A/O型IMBR工藝對生活污水脫氮除磷除碳的中試研究

李 娜，林星月，鄧一興，李國德，武士威，代 嵐

（1.沈陽師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，遼寧 沈陽 110034；2.沈陽師范大學(xué)科研處，遼寧 沈陽 110034；3.沈陽師范大學(xué)糧食學(xué)院，遼寧 沈陽 110034）

隨著我國經(jīng)濟(jì)與科技的快速發(fā)展，水資源短缺、水環(huán)境污染問題日益突出。富營養(yǎng)化是中國水體面臨的嚴(yán)重問題，很多城市的地下水已出現(xiàn)了水質(zhì)富營養(yǎng)化的現(xiàn)象[1-2]。水污染問題已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最重要制約因素之一，為了解決這一問題，迫切需要開發(fā)穩(wěn)定有效的氮磷去除工藝。膜生物反應(yīng)器具有出水水質(zhì)好、剩余污泥少、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，并隨著制膜成本和運(yùn)行成本的下降，在國內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注[3-7]。本文將A/O與MBR工藝相結(jié)合，對該工藝在不同工況下的脫氮除磷效果進(jìn)行了中試實(shí)驗(yàn)研究，從而獲得了該工藝運(yùn)行的最優(yōu)工藝參數(shù)，以期為生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)提供最優(yōu)化的運(yùn)行參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)工藝與方法

1.1 工藝流程

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。排水井中的生活污水抽到原水槽后，經(jīng)斜板沉淀池到厭氧槽，再溢流進(jìn)入好氧槽，最后通過出水泵的抽吸作用得到膜過濾出水。出水泵的工作壓力為0～50 kPa，出水泵的運(yùn)行模式為13min停2min。好氧槽內(nèi)底部連續(xù)曝氣。實(shí)驗(yàn)所用的膜組件為聚偏氟乙烯平板膜（日本東力），膜孔徑為0.08 μm，膜面積為0.45 m2。

圖1 實(shí)驗(yàn)工藝流程Fig.1 Experiment technological process

1.2 測試項(xiàng)目與測試方法

測試項(xiàng)目參照國家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測分析方法》中的標(biāo)準(zhǔn)方法監(jiān)測，具體內(nèi)容見表1。

表1 測試項(xiàng)目與方法Table 1 Test items and methods

1.3 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)用水取自某家屬區(qū)及學(xué)生公寓的排水井，水質(zhì)如表2所示。

1.4 膜組件選擇的原則

生物處理能力與膜組件的處理能力相匹配是MBR設(shè)計(jì)的原則，可用如下關(guān)系式表示[8]：

其中，V為曝氣池的有效容積，m3；A為膜面積，m2；J 為膜穩(wěn)態(tài)通量，m3·(m2· d)-1；So為曝氣池進(jìn)水 COD，mg·L-1；N為污泥負(fù)荷率，kg COD·(kg MLSS·d)-1；X 為曝氣池污泥濃度，mg·L-1。

表2 實(shí)驗(yàn)污水水質(zhì)Table 2 Experiment wastewater quality

本實(shí)驗(yàn)所采用的一體式平板式MBR，膜穩(wěn)態(tài)通量為 0.5m3·(m2·d)-1，進(jìn)水 COD 為 500mg·L-1，MLSS維持在6g·L-1左右，曝氣池有效容積0.5m3，設(shè)計(jì)V/A為0.32m，因此膜面積選擇1.6m2。每片膜面積0.45m2，數(shù)量1.6m2/0.45m2=3.5，因此選用4片膜。

2 結(jié)果與討論

2.1 HRT對脫氮除磷除碳的影響

一般在脫氮除磷工藝的影響因素中，HRT是必須考慮的因素，其大小影響著工程占地面積，所以本實(shí)驗(yàn)考察了HRT對工藝脫氮除磷除碳效果的影響。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：回流比200%，MLSS為6～8.2g·L-1，DO 大于 3.5mg·L-1，進(jìn)水 pH 為 7.0～8.1，溫度為13～22℃。實(shí)驗(yàn)每運(yùn)行30d調(diào)整一次HRT，運(yùn)行的180d 中，HRT 分別調(diào)整為 14、16、17、18、19、20h。

2.1.1 HRT對氮去除效果的影響

2.1.1.1 HRT對NH4+-N的影響

圖2所示為HRT對氨氮去除效果的影響。由圖可見，HRT為14h時(shí)，氨氮平均去除率僅為66.58%，較短的HRT導(dǎo)致氨氮的轉(zhuǎn)化不充分，去除率不理想；HRT提高到17h后，氨氮去除率得到快速提升，平均去除率達(dá)到97.74%；繼續(xù)提高HRT，氨氮去除率隨之增大。膜組件的截留作用使得膜生物反應(yīng)器中的SRT長，給系統(tǒng)中硝化菌的繁殖提供了有利條件，反應(yīng)器中可較好地進(jìn)行硝化反應(yīng)。

圖2 HRT對NH4+-N去除效果的影響Fig.2 The influence of HRT on NH4+-N removal efficiency

2.1.1.2 HRT對TN的影響

圖3為HRT對總氮去除效果的影響。在HRT為14h的條件下，總氮的平均去除率為63.16%；HRT延長為16h后，總氮去除率迅速增加到72.83%，繼續(xù)延長HRT到17h后，總氮平均去除率增至84.37%，再繼續(xù)延長HRT，總氮的去除率仍呈增加趨勢，但增加緩慢。

圖3 HRT對TN去除效果的影響Fig.3 The influence of HRT on TN removal efficiency

2.1.2 HRT對TP的影響

圖4為HRT對總磷去除的影響，由圖可見，總磷的去除率隨著HRT的延長呈先增加后下降的趨勢。HRT為17h時(shí)總磷的去除效果最佳。分析其原因，可能是較短的HRT導(dǎo)致污泥過量吸磷，每天進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)從系統(tǒng)中取出的污泥可排出少量的磷；當(dāng)HRT延長到18h后，污泥釋磷，這直接導(dǎo)致了總磷去除率的下降。

圖4 HRT對TP去除效率的影響Fig.4 The influence of HRT on TP removal efficiency

2.1.3 HRT對COD去除效果的影響

HRT對有機(jī)物去除效果的影響如圖5所示。從圖5可以看出，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的前30d即HRT為14h時(shí)，膜生物反應(yīng)器對廢水中有機(jī)物的去除效果不太理想，即便膜組件對有機(jī)物有一定的阻截作用，但因較短的HRT不能使系統(tǒng)中的有機(jī)物被微生物充分降解，致使COD的去除率較低，平均去除率為83.79%。HRT延長到17h時(shí)（60～90d），COD去除率增至97.72%，此后繼續(xù)延長HRT，COD去除率的增加速率減緩。

圖5 HRT對COD去除效果的影響Fig.5 The influence of HRT on COD removal efficiency

2.2 進(jìn)水有機(jī)物濃度對氮、磷去除的影響

2.2.1 進(jìn)水有機(jī)物濃度對氮去除效果的影響

根據(jù)COD/TN比值情況，在回流比為200%的條件下，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了2組COD/TN下的脫氮實(shí)驗(yàn)。一組COD/TN平均為2.59，一組COD/TN平均值為5.68，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。COD/TN為2.59時(shí)，即使回流比達(dá)到200%，總氮去除率最高僅為66.64%，總氮去除率隨著實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行呈降低之勢；COD/TN為5.68、回流比為200%時(shí)，總氮去除率增至83.91%。

圖6 COD/TN為2.59和5.68時(shí)TN的去除情況Fig.6 removal efficiency of TN changed with time when COD/TN was 2.59 and 5.68

2.2.2 進(jìn)水有機(jī)物濃度對TP去除效果的影響

如圖7所示，當(dāng)進(jìn)水有機(jī)物過低時(shí)，厭氧區(qū)釋磷不充分，除磷效果不佳。進(jìn)水的有機(jī)負(fù)荷較低時(shí)，厭氧區(qū)總磷的濃度低于進(jìn)水的總磷濃度，沒有實(shí)現(xiàn)厭氧釋磷，總磷的去除率僅為50.36%。原因可能是，一方面好氧區(qū)未被完全硝化的硝化液由回流帶入?yún)捬鯀^(qū)，另一方面可能是厭氧區(qū)的污泥濃度過低。進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷較高時(shí)，厭氧區(qū)釋磷充分，好氧區(qū)吸磷完全。圖8是提高進(jìn)水有機(jī)物濃度后的除磷情況。進(jìn)水COD為590mg·L-1時(shí)，總磷去除率最高可達(dá)69.97%。

另外，從圖7、圖8還可以看出，膜對總磷的去除是有積極作用的。低有機(jī)負(fù)荷條件下，膜的平均截留率為13.37%，高有機(jī)負(fù)荷條件下，膜對總磷的截留率降至5.14 %。

圖7 低進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷下磷和氮隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.7 phosphorus and nitrogen removal changed with time at low organic loading rate

圖8 高進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷下磷隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.8 phosphorus removal changed with time at high organic loading rate

3 結(jié)論

1）HRT對膜生物反應(yīng)器的處理效能影響顯著。氨氮、總氮和COD的去除率，隨著水利停留時(shí)間的延長先快速增加，延長到17h之后增加緩慢；總磷去除率隨著HRT的延長先增加后下降。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)的最佳HRT為17h。

2）適當(dāng)增大進(jìn)水COD/TN可獲得較理想的脫氮效果。進(jìn)水COD對該工藝TP的去除效果也有較大影響，進(jìn)水有機(jī)物過低時(shí)，厭氧區(qū)釋磷不充分，除磷效果不佳。