活性炭海綿動態(tài)膜生物反應(yīng)器用于污水處理提標(biāo)改造中試研究

楊小麗，洪 凱，張 雷，傅大放，馬金霞

（東南大學(xué)a.土木工程學(xué)院；b.江蘇省水處理與生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心，南京 210096）

活性炭海綿動態(tài)膜生物反應(yīng)器用于污水處理提標(biāo)改造中試研究

楊小麗，洪 凱，張 雷，傅大放，馬金霞

（東南大學(xué)a.土木工程學(xué)院；b.江蘇省水處理與生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心，南京 210096）

自行設(shè)計研發(fā)了以活性炭海綿作為膜基材的動態(tài)膜生物反應(yīng)器，為污水處理的提標(biāo)排放及資源化利用提供了科學(xué)依據(jù)及實際參考價值。詳細考察了該反應(yīng)器對污染物的去除效果和運行特性，通過和現(xiàn)有污水處理廠處理效果比較，探索活性炭海綿基材動態(tài)膜生物反應(yīng)器用于城市污水提標(biāo)改造的可行性。結(jié)果表明，在水力停留時間8 h、污泥濃度8 000 mg／L的條件下，活性炭海綿動態(tài)膜生物反應(yīng)器出水COD、NH3－N、TN和TP濃度分別≤35.0 mg／L、≤1.4 mg／L、≤10.2 mg／L和≤0.3 mg／L，出水達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918 2002一級A標(biāo)準(zhǔn)?；钚蕴康奈叫阅芎秃＞d的空間結(jié)構(gòu)特征協(xié)同作用強化了系統(tǒng)對污染物的去除效果，活性炭海綿動態(tài)膜生物反應(yīng)器可完全取代現(xiàn)有污水廠深度處理工藝應(yīng)用于提標(biāo)改造。曝氣反沖洗可有效減緩出水通量下降，使系統(tǒng)出水通量穩(wěn)定在30 L／（m2·h）左右。

活性炭海綿；動態(tài)膜生物反應(yīng)器；污水處理；提標(biāo)改造

膜生物反應(yīng)器（Membrane bioreactor，MBR）因其出水水質(zhì)好、剩余污泥少、占地面積省在污水深度處理及提標(biāo)改造中日益得到廣泛關(guān)注和推廣［1－7］，但膜材料價格和膜污染仍然是限制該技術(shù)大范圍應(yīng)用的瓶頸［8－10］。為解決傳統(tǒng) MBR的不足，動態(tài)膜生物反應(yīng)器（Dynamic membrane bioreactor，DMBR）應(yīng)運而生。DMBR是建立在傳統(tǒng)MBR基礎(chǔ)之上的新型生物反應(yīng)器，以無紡布、篩網(wǎng)等粗孔材料為膜基材，通過活性污泥過濾過程中形成的生物動態(tài)膜實現(xiàn)近似于微濾膜的過濾效果，該技術(shù)具有基建及運行費用 低、膜 污 染 易 控 制 等 優(yōu) 點［11－12］。Seo 等［13］、Hong［14］等研究發(fā)現(xiàn)，DMBR在處理效果和懸浮物截留均表現(xiàn)出很好的效果。武小鷹等［15］認(rèn)為DMBR的工作壓力更小，膜材料具有再生性，通過水力沖洗可使膜通量恢復(fù)90%以上。

膜基材是DMBR的重要組成部分，會直接影響系統(tǒng)運行特性和污染物去除效果。國內(nèi)外學(xué)者分別對篩網(wǎng)［16－20］、無紡布［21－23］、織物［24］、陶瓷［25］等作為膜基材進行了廣泛的研究。本課題組前期分別考察了以聚酯無紡布、聚丙烯無紡布、聚酯篩網(wǎng)、聚酰胺篩網(wǎng)、海綿等作為膜基材，發(fā)現(xiàn)所構(gòu)成的DMBR對有機物和 NH3－N 均有較好的去除效果［26－27］。

為了進一步改善出水水質(zhì)，結(jié)合既往研究成果，將活性炭海綿作為DMBR的膜基材?；钚蕴亢＞d作為DMBR的膜基材，可將活性炭的吸附性能和海綿的過濾性能有機結(jié)合?；钚蕴亢＞d是采用高分子粘結(jié)材料將優(yōu)質(zhì)、吸附性能較強粉狀催化活性炭附載于聚氨酯發(fā)泡載體上制成的過濾材料，其含炭量在30%～50%，具有良好的吸附性能；同時，活性炭海綿具有海綿的一些特性，如較高的孔隙率、良好的過濾性能等，使得抗膜污染能力得到增強。主要考察以活性炭海綿作為膜基材的DMBR的處理效果和運行特性，并將其處理效果和現(xiàn)有污水處理廠深度處理出水對比，探索該DMBR應(yīng)用于實際污水處理廠提標(biāo)改造的可行性。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

中試裝置位于江蘇常州某城市污水處理廠，中試處理規(guī)模50 t／d，停留時間8 h，進水為該廠缺氧池出水，中試裝置通過回轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機提供氧氣，曝氣系統(tǒng)采用穿孔布氣，氣水比控制在10∶1。接種污泥取自污水廠好氧池，穩(wěn)定運行過程中控制污泥濃度在8 000 mg／L左右。出水采用重力出流，水頭壓差約1 m。

實驗采用80塊面積和構(gòu)造相同的平板膜組件，每塊膜組件尺寸為1.0 m×0.5 m，總有效過水面積約70 m2。膜材料采用活性炭海綿，孔徑約為500μm，厚1 cm；膜組件的排列方式為橫向、縱向各2排，每排單獨出水。

1.2 原水水質(zhì)

實驗原水為污水處理廠缺氧池出水，其水質(zhì)條件見表1。

表1 中試裝置進水水質(zhì)（樣本數(shù)n＝35）mg·L－1

現(xiàn)有污水處理廠采用A2O工藝，工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理廠污水處理工藝流程

1.3 分析項目與方法

定期分別對DMBR進出水、膜池上清液、污水廠二沉池出水、轉(zhuǎn)盤濾池出水進行采樣分析。測定項目包括p H值、溫度、濁度、MLSS、COD、NH3－N、N－N、N、TN、TP等，均采用中國標(biāo)準(zhǔn)方法［28］。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物去除效果

2.1.1 COD去除效果 圖2為中試裝置對COD的去除效果。由圖可知，進水COD在60.0～141.0 mg／L變化時，出水COD濃度穩(wěn)定在35.0 mg／L以下，對應(yīng)平均去除率為73.2%。由圖還可發(fā)現(xiàn)，膜池上清液COD濃度高于出水，基本穩(wěn)定在22.0～58.0 mg／L。經(jīng)計算，動態(tài)膜組件對COD去除的平均貢獻率約為11.3%（出水去除率與上清液去除率之差值）。COD去除率較既往研究略低。分析認(rèn)為，主要是由原水水質(zhì)濃度波動較大和進水含有部分工業(yè)廢水兩方面原因所致。

2.1.2 氮去除效果 DMBR對NH3－N和TN的去除效果見圖3、4。

由圖3可知，系統(tǒng)取得了優(yōu)良的硝化效果，出水NH3－N穩(wěn)定在1.4 mg／L以下，對應(yīng)平均去除率為91.3%。上清液NH3－N濃度比出水更低，基本穩(wěn)定在0～0.65 mg／L。從結(jié)果來看，動態(tài)膜組件對NH3－N并沒有去除效果，分析認(rèn)為，一方面DMBR好氧膜池本身較強的硝化作用，出水NH3－N濃度已經(jīng)比較低；另一方面也與NH3－N較小的分子量不易被膜截留相吻合。

圖2 DMBR對COD的去除效果

圖3 DMBR對NH3－N的去除效果

圖4 DMBR對TN的去除效果

由圖4可知，當(dāng)進水 TN 在11.6～22.5 mg／L波動時，出水TN濃度穩(wěn)定在10.2 mg／L以下，平均去除率約為50.3%；膜池上清液TN濃度略高于出水濃度，計算得出動態(tài)膜組件對TN的去除貢獻約為11.1%（出水去除率與上清液去除率之差值）。分析認(rèn)為，活性炭海綿基材具有一定的厚度及吸附性能，使得膜內(nèi)部形成一個厭氧／缺氧空間，促進了反硝化的進行。

進一步比較發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)硝化效率較高，但反硝化效率并不高，分析認(rèn)為這可能是由于進水有機物濃度較低、不能滿足反硝化所需碳源所致。

為了進一步探討氮元素在DMBR中的遷移轉(zhuǎn)化，詳細考察了系統(tǒng)進水、膜池上清液和出水中不同形態(tài)氮的濃度分布，其平均值見表2。

表2 DMBR中不同形態(tài)氮的濃度分布（樣本數(shù)n＝14）mg·L－1

由2表可見，進水氮主要以NH3－N、NO－3－N形態(tài)存在，膜池上清液和DMBR出水中氮主要以NO－3－N形態(tài)存在，DMBR取得了較好的硝化效果。比較上清液和出水中氮的濃度分布，可以發(fā)現(xiàn)出水TN和NO－3－N低于上清液，說明膜組件內(nèi)部存在一定的缺氧環(huán)境，促進了反硝化的進行。由表2還可發(fā)現(xiàn)，NH3－N濃度由8.3 mg／L降至0.7 mg／L，TN濃度卻由15.3 mg／L降至7.6 mg／L，表明系統(tǒng)存在同步硝化反硝化現(xiàn)象。

2.1.3 TP去除效果

圖5為DMBR對TP的去除效果。由于該污水廠進水中含有部分工業(yè)廢水，進水TP濃度較低（1.5～2.0 mg／L），故缺氧池出水TP濃度僅為0.5～0.8 mg／L。

圖5 DMBR對TP的去除效果

由圖5可見，系統(tǒng)出水TP穩(wěn)定在0.3 mg／L以下，平均去除率約60.7%。分析認(rèn)為，系統(tǒng)中磷的去除主要得益于微生物的生理作用、活性炭的吸附作用以及少量的剩余污泥排放。進一步比較發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)上清液TP基本穩(wěn)定在0.09～0.5 mg／L，高于出水濃度，計算得出動態(tài)膜組件對TP去除的平均貢獻率為10.7%。由于活性炭吸附和微生物的作用，使得海綿基材DMBR的TP去除效果優(yōu)于其他類型的動態(tài)膜生物反應(yīng)器。

2.2 DMBR與污水廠處理效果比較

將DMBR出水分別與污水處理廠二沉池出水和轉(zhuǎn)盤濾池出水進行效果比較，結(jié)果見表3。

表3 DMBR與污水處理廠處理效果比較（樣本數(shù)n＝35）mg·L－1

由表3可以看出，相對于二沉池和轉(zhuǎn)盤濾池出水，DMBR對COD和TN具有一定的去除優(yōu)勢。分析認(rèn)為，DMBR中較高的污泥濃度使得系統(tǒng)具有較強的有機物去除能力。而活性炭的巨大表面積和吸附作用可將有機物富集濃縮在活性炭海綿基材的表面和周圍，為微生物的代謝活動營造了良好的微環(huán)境，加快了有機物的降解過程。并且，酶可以進入活性炭海綿的微孔中，將吸附的有機物降解，而空出的吸附位可以重新吸附有機物，這樣就同時實現(xiàn)了活性炭的再生，整個系統(tǒng)就在吸附 降解 再生 重吸附這種協(xié)同作用下運行，最終提高出水水質(zhì)。DMBR對TN的去除優(yōu)勢主要是得益于活性炭海綿內(nèi)部所形成的反硝化空間。就NH3－N和TP去除效果而言，DMBR和現(xiàn)有污水處理廠均取得了較好的去除效果，經(jīng)統(tǒng)計學(xué)分析，兩者之間沒有顯著性差異（P＞0.05）。

綜上，活性炭海綿DMBR對污染物的去除效果優(yōu)于污水廠二沉池出水，可完全取代現(xiàn)有污水廠深度處理工藝，可望應(yīng)用于污水廠的提標(biāo)改造。

2.3 DMBR 的穩(wěn)定運行

為了保持DMBR穩(wěn)定的通量，本研究通過加大曝氣反沖洗的方式來穩(wěn)定出水通量。具體操作方式為：系統(tǒng)運行一個月左右，每天每隔8 h關(guān)閉進水和出水，同時打開兩臺風(fēng)機反沖洗30～45 min，之后重新打開進水和出水。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)重新打開出水閥門的初始階段，出水渾濁，但5～10 min以后，出水水質(zhì)恢復(fù)，通量也得到一定程度的恢復(fù)。具體通量變化見圖6所示。

由圖可見，運行前期出水通量呈緩慢下降趨勢，通量由最初的48 L／（m2·h）下降至第40 d的20 L／（m2·h），第10 d出水通量急劇降低是由于進水泵損壞導(dǎo)致水位下降，作用水頭降低。此后通過加大曝氣反沖洗，通量得到了一定的恢復(fù)，最終穩(wěn)定在30 L／（m2·h）左右，表明曝氣反沖洗可用于維持DMBR的穩(wěn)定運行。

圖6 出水通量隨運行時間的變化

3 結(jié)論

1）以活性炭海綿為膜基材的DMBR將活性炭的吸附性能和海綿的空間結(jié)構(gòu)特征有機結(jié)合，取得了較好的污染物去除效果，系統(tǒng)出水COD、NH3－N、TN 和 TP濃度分別≤35.0 mg／L、≤1.4 mg／L、≤10.2 mg／L和≤0.3 mg／L，出水達到 GB18918—2002（一級 A）標(biāo)準(zhǔn)；對應(yīng)平均去除率分別為73.2%、91.3%、50.3%和60.7%。其中，膜基材及其表面附著的微生物對COD、TN和TP等污染物具有較大去除貢獻，平均貢獻率分別為11.3%、11.1%和10.7%。

2）與現(xiàn)有污水處理廠處理效果比較，活性炭海綿DMBR對COD和TN具有一定的去除優(yōu)勢；就NH3－N和TP而言，DMBR和污水處理廠均取得了較好的去除效果。活性炭海綿DMBR對污染物的去除效果優(yōu)于污水處理廠二沉池出水，可完全取代現(xiàn)有污水廠深度處理工藝。

3）活性炭海綿DMBR運行一個月左右，其膜通量由啟動初期的48 L／（m2·h）下降至20 L／（m2·h），此后通過加大曝氣反沖洗使通量得到一定恢復(fù)，并最終穩(wěn)定在30 L／（m2·h）左右。

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（編輯 呂建斌）

Application of Activated Carbon Sponge-Dynamic Membrane Bioreactor in Transformation of Wastewater Treatment

Yang Xiaoli，Hong Kai，Zhang Lei，F(xiàn)u Dafang，Ma Jinxia
（a.School of Civil Engineering；b.Jiangsu Province Engineering Research Center for Water Treatment and Ecological Restoration，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，P.R.China）

Dynamic membrane bioreactor（DMBR）based on activated carbon sponge materials was studied and developed independently.The pollutant removal efficiency and operational characteristics were investigated in detail，and the feasibility of DMBR application in transformation of real wastewater treatment plant（WWTP）was discussed by comparing the effluents.Results showed that the concentrations of COD，NH3－N，TN and TP in effluents were below 35.0 mg／L，1.4 mg／L，10.2 mg／L and 0.3 mg／L，respectively，with the HRT of 8 h and MLSS of 8 000 mg／L.The ultimate effluent was qualified to standard A of“Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant”（GB 18918-2002）.Adsorption of activated carbon and the spatial structure of sponge synergistically strengthen the pollutant removal.DMBR can be used in upgrading and transformation of WWTP by replacing the existing advanced treatment process.The flux of the DMBR was recovered by intensified aeration backwashing and maintained steadily at the level of 30 L／（m2·h）.

Activated carbon sponge；Dynamic membrane bioreactor；Wastewater treatment；Upgrading and reconstruction

X 703. 1；Q 503

A

1674-4764（2014）02-0089-05

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.02.014

2013-11-16

國家自然科學(xué)基金（51008064）；江蘇省太湖治理科研課題（TH2011205，TH2011306）；教育部博士點基金（20110092120016）

楊小麗（1977-），女，副教授，主要從事水處理研究，（E-mail）yangxiao Li＠seu.edu.cn。