耗，特別是在本反應(yīng)器中，污泥濃度比較高，本來就需要較大供氣量［3］。因此，在保證懸浮載體流動、滿足供氧和水力剪切力要求的前提下，通過試驗研究復(fù)合反應(yīng)器中DO對各項污染指標(biāo)去除效果的影響，從而確定合適的曝氣量，對于節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行費用，降低處理成本，具有非常重要意義。試驗中采用兩個帶調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)子流量計對復(fù)合反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)曝氣量分別進(jìn)行控制，為了研究方便，膜分離區(qū)曝氣量控制在0.5m3/h保持不變，復(fù)合反應(yīng)區(qū)的曝氣量大小通過測定反應(yīng)器內(nèi)的DO來控制(取樣時停止曝氣，用溶解氧瓶立即從填料區(qū)的中間取樣)，系統(tǒng)采用的運(yùn)行條件為HRT(水力停留時間)為7小時，復(fù)合反應(yīng)器內(nèi)活性污泥濃度控制在7000mg/L，膜區(qū)污泥濃度控制在9000mg/L左右，pH值控制在7～8.5之間，水溫約 20℃ 的情況下［4－6］，測定 DO 對有機(jī)物、NH3－N(氨氮)、TN(總氮)和 TP(總磷)去除效果的影響。

2.1 DO對CODcr(化學(xué)需氧量)去除效果的影響

復(fù)合膜反應(yīng)器對有機(jī)物的去除來自兩方面:一方面是反應(yīng)器內(nèi)附著生長和懸浮生長微生物的生物降解作用;另一方面是膜分離對污染物的截留［7，8］。為考察這兩方面的作用，分別通過測定上清液(溢流液經(jīng)濾紙過濾后的濾液)和膜出水水質(zhì)來加以研究。DO對CODcr去除效果的影響如表1和圖2。

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從圖2可見，隨著DO濃度的升高，總?cè)コ屎蜕锶コ示性黾拥内厔荩捎谀し蛛x使污水中的難降解成分在體積有限的生物反應(yīng)器中有足夠的停留時間，即使在DO很低(0.5mg/L)的條件下，系統(tǒng)仍能獲得非?？捎^的去除效果(生物去除率為81.39%，系統(tǒng)去除率為89.88%)，當(dāng)DO≥2mg/L時，系統(tǒng)和生物去除率增長較為緩慢，系統(tǒng)去除率穩(wěn)定在96%左右，由圖2還可以看出，膜對總系統(tǒng)去除率的貢獻(xiàn)隨著DO的增大反而有所下降，這主要是由于曝氣量越大對膜面產(chǎn)生的沖刷越強(qiáng)，從而膜表面的動態(tài)吸附層變薄，膜通過阻力降低，使更多的粒子得以通過引起的［9］。

2.2 DO對NH3－N去除效果的影響

DO對NH3－N去除效果的影響如表2和圖3。

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圖3 DO對NH3－N去除效果的影響

從圖3可見，隨著DO濃度的升高，生物去除率和總?cè)コ示性黾拥内厔?，?dāng)DO為0.5mg/L時，反應(yīng)器對的去除效果較差，生物去除率為54.11%，系統(tǒng)去除率為73.34%，出水均值為8.01mg/L，原因主要是系統(tǒng)中DO較低，微生物濃度較高，供氧不足，反應(yīng)器內(nèi)主要形成缺氧及厭氧環(huán)境，抑制了硝化菌的活性。當(dāng)DO增加到1.5～2.0mg/L 時，生物去除率為75.03% ～91.17%，系統(tǒng)去除率為89.10% ～95.46%，說明反應(yīng)器中硝化菌活性有所增強(qiáng)，硝化反應(yīng)進(jìn)行較為完全，當(dāng)DO增加到2.5mg/L以上時，反應(yīng)器生物平均去除率和系統(tǒng)平均去除率均可穩(wěn)定可達(dá)到95%以上，系統(tǒng)出水基本穩(wěn)定在0.74mg/L以下，說明反應(yīng)器中硝化菌活性較強(qiáng)，硝化反應(yīng)進(jìn)行徹底。

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2.3 DO對TN去除效果的影響

DO對TN去除效果的影響如表3和圖4。

從圖4可見，隨著DO濃度的升高，生物去除率和總?cè)コ示性黾拥内厔?，?dāng)DO為0.5mg/L時，反應(yīng)器的去除效果較差，生物去除率為35.18%，系統(tǒng)去除率為51.53%，出水均值為16.30mg/L，這是因為好氧硝化不充分影響了厭氧反硝化。當(dāng)DO增加到1.5～2.0mg/L 時，生物去除率為 46.25% ～59.66%，系統(tǒng)去除率為61.22% ～72.30%，說明反應(yīng)器中反硝化作用增強(qiáng)，當(dāng)DO增加到2.5mg/L上時，反應(yīng)器的生物平均去除率增加到64.42%，系統(tǒng)平均去除率穩(wěn)定在75.44%左右，說明此時反應(yīng)器內(nèi)部的好氧和厭氧環(huán)境具有良好的比例，氧滲透進(jìn)入污泥絮體和生物膜時呈遞減的規(guī)律，有利于在其外部進(jìn)行好氧硝化和內(nèi)部的厭氧反硝化，所以在此時脫氮效果最好。但隨著DO的繼續(xù)升高，生物和系統(tǒng)去除率均出現(xiàn)不同程度的降低，原因在于當(dāng)溶解氧達(dá)到3mg/L以上時，系統(tǒng)中主要是好氧環(huán)境，抑制了系統(tǒng)中反硝化作用，導(dǎo)致去除率下降［10］。

2.4 DO對TP去除效果的影響

DO對TP去除效果的影響如表4和圖5。

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由圖5可看出，隨著DO的增加，系統(tǒng)對TP的去除先升高后有所降低，當(dāng)DO為0.5mg/L時，反應(yīng)器的去除效果較差，生物去除率為31.63%，系統(tǒng)去除率為45.86%，出水均值為2.2mg/L，原因主要是，在DO為0.5mg/L時，生物反應(yīng)器中主要是缺氧或厭氧環(huán)境，聚磷菌在這種條件下主要是使其吸收的磷釋放出來，或者說是聚磷菌失去了其吸磷的性質(zhì)，導(dǎo)致系統(tǒng)除磷效率較低，在DO值為1.5～2.5 mg/L時，根據(jù)前面的分析，此時系統(tǒng)中存在好氧、缺氧和厭氧環(huán)境，達(dá)到了聚磷菌吸磷放磷的適宜條件，聚磷菌能積累較多的磷，在DO為2.5mg/L時，反應(yīng)器的生物平均去除率和系統(tǒng)平均去除率均達(dá)到最高，分別為65.99%和74.46%。但隨著DO的繼續(xù)升高，反應(yīng)器的生物和系統(tǒng)去除率均出現(xiàn)不同程度的降低，原因在于當(dāng)溶解氧達(dá)到3mg/L以上時，系統(tǒng)中主要是好氧環(huán)境，系統(tǒng)中反硝化受到抑制。此時系統(tǒng)中有大量的硝酸鹽和亞硝酸鹽，從而影響了系統(tǒng)中聚磷菌的活性。

3 結(jié)論

綜合脫氮除磷效果及經(jīng)濟(jì)因素，可以認(rèn)為將DO控制在2.5mg/L左右為宜。此時反應(yīng)器的系統(tǒng)總?cè)コ蕿?CODcr≥96.5%、NH3－N≥97.55%、TN≥75.44%、TP≥74.46%，出水可以穩(wěn)定保證在 CODcr≤13.5mg/L、NH3－ N≤0.74mg/L、TN≤9.01mg/L、TP≤1.07mg/L。

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