管式膜生物反應(yīng)器在污泥減量化中的應(yīng)用

劉恩華，王澤瑞，丁曉惠

（天津工業(yè)大學(xué) 省部共建分離膜與膜過(guò)程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

隨著我國(guó)城市污水和工業(yè)廢水處理率不斷提高[1]，處理工藝日益成熟，而污泥處理的重要性卻被忽略，相應(yīng)的產(chǎn)生大量污泥，其中污泥處理的費(fèi)用占污水處理的25%～50%[2]，嚴(yán)重限制廢水處理的有效性和環(huán)境的改善，所以剩余污泥有效處理越發(fā)成為生化處理工藝重要問(wèn)題[3].由于現(xiàn)存技術(shù)主要采取填埋、焚燒、投海等實(shí)用性方法，這會(huì)造成嚴(yán)重的二次污染，污泥的最終處置變得越來(lái)越困難，所以對(duì)剩余污泥資源化提出了更高的要求[4].由于污泥本身也是一種資源，其中含有豐富的N、P、K、有機(jī)物及熱量，可以利用污泥自身所包含的各種微生物消耗污泥以達(dá)到污泥減量的目的，這同時(shí)也降低了現(xiàn)有污泥處理處置的運(yùn)行費(fèi)用.剩余污泥的處理是廢水生物處理法面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，迫切需要探索和研究污泥減量的技術(shù)方法，膜生物反應(yīng)器和污泥減量技術(shù)的發(fā)展為以上難題提供了可行的方法.

膜生物反應(yīng)器（membrane bioreactor，MBR）是膜技術(shù)與生物處理技術(shù)組合的廢水處理新工藝[5]，相比于傳統(tǒng)活性污泥法具有穩(wěn)定的高水通量、出水水質(zhì)好[6]、抗污染和低能耗等優(yōu)點(diǎn)，MBR處理工藝使生化池中水力停留時(shí)間與污泥停留時(shí)間沒(méi)有相關(guān)性，這有利于更加靈活的控制操作參數(shù)[7].并且MBR處理工藝有較高的污泥停留時(shí)間，使得出水水質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定、可以使污水達(dá)到徹底分離，并使MBR內(nèi)保持很高的生物量、SRT延長(zhǎng)增殖硝化菌穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境、容積負(fù)荷小、剩余污泥產(chǎn)量小[8]和運(yùn)行方便等特點(diǎn)，利用膜生物反應(yīng)器的這些特點(diǎn)，可應(yīng)用于污泥減量化，也就是將剩余污泥代替污水，加入膜生物反應(yīng)器中，在微生物作用下，使剩余污泥逐漸消化、降解.

本文利用外置式膜生物反應(yīng)器考察污泥減量效果.本實(shí)驗(yàn)管式膜具有8 mm的內(nèi)徑，流道寬，由高強(qiáng)度的支撐層和高精度分離層組成，可以承受較高的湍流和高流速產(chǎn)生的強(qiáng)剪切力，并且由于管式膜膜壁薄，不易污染，易于拆卸和清洗.本文進(jìn)行了管式膜MBR技術(shù)進(jìn)行污泥減量化研究，考察了管式膜MBR技術(shù)的污泥減量化效果，并考察管式膜MBR出水COD、NH3-N等水質(zhì)指標(biāo).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：葡萄糖、磷酸二氫鉀、硫酸亞鐵銨、氫氧化鈉、氯化銨、硫酸亞鐵，均為分析純，天津市風(fēng)船科技有限公司產(chǎn)品；尿素、酒石酸鉀鈉，均為分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品；重鉻酸鉀，分析純，天津市贏達(dá)稀貴化學(xué)試劑廠產(chǎn)品；1、10－菲啰啉，分析純，天津市天新精細(xì)化工開(kāi)發(fā)中心產(chǎn)品；碘化汞，分析純，貴州省銅仁泰瑞爾化工廠產(chǎn)品.

實(shí)驗(yàn)儀器:JPB-607A溶解氧測(cè)定儀、DDS-307電導(dǎo)率儀、732N紫外分光光度計(jì)、PHS-3C高壓隔膜泵，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司產(chǎn)品；1 000 W電子萬(wàn)用爐，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司產(chǎn)品；ACO-003空氣泵，浙江森森水族股份有限公司產(chǎn)品；PG10000水陸兩棲潛水泵，廣東日生集團(tuán)產(chǎn)品；超濾管式膜組件，天津海普爾膜科技有限公司產(chǎn)品.

膜材料：聚偏氟乙烯（PVDF），基本參數(shù)如表1所示.

1.2 實(shí)驗(yàn)流程及實(shí)驗(yàn)方法

MBR工藝流程如圖1所示.首先通過(guò)培養(yǎng)馴化，提高管式膜MBR池中污泥濃度，達(dá)到5 000 mg/L后，MBR池中不再添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，每天只添加一定量的活性污泥，同時(shí)產(chǎn)出同等體積的水，并測(cè)試MBR反應(yīng)池污泥濃度、污泥形態(tài)、膜通量以及出水水質(zhì)，反應(yīng)池有效容積45 L.實(shí)驗(yàn)中所添加污泥為實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的活性污泥，污泥質(zhì)量濃度為7 000 mg/L.

圖1 MBR工藝流程圖Fig．1 Schematic diagram of MBR process

1.3 水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目及檢測(cè)方法

水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目以及檢測(cè)方法如表2所示.

表2 水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目及檢測(cè)方法Tab.2 Analytical methods of water quality

2 污泥消減量評(píng)價(jià)

2.1 MBR反應(yīng)器中污泥濃度變化量

每階段MBR反應(yīng)器中污泥濃度變化量用ΔC表示，計(jì)算公式如下；

式中：C起為每階段污泥起始濃度；C終為每階段污泥最終濃度；ΔC為每階段MBR反應(yīng)器中污泥濃度變化量.

2.2污泥消減量

每天MBR反應(yīng)器污泥加入量用W加表示，計(jì)算公式如下所示：

式中：C為加入活性污泥濃度；V加為加入活性污泥體積.

每階段MBR反應(yīng)池污泥總的減少量用ΔW表示，計(jì)算公式如下所示：

式中：ΔC為每階段污泥濃度變化量；V為反應(yīng)器中活性污泥體積.

每階段污泥總消減量用W總表示，計(jì)算公式為：

式中：n為每階段實(shí)驗(yàn)天數(shù).

反應(yīng)器污泥消減速率用S表示，計(jì)算公式為：

3 結(jié)果與討論

3.1 管式膜MBR反應(yīng)池污泥濃度變化情況

本實(shí)驗(yàn)將活性污泥投加到MBR反應(yīng)池中，同時(shí)進(jìn)行曝氣，利用微生物作用，將活性污泥逐漸消化、降解，達(dá)到污泥減量的目的.實(shí)驗(yàn)在MBR反應(yīng)池污泥培養(yǎng)馴化完成后，分3個(gè)階段進(jìn)行，每階段向MBR生化池中投入不同量的活性污泥，分別為1 L、2 L、4 L的污泥.實(shí)驗(yàn)檢測(cè)反應(yīng)池中的污泥濃度和出水水質(zhì).

反應(yīng)池污泥濃度變化情況如圖2所示.

圖2 活性污泥含量隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Concentration of sludge of MBR tank

圖2顯示，在只投加活性污泥的條件下，管式MBR生化池污泥質(zhì)量濃度總體呈減少趨勢(shì)，由初始的9 500 mg/L，逐漸減少到后期的7 500 mg/L，說(shuō)明部分活性污泥在反應(yīng)池被逐漸氧化消解.在每天分別投加1 L、2 L、4 L活性污泥的情況下，MBR反應(yīng)池污泥濃度沒(méi)有增加，基本呈減小趨勢(shì).本實(shí)驗(yàn)采用階段性的加入新鮮污泥后初始污泥濃度和污泥消化一段時(shí)間后污泥濃度的變化，分為第1階段、第2階段、第3階段這3種情況來(lái)考察.

污泥減量化評(píng)價(jià)如表3所示.

表3 污泥減量化評(píng)價(jià)Tab.3 Evaluation of sludge reduction

由表3可以看出，第1階段、第2階段MBR反應(yīng)池中污泥平均濃度有較多降低，第3階段變化較小.隨著反應(yīng)器中加入污泥量的增加，反應(yīng)池污泥消減量也增加，在第3階段，污泥添加量達(dá)到4 L（折合28 g活性污泥）時(shí)，反應(yīng)器的污泥消減量達(dá)到了596 g/（m3·d），這說(shuō)明MBR反應(yīng)器中活性污泥量隨著加入污泥量的增加，污泥每段時(shí)間的減少量逐漸降低，加入量增加到一定量后，反應(yīng)器中污泥濃度可以達(dá)到平衡.

由表3中反應(yīng)器污泥消減速率可以看出，隨著反應(yīng)器中加入污泥量的增加，反應(yīng)池污泥消減量也增加，在第3階段，污泥添加量達(dá)到4 L（折合28 g活性污泥）時(shí)，反應(yīng)器的污泥消減量達(dá)到了596 g/（m3·d），從圖2中可以看出，污泥濃度的減量化基本維持在一定程度范圍內(nèi).一方面當(dāng)污泥濃度增加時(shí)，隨著活性污泥在生化池中停留的時(shí)間增長(zhǎng)，必然會(huì)導(dǎo)致污泥老化，進(jìn)而會(huì)引起后生生物的生長(zhǎng)，使污泥濃度減少[9]；另一方面在貧氧（不提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)情況下）污泥可通過(guò)內(nèi)源呼吸作用而實(shí)現(xiàn)減量化，污泥濃度起初下降顯著，之后則緩慢降低，說(shuō)明這方面的污泥減量化是有限度的[10].由于污泥有機(jī)負(fù)荷很低而泥齡極長(zhǎng)，污泥負(fù)荷降低，使剩余污泥的產(chǎn)量大大減少.所以相對(duì)于其他污泥減量技術(shù)，管式膜生物反應(yīng)器有較大的優(yōu)勢(shì).

3.2 污泥中微生物含量以及種類(lèi)的變化

為了分析MBR反應(yīng)器對(duì)活性污泥消減機(jī)理，對(duì)反應(yīng)器中進(jìn)行了污泥的形態(tài)觀察和研究，在1 600倍的光學(xué)顯微鏡下觀察膜生物反應(yīng)器中的微生物.實(shí)驗(yàn)初期觀察到污泥上的微生物主要有鐘蟲(chóng)，在實(shí)驗(yàn)后期，可以在光學(xué)顯微鏡下看到有蠕蟲(chóng)游動(dòng)，還有較大紅斑瓢體蟲(chóng)和輪蟲(chóng)，表明實(shí)驗(yàn)期間膜生物反應(yīng)器中的污泥形狀良好.MBR內(nèi)的污泥減量效果與微型動(dòng)物的種類(lèi)和數(shù)量有關(guān)[11].

圖3所示為污泥微生物含量以及種類(lèi)變化的光學(xué)顯微鏡圖片.

圖3 污泥微生物含量及種類(lèi)的變化情況Fig.3 Change of sludge microbial content and species

從圖3中可以看出，在污泥前期單位面積下后生微生物的量較少，在污泥后期，單位面積下后生微生物增多.微生物是污水處理中的作用主體，后生微生物是其中重要組成部分，它們可以通過(guò)生理代謝過(guò)程對(duì)廢水起到直接的凈化作[12]，而且在污泥減量化過(guò)程中起到更大作用.

3.3MBR反應(yīng)池出水水質(zhì)

3.3.1 化學(xué)需氧量（COD）

生物反應(yīng)器中COD的去除率主要與反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物分解能力以及代謝產(chǎn)物在反應(yīng)器中積累有關(guān)，截留作用主要是由在膜表面形成凝膠層產(chǎn)生的.在考察MBR反應(yīng)器進(jìn)行污泥消減的過(guò)程中，對(duì)MBR出水進(jìn)行了水質(zhì)檢測(cè)，圖4所示為出水COD隨時(shí)間的變化曲線.

圖4 COD隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 COD changes in effluent with time MBR

由圖4可以看出，MBR出水COD基本在40 mg/L以下，這證明了膜生物反應(yīng)器不但對(duì)COD有較強(qiáng)的去除能力，而且同時(shí)又有較強(qiáng)的抗沖擊能力，可以穩(wěn)定達(dá)到國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn).這說(shuō)明在活性污泥減量消解過(guò)程產(chǎn)生的有機(jī)物、COD等基本被微生物利用并分解.

3.3.2 氨氮

氨氮在生化池中利用微生物轉(zhuǎn)化，可以被看成是氨氮被氧化成硝酸鹽氮是由2種獨(dú)立的細(xì)菌（氨氧化菌和亞鹽氧化菌）催化完成的.利用反硝化細(xì)菌將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦鯷13]，是通過(guò)NH4+-N到NO2--N再到N2這樣的步驟完成氨氮脫氮的過(guò)程[14].圖5所示為出水氨氮隨時(shí)間的變化曲線.

圖5 管式MBR出水氨氮變化曲線Fig.5 NH3-N changes in effluent with time of MBR tank

由圖5可以看出，MBR出水氨氮基本在5 mg/L以下，可以穩(wěn)定達(dá)到國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn).這說(shuō)明在活性污泥減量消解過(guò)程產(chǎn)生的氨氮等基本全部被微生物利用并分解.

由以上結(jié)論可知，管式膜流道寬，膜內(nèi)流速快，耐污染能力強(qiáng)，可以在更高的污泥濃度下正常運(yùn)行，由于污泥濃度比較高，管式MBR系統(tǒng)對(duì)污泥起到分離作用.

3.3.3 MBR出水電導(dǎo)率、溶解氧和pH

管式MBR出水電導(dǎo)率、溶解氧的變化曲線如圖6所示.

圖6 管式MBR的出水電導(dǎo)率、溶解氧變化曲線Fig.6 Effluents conductivity and dissolved oxygen change curves of MBR

由圖6可以看出，MBR出水電導(dǎo)率基本保持穩(wěn)定，由于生化系統(tǒng)幾乎對(duì)電導(dǎo)率沒(méi)有去除效果，出水電導(dǎo)率的降低僅依賴(lài)膜的分離[15].

由圖6還可以看出，當(dāng)溶解氧不同時(shí)，污泥減量速率以及減量存在一定差異，一般隨著溶解氧值增大，污泥減量較快且量大.溶解氧在5.5～6 mg/L時(shí)，反應(yīng)器中硝化活性高，再加上管式膜對(duì)硝化菌的截留作用，使得反應(yīng)器中硝化菌含量較高，因此系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率較高.同時(shí)，污泥量的減少會(huì)影響溶解氧的傳遞，會(huì)提高硝化菌活性，導(dǎo)致污泥減量效果明顯[16].

管式MBR的pH值變化曲線如圖7所示.

圖7 管式MBR的pH值變化曲線Fig.7 pH value change curve of MBR

由圖7可以看出，微生物正常生長(zhǎng)的pH值范圍大多在6.0～8.0之間，本實(shí)驗(yàn)中pH值基本保持在7左右，在此范圍內(nèi)微生物的生長(zhǎng)活性較好，如果超出此范圍微生物的代謝會(huì)受到限制，有機(jī)物的去除率會(huì)降低[17].而且生化池中酸堿度也是影響反應(yīng)器中氨氮去除率的重要因素，因?yàn)榉聪趸钸m宜的pH值也是在7.0～8.5之間.

以上結(jié)果說(shuō)明，通過(guò)MBR反應(yīng)池對(duì)活性污泥進(jìn)行減量化處理，在不添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并且滿(mǎn)足微生物活性所需的其他環(huán)境因素，例如溫度、pH值、溶解氧等，在不增加能耗和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的成本的前提下也可以有效降解活性污泥，實(shí)現(xiàn)污泥的減量化，同時(shí)出水可以達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn).

3.4 膜污染

管式MBR出水通量變化曲線如圖8所示.

圖8 管式MBR出水通量變化Fig.8 Fluxes change curve of MBR

由圖8可以看出，在初期，管式膜通量有較明顯的減小，到后期膜通量基本不變，保持穩(wěn)定.在實(shí)驗(yàn)期間，膜的污染可以歸結(jié)為以下幾個(gè)方面.首先是膜材質(zhì)的親疏水性，從延緩膜污染的背景下考慮，應(yīng)選擇親水性的膜材料.由于本實(shí)驗(yàn)采用聚偏氟乙烯作為膜材料，而聚偏氟乙烯的親水性較差，會(huì)使疏水性的污染物在膜表面吸附.再者活性污泥中具有和膜孔徑相近或者更小的溶質(zhì)和膠體顆粒時(shí)，在跨膜壓差的作用下，這部分物質(zhì)極易進(jìn)入到膜孔道而產(chǎn)生吸附和堵塞，因此管式MBR膜污染主要被歸類(lèi)于這兩方面[18].同時(shí)由于污泥質(zhì)量濃度比較高，達(dá)8 500 mg/L以上，也是易造成膜污染的原因.膜污染是限制MBR系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的瓶頸[19]，大幅度增加了MBR的投資和運(yùn)行成本，是現(xiàn)在亟待解決的問(wèn)題.

4 結(jié)論

在不添加任何營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的情況下，通過(guò)向管式MBR生化池中投入污泥的方法以實(shí)現(xiàn)污泥減量化.對(duì)MBR反應(yīng)池中污泥濃度變化情況分析顯示：

（1）管式MBR系統(tǒng)由于其流道寬、高強(qiáng)度的支撐層與高精度的分離層等特點(diǎn)，可以在較高流速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，活性污泥的消解速率可以達(dá)到596 g/（m3·d），有較好的污泥減量效果，可以有效消解活性污泥.

（2）在實(shí)驗(yàn)條件下，出水COD維持在40 mg/L以下，氨氮在5 mg/L以下，都達(dá)到了國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn).

（3）以管式MBR污泥減量技術(shù)所具有的顯著優(yōu)點(diǎn)，以及較好的處理效果，使其相對(duì)于其他傳統(tǒng)處理技術(shù)具有更簡(jiǎn)單的操作條件和更小的運(yùn)行成本.

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