無紡布動態(tài)膜生物反應器對生活污水的處理

龍飛　劉康懷等

摘要：采用無紡布動態(tài)膜生物反應器處理模擬生活污水。結果表明，無紡布動態(tài)膜快速形成，反應器穩(wěn)定運行期間，系統對ＳＳ的去除效果良好，大部分情況下在出水中未檢測出ＳＳ；系統對ＴＯＣ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＰ的平均去除率分別為９１．９％、９３．４％和６３．５％；無紡布動態(tài)膜在污水處理中主要起到了泥水分離的作用，其對ＴＯＣ、ＴＰ具有一定的去除作用，但效果并不明顯，對ＮＨ３－Ｎ則基本無去除作用，混合液活性污泥中的微生物起到了主要的除污作用。

關鍵詞：無紡布動態(tài)膜；生物反應器；生活污水處理

中圖分類號：Ｘ５２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）24－5638-03

膜生物反應器（ＭＢＲ）是一種將膜分離技術和傳統活性污泥法相結合的水處理工藝，在污水處理及其再生回用中得到廣泛應用。具有處理效率高、出水水質好、流程簡單、設備緊湊、占地面積小、易實現自動控制、運行管理簡單等突出特點［１］，但是傳統的膜生物反應器存在兩大缺陷：膜材料昂貴和膜污染嚴重。動態(tài)膜生物反應器（ＤＭＢＲ）是一種能有效解決兩大問題的新方法［２，３］。動態(tài)膜（Ｄｙｎａｍｉｃｍｅｍｂｒａｎｅ，ＤＭ）是指通過預涂劑或活性污泥在膜表面形成的新膜，也稱為次生膜。采用價格低廉的大孔徑（相對于超濾、微濾）材料來制作膜組件，通過預涂劑或微生物及其代謝產物在膜材料表面形成動態(tài)膜，這種ＭＢＲ工藝被稱為動態(tài)膜生物反應器（ＤＭＢＲ）。該工藝的優(yōu)勢在于有良好的泥水分離特性；出水水質好；膜組件的成本低，微網基材廉價易得，可大幅降低ＭＢＲ的造價；重力自流出水，能耗小；出水通量大；膜污染問題易解決［４］；相關研究受到關注［５］。以無紡布等微網為基材的動態(tài)膜生物反應器（ＤＭＢＲ）是一種新型的污水處理工藝，國內已有部分高校和科研機構開展了動態(tài)膜生物反應器處理生活污水的試驗研究［６，７］，但對其穩(wěn)定性和處理效果仍然缺乏深入研究。

采用較廉價的無紡布作為膜材料構建動態(tài)膜生物反應器（ＤＭＢＲ），用其處理生活污水，考查了其處理模擬生活污水的效果，以期為ＤＭＢＲ技術的發(fā)展和實際應用提供參考。

１ 材料與方法

１．１ 試驗裝置

無紡布動態(tài)膜生物反應器（ＮＷ－ＤＭＢＲ）是由無紡布膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理工藝（圖１）。反應器材料為聚乙烯圓筒，容積約為５０Ｌ，內部放置膜組件。動態(tài)膜組件由不銹鋼架、無紡布制作而成，濾膜片由孔徑為５０μｍ的無紡布包裹形成，內腔由鋼架支撐，不易變形。每片膜的有效過濾面積為０．１ｍ２，共設４個無紡布濾膜片，嵌套固定于不銹鋼架內，置于反應器中部，以防止膜組件受到曝氣沖刷發(fā)生位移。內腔出水管連接在一根出水總管上，出水總管從反應器內通出。膜組件固定于反應器中部，原水通過蠕動泵軟管進入反應器底部，出水水量可自行調節(jié)，反應器底部設有分布均勻的曝氣管，反應器開始運行采用１．５ｍ３／ｈ曝氣量，除了供氧之外還可通過氣泡的運動強化反應器內的混合狀態(tài)。

１．２ 試驗水質與運行參數

試驗采用葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、氯化鈣、碳酸氫鈉等配制人工模擬生活污水，按照ＣＯＤ∶Ｎ∶Ｐ∶Ｆｅ＝１００.0∶５.0∶１.0∶０．１的比例進行配置。原水水質見表１。試驗從２０１０年７月開始，２０１１年１月結束，試驗運行了１６５ｄ，整個過程可以分為４個階段：膜組件制作階段，不同運行參數的試驗階段，長期穩(wěn)定運行階段，膜污染控制試驗階段。系統剛啟動的第一天分時段對進、出水ＳＳ和濁度進行測試，確定動態(tài)膜形成所需的時間；待動態(tài)膜形成后，進入不同運行參數的試驗階段，分別選取在不同的容積負荷、污泥負荷、溶解氧、水力停留時間、ｐＨ等參數條件下運行反應器，每２ｄ測定進、出水和上清液的ＣＯＤ，確定最佳運行參數，參數性試驗持續(xù)了８５ｄ；穩(wěn)定運行階段，每天對進、出水和上清液的ＴＯＣ、氨氮、ＴＰ進行測定，每天測定反應器混合液的溫度、ｐＨ與溶解氧，運行時間為３０ｄ，重點考查ＮＷ－ＤＭＢＲ的長期運行效果。

此次試驗的接種污泥采用桂林七里店污水廠回流活性污泥。反應器配水方式采用連續(xù)進水。有機負荷約為１．２ｋｇＣＯＤ／（ｍ３·ｄ），曝氣量為１．２ｍ３／ｈ，ＤＯ為２．０ｍｇ／Ｌ，ＭＬＳＳ為３２５０ｍｇ／Ｌ。反應器的ＨＲＴ為５ｈ。水溫保持在１７～２０℃。試驗過程中除每天取適量混合液測定ＭＬＳＳ外，未專門排泥。

１．３ 測試項目與方法

ＴＯＣ采用紫外法測定；ＮＨ３－Ｎ采用納氏試劑分光光度法測定；ＴＰ采用鉬銻抗分光光度法測定；ＳＳ采用重量法測定。

２ 結果與分析

２．１ ＮＷ－ＤＭＢＲ對ＳＳ的去除效果

試驗中發(fā)現，在反應器運行初期，由于無紡布表面動態(tài)膜還未形成，混合液僅靠無紡布自身孔徑進行過濾，此時膜的孔徑較大，固液分離的效果并不理想，出水ＳＳ濃度高達１０７ｍｇ／Ｌ，出水濁度為８９ＮＴＵ。但當系統運行至４５ｍｉｎ時，出水ＳＳ急劇下降到１７ｍｇ／Ｌ，系統運行２ｈ后，濁度降到１０ＮＴＵ，此后濁度仍緩慢下降。當連續(xù)運行１２ｈ后，此時取出無紡布組件，發(fā)現無紡布表面堆積的污泥較厚，但是泥層很容易脫落，經過水沖洗后只有少量污泥還吸附在載體上。當系統連續(xù)運行２４ｈ后，濁度降為５ＮＴＵ，ＳＳ幾乎檢測不到。取出膜組件，觀察無紡布表面，可以明顯發(fā)現無紡布表面約有５ｍｍ厚的生物質層。由此可推斷，動態(tài)膜能夠在短時間內形成，且無紡布能夠快速有效地截留混合液中的ＳＳ，并可使其沉積在無紡布表面。動態(tài)膜的結構從外向內可分為濾餅層和凝膠層，濾餅層結構較松散而凝膠層則結構緊密［８，９］。凝膠層的存在使得動態(tài)膜的實際孔徑遠小于無紡布的孔徑，因此所形成的動態(tài)膜不但可以去除粒徑較大的ＳＳ，而且還可以濾除部分小粒徑物質。隨著動態(tài)膜的形成，ＳＳ被截留。

２．２ ＮＷ－ＤＭＢＲ對ＴＯＣ的去除效果

２．３ ＮＷ－ＤＭＢＲ對ＮＨ３－Ｎ的去除效果

試驗的ＮＷ－ＤＭＢＲ系統中，進、出水及上清液中ＮＨ３－Ｎ濃度隨運行時間的變化如圖３所示。由圖３可見，無紡布動態(tài)膜形成后，污泥被截留，世代時間較長的硝化菌在反應器內得以增殖，系統對ＮＨ３－Ｎ的去除率較高。穩(wěn)定運行期間出水ＮＨ３－Ｎ＜１０ｍｇ／Ｌ，其中絕大多數情況下小于７ｍｇ／Ｌ。系統對ＮＨ３－Ｎ的平均去除率為９１．８％，其中無紡布動態(tài)膜的平均貢獻率僅為１．０％，活性污泥的平均貢獻率為９０．８％，可見無紡布動態(tài)膜對ＮＨ３－Ｎ的去除效果基本為零。無紡布動態(tài)膜對ＮＨ３－Ｎ的平均去除貢獻率相對于ＴＯＣ要低得多，經分析認為這是由于混合液中含ＮＨ３－Ｎ的顆粒物數量遠低于含ＴＯＣ的顆粒物數量［１０］。

另一方面，從圖３可以看出，ＮＷ－ＤＭＢＲ的上清液氨氮濃度與膜出水氨氮濃度差異并不明顯，這是因為氨氮在廢水中是以水和氨離子的形式存在，屬于無機小分子，其大小要比無紡布動態(tài)膜孔徑小的多，也有資料顯示，動態(tài)膜和固定膜都沒有分離無機小分子能力［１１］，因此，動態(tài)膜的攔截作用本身對氨氮的去除效果沒有多大影響［１２］，而系統出水中氨氮要比上清液中氨氮略低的原因主要是無紡布動態(tài)膜的凝膠層和濾餅層對氨氮有一定程度的吸附作用。

２．４ ＮＷ－ＤＭＢＲ對ＴＰ的去除效果

３ 結論

１）無紡布動態(tài)膜生物反應器對ＳＳ具有很好的去除效果，隨著系統運行時間的增加，出水ＳＳ濃度不斷下降，運行至２ｈ后，ＳＳ的濃度已可忽略不計，當系統運行２４ｈ后，ＳＳ的濃度幾乎檢測不出。

２）反應器穩(wěn)定運行期間，系統對ＴＯＣ及ＮＨ３－Ｎ的去除效果較好，對ＴＰ的去除效果一般，其中系統對ＴＯＣ平均去除率達９１．９％，對ＮＨ３－Ｎ的平均去除率為９1．8％，對ＴＰ的平均去除率僅為６３．５％。

３）以無紡布為基材的動態(tài)膜對ＴＯＣ、ＴＰ具有一定的去除作用，但效果并不明顯，平均去除率分別為３．２％和５．３％，對ＮＨ３－Ｎ則基本無去除作用，去除率僅為１．０％。系統活性污泥中的微生物對ＴＯＣ、ＮＨ３－Ｎ的去除起到了主要作用。動態(tài)膜在污水處理中主要起到了泥水分離的作用。

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