間歇曝氣下膜生物反應(yīng)器的脫氮效果與污泥特性研究

李曉陽(yáng)

（山東省鄄城縣環(huán)境保護(hù)局環(huán)境監(jiān)測(cè)站，山東鄄城274600）

間歇曝氣下膜生物反應(yīng)器的脫氮效果與污泥特性研究

李曉陽(yáng)

（山東省鄄城縣環(huán)境保護(hù)局環(huán)境監(jiān)測(cè)站，山東鄄城274600）

膜生物反應(yīng)器（MBR）是一種新興的污水高效處理工藝，其脫氮效能優(yōu)化和污泥特性也是相關(guān)研究熱點(diǎn)之一。研究采用間歇曝氣的運(yùn)行方式提高一體式MBR的脫氮效率，并考察了不同工況下活性污泥濃度及脫氮酶活性，結(jié)果表明，間歇曝氣有效地強(qiáng)化了MBR的反硝化作用，顯著地增強(qiáng)了其脫氮效能，而NH4+-N及COD的去除幾乎未受影響；活性污泥濃度增長(zhǎng)緩慢平穩(wěn)，脫氫酶活性因污泥齡的延長(zhǎng)有小幅下降，間歇曝氣未顯著影響污泥特性。

膜生物反應(yīng)器（MBR）；間歇曝氣；脫氮；污泥特性

將膜組件與活性污泥反應(yīng)器結(jié)合的膜生物反應(yīng)器（MBR）用于污水處理，具有處理效率高、占地面積小、出水水質(zhì)好、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、污泥產(chǎn)量低、易于管理等優(yōu)點(diǎn)，將其用于污水脫氮引發(fā)了諸多研究者的關(guān)注［1-2］。MBR通過(guò)曝氣以提供微生物除污所需氧氣并延緩膜污染，因此系統(tǒng)處于持續(xù)好氧狀態(tài)，不利于反硝化的進(jìn)行。間歇曝氣的運(yùn)行方式可將序批式反應(yīng)器在污水處理中適宜的時(shí)間分配的優(yōu)點(diǎn)與膜組件優(yōu)良的泥水分離特性相結(jié)合，形成交替的缺氧/好氧環(huán)境，使得硝化和反硝化作用可在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，可達(dá)到同時(shí)去除有機(jī)物和脫氮的目的［3］。它無(wú)需內(nèi)循環(huán)裝置，節(jié)約補(bǔ)充堿度的藥劑投加量，在控制曝氣階段溶解氧濃度及較高的污泥濃度下，能提高系統(tǒng)的反硝化作用等優(yōu)點(diǎn)［4］。研究以一體式膜生物反應(yīng)器（SMBR）為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)間歇曝氣前后4種運(yùn)行條件下系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果及活性污泥的濃度、脫氫酶活性變化進(jìn)行了分析和對(duì)比，以期為SMBR的應(yīng)用提供理論及實(shí)踐依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用SMBR小試系統(tǒng)裝置如圖1所示。

行箱膜組件反應(yīng)器為長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃容器，工作容積為24 L。膜組件為聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維簾式膜，膜面積0.2 m2。膜出水采用真空蠕動(dòng)泵抽吸。在停止曝氣階段啟動(dòng)攪拌裝置，保證泥水充分接觸。抽吸泵、曝氣泵及攪拌裝置的開(kāi)閉均由時(shí)間繼電器控制。

圖1　SMBR小試裝置

1.2工況條件

試驗(yàn)采用4種不同的運(yùn)行工況條件（如表1）。SMBR的水力停留時(shí)間（HRT）為10 h。曝氣量為4 L/h。

表1　不同的工況運(yùn)行條件

試驗(yàn)進(jìn)水為生活污水+人工配水，其水質(zhì)如表2所示。污泥取自某污水處理廠曝氣池，實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過(guò)30 d的馴化培養(yǎng)。試驗(yàn)過(guò)程中除取污泥樣進(jìn)行分析外，未進(jìn)行排泥。

表2　進(jìn)水水質(zhì)

1.3分析方法

混合出水收集在20 L的玻璃缸中。DO，pH值，溫度采用Orion多參數(shù)在線檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)定，COD，TN，NH4+-N，NO3--N、污泥濃度MLSS和MLVSS，依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定［5］。

活性污泥脫氫酶活性測(cè)定方法如下［6］：取一定體積新鮮污泥于帶塞試管中，用蒸餾水洗滌3次后，加入0.1 mol/L葡萄糖，Tris-HCl緩沖液，0.5%TTC各1 mL，于37℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1 h后，加入0.5 mL甲醛終止反應(yīng)，加入80%丙酮5 mL，振搖并離心，取上清液在492 nm處測(cè)定吸光度。根據(jù)污泥濃度換算出單位質(zhì)量污泥1 h產(chǎn)生的ugTF量為一個(gè)酶活單位。

2　結(jié)果及討論

2.1對(duì)污染物的去除效果

不同工況條件下SMBR系統(tǒng)對(duì)TN，COD，NH4+-N的去除效果及出水中NO3-濃度的變化如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，工況1下，SMBR對(duì)有機(jī)物的去除效能及硝化性能良好，但對(duì)TN的去除率僅為26.2%，出水中的NO3--N濃度高達(dá)20.4 mg/L，說(shuō)明反硝化是系統(tǒng)脫氮的限制性步驟。

采用間歇曝氣的運(yùn)行方式后，工況2，3，4下SMBR對(duì)TN的去除率分別為59.5%，70.7%和66.8%，出水中NO3--N濃度分別為11.0 mg/L，7.5 mg/L和8.0 mg/L。系統(tǒng)反硝化作用得到增強(qiáng)，同時(shí)其硝化作用及對(duì)有機(jī)物的去除效能未受到影響。

由此可知，間歇曝氣能有效地提高SMBR對(duì)TN的去除效果，降低出水中的NO3--N濃度，且對(duì)系統(tǒng)去除COD及NH4+-N的效能影響較小，這與Hasar等［7］的結(jié)論相似。本試驗(yàn)條件下合適的停曝/曝氣時(shí)間為75/60 min。

圖2　不同工況下SMBR對(duì)TN，COD，NH4+-N的平均去除率及出水中NO3--N的平均濃度（n=18）

2.2活性污泥濃度變化

如圖3所示，各工況條件下，SMBR內(nèi)污泥濃度增長(zhǎng)緩慢，污泥產(chǎn)量較低。這表明MBR低污泥產(chǎn)量的優(yōu)點(diǎn)未受到間歇曝氣的明顯影響。整個(gè)試驗(yàn)期間，MLVSS/MLSS的變化很小，平均為70%，表明無(wú)機(jī)惰性物質(zhì)在系統(tǒng)中的累積很少。這可能是由于進(jìn)水中的無(wú)機(jī)物質(zhì)較少，且其中一部分無(wú)機(jī)物質(zhì)能被增殖緩慢的細(xì)菌所降解［8］。

圖3　不同工況下活性污泥濃度變化

2.3活性污泥脫氫酶活性變化

由圖4可知，污泥脫氫酶活性隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)逐漸降低，這種降低趨勢(shì)在連續(xù)曝氣時(shí)即已出現(xiàn)。作為表征全體微生物活性的生物標(biāo)志物，污泥脫氫酶活性會(huì)隨著污泥齡的延長(zhǎng)而呈下降趨勢(shì)，這與長(zhǎng)污泥齡下底物及氧氣在污泥顆粒間的轉(zhuǎn)移受到阻礙及系統(tǒng)內(nèi)積累了過(guò)多的細(xì)胞內(nèi)源產(chǎn)物有關(guān)。細(xì)胞產(chǎn)物還會(huì)增加混合液黏度，包裹或粘附在污泥絮體上，使細(xì)菌處于以?xún)?nèi)源呼吸維持其基本生理需要的“能量維持”狀態(tài)，導(dǎo)致污泥的脫氫酶活性下降［9］。

圖4　活性污泥脫氫酶活性變化

3　結(jié)論

（1）間歇曝氣能有效地強(qiáng)化SMBR的反硝化作用，提高其脫氮效能，且對(duì)COD和NH4+-N的去除效能沒(méi)有明顯影響。

（2）間歇曝氣未對(duì)SMBR的污泥產(chǎn)率產(chǎn)生顯著影響，污泥產(chǎn)量隨運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)緩慢。由于污泥齡的不斷增大，污泥脫氫酶活性對(duì)運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸下降。

［1］顧國(guó)維，何義亮.膜生物反應(yīng)器——在污水處理中的研究和應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

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［4］Yeom I-T，Nah Y-M，Ahn K-H.Treatment of household wastewaterusinganintermittentlyaeratedmembrane bioreactor［J］.Desalination，1999，124：193-204.

［5］國(guó)家環(huán)?？偩?水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法第四版［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2003.

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［7］Hasar H，Klnacl C，Unlü A，et al.Role of intermittent aeration in domestic wastewater treatment by submerged membrane activated sludge system［J］.Desalination，2001，142：287-293.

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［9］Han S-S，Bae T-H，Jang G-G.Influence of sludge retention time on membrane fouling and bioactivities in membrane bioreactor system［J］.Process Biochemistry，2005，40：2 393-2 400.

Research on the nitrogen removal efficiency and sludge characteristics of membrane bioreactor under intermittent aeration

LI Xiaoyang
（Environmental Monitoring Station，Juancheng Environmental Protection Bureau，Juancheng 274600，China）

Membrane bioreactor（MBR）is an emerging technology for efficient wastewater treatment，and its optimization for nitrogen removal and sludge characteristics is one of the research hotspots.Intermittent aeration was used to improve the nitrogen removal efficiency of the MBR，and the activated sludge concentration and dehydrogenase activity under different conditions were investigated.The results showed that intermittent aeration effectively reinforced the denitrification of the MBR，and enhanced its nitrogen removal significantly，while the removals of NH4+-N and COD were almost not influenced.The concentration of activated sludge increased slowly and stably，and dehydrogenase activity decreased slightly as the sludge retention time extended.Intermittent aeration did not affect the sludge characteristics of the MBR.

membrane bioreactor（MBR）；intermittent aeration；nitrogen removal；sludge characteristics

X703

A

1674-0912（2016）08-0042-03

2016－06－02）

李曉陽(yáng)（1984－），男，寧夏人，學(xué)士，助理工程師，研究方向：循環(huán)經(jīng)濟(jì)、水污染控制。