強(qiáng)化A/O-MBR處理低C/N比生活污水及膜污染的影響研究

楊 超，李 杰*，馬東華

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710032)

研究表明，中國(guó)城市污水普遍為低C/N比污水，傳統(tǒng)污水處理技術(shù)由于缺乏進(jìn)水碳源使得其對(duì)此類污水處理效果不佳[1-3]。普通A/O-MBR(CMBR)將傳統(tǒng)的A/O活性污泥法和MBR膜工藝相結(jié)合的新型處理工藝，利用MBR膜組件將活性污泥攔截，實(shí)現(xiàn)水力停留時(shí)間(HRT)與污泥停留時(shí)間(SRT)的分離，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了泥水分離和污泥濃縮。在滿足出水水質(zhì)的基礎(chǔ)上，具有更好的脫氮性能，設(shè)備占地面積小，產(chǎn)泥量少。但長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)現(xiàn)CMBR存在微生物的生物活性降低、懸浮微生物淤積在膜表面現(xiàn)象，造成能耗高、氧利用率低、膜污染嚴(yán)重等問題[4-9]。

強(qiáng)化A/O-MBR(HMBR)將微生物固定化技術(shù)與A/O-MBR相結(jié)合，為微生物提供棲息和繁殖的穩(wěn)定環(huán)境，從而降低反應(yīng)器中懸浮生物濃度，不僅提高了出水水質(zhì)，而且有效延長(zhǎng)了膜的使用壽命[10-11]。宋樂元等[12]研究發(fā)現(xiàn)投加填料不僅強(qiáng)化了AnMBR的處理效果，且有效控制了膜污染。薛源等[13]對(duì)比普通MBR與投加磁性懸浮顆粒載體的MBR出水，發(fā)現(xiàn)后者COD、氨氮和硝態(tài)氮處理效果均優(yōu)于前者，且投加復(fù)合載體的MBR膜污染較為緩慢。Santos Amaral等[14]通過對(duì)MBR反應(yīng)器投加PAC填料，發(fā)現(xiàn)投加填料能有效緩解膜的污染速率，延長(zhǎng)膜的使用壽命。A.Elif等[15]對(duì)比研究普通MBR與投加載體的MBR反應(yīng)器，表明載體有助于有機(jī)污染物的去除。Jifeng Guo等[16]通過研究發(fā)現(xiàn),投加多孔聚氯乙烯載體的MBR比普通MBR對(duì)于污染物的去除更優(yōu)，且可以有效減緩膜污染問題。

以低C/N比生活污水為研究對(duì)象，通過將微生物固定化技術(shù)與CMBR結(jié)合，開發(fā)新型HMBR，主要考察了CMBR與HMBR污染物去除效果的對(duì)比及膜污染狀況分析，以期為低C/N比的實(shí)際生活污水處理提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)水質(zhì)及分析方法

試驗(yàn)用水取自某大學(xué)生活區(qū)生活污水，進(jìn)水C/N比均值為4.59，屬于典型的低C/N比生活污水，具體水質(zhì)指標(biāo)及檢測(cè)方式見表1。

表1 原水水質(zhì)及分析檢測(cè)方法 單位：mg/L

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

A/O-MBR設(shè)備簡(jiǎn)圖見圖1，總有效容積約為62 L，由前置反硝化區(qū)(20 L)和好氧硝化區(qū)(42 L)組成，且底部相通，平行開啟；HMBR的好氧區(qū)中，投加由PUF(2 cm×2 cm×2 cm)填充的網(wǎng)孔塑料球載體(D=12 cm)，載體填充率為40%，其余均與CMBR相同。硝化液由離心泵回流到反硝化區(qū)，設(shè)備進(jìn)水量與硝化液回流量均采用液體轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行控制。好氧硝化區(qū)上部設(shè)膜面積約為5 m2的聚丙烯中空纖維微濾膜，膜孔徑為0.1～0.2 μm。采用間歇運(yùn)行，記錄在運(yùn)行期間，兩反應(yīng)器膜組件的衰減情況及清洗方式，膜通量的恢復(fù)情況。

圖1 A/O-MBR設(shè)備簡(jiǎn)圖

2 結(jié)果及討論

2.1 PUF載體強(qiáng)化效果的研究

2.1.1PUF載體特性分析

水中有機(jī)污染物的降解主要依靠附著在載體上生長(zhǎng)的微生物的生物氧化作用，載體的性能直接影響和制約著水處理工藝的處理效率。PUF載體是具有海綿特性的新型載體材料，首先具有良好的物理特性，載體疏松多孔、孔壁粗糙，有益于微生物的附著、截留量增多，能夠維持反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度；其次具有的良好機(jī)械強(qiáng)度能夠抵御不同強(qiáng)度的水力剪切以及填料之間的摩擦碰撞，避免造成生物膜反應(yīng)器中所持有的生物量降低，出水水質(zhì)發(fā)生波動(dòng)；同時(shí)較好的生物化學(xué)及熱力學(xué)穩(wěn)定性，使得PUF填料本身不參與系統(tǒng)內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)。

2.1.2強(qiáng)化效果的比較

控制兩反應(yīng)器在相同條件下平行運(yùn)行，生化出水去除率、系統(tǒng)出水去除率及膜組件去除率均基于進(jìn)水濃度進(jìn)行計(jì)算，通過對(duì)比生化段出水與系統(tǒng)出水中的COD、NH3-N、TN，考察生物反應(yīng)器生物降解作用和膜過濾作用對(duì)各指標(biāo)的去除率貢獻(xiàn)，結(jié)果見表2。

表2 不同反應(yīng)器污染物去除的對(duì)比研究

HMBR的脫氮性能明顯優(yōu)于CMBR。對(duì)比生化段出水，CMBR對(duì)COD、氨氮及總氮的去除率分別為65.43%、52.88%及42.52%，低于HMBR的72.77%、60.20%及46.37%。一方面是由于投加載體填料后，對(duì)水流有強(qiáng)制性的紊動(dòng)作用，水流在填料內(nèi)部形成交叉流動(dòng)，為污水和微生物的接觸創(chuàng)造了良好的水力條件，對(duì)好氧反應(yīng)器中的氣泡有重復(fù)切割作用，增大了氣水接觸面積，提高了傳質(zhì)效果，使水中的溶解氧濃度提高，從而強(qiáng)化了微生物、有機(jī)物和溶解氧三者之間的傳質(zhì)關(guān)系，更加有益于水體中污染物的去除；同時(shí)由于PUF載體具有豐富的比表面積，為微生物提供棲息和繁殖的穩(wěn)定環(huán)境，有利于反應(yīng)器的微生物量保持在較高水平；菌種在填料區(qū)可依次分布好氧菌種、缺氧菌種、厭氧菌中，菌種的多元化有利于提高污水的處理效果，縮短處理時(shí)間，同時(shí)可承受的有機(jī)負(fù)荷也相對(duì)較高，這也與L.Rodríguez-Hernández等[18]研究結(jié)論相一致。另一方面由于膜分離的截留作用，很好地解決了污泥流失的問題，可以使污泥停留時(shí)間無限制延長(zhǎng)，有利于硝化細(xì)菌在反應(yīng)器中得到了有效積累；由于內(nèi)部微觀環(huán)境在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能夠相對(duì)保持穩(wěn)定，因此受外界環(huán)境變化影響也比較小，從而保證硝化反應(yīng)充分進(jìn)行，反應(yīng)器表現(xiàn)出較良好的脫氮效果，出水水質(zhì)更優(yōu)。楊茗紳等[19]通過對(duì)于A/O-MBR處理生活污水的研究，發(fā)現(xiàn)投加的PAC載體成為硝化菌吸附生長(zhǎng)的良好載體，有利于脫氮的進(jìn)行。

盡管HMBR與CMBR在生化段出水水質(zhì)有所差異，但是在系統(tǒng)出水，去除率差異不大，證明膜的過濾作用對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定出水起到了決定作用。HMBR膜對(duì)于COD去除貢獻(xiàn)率為12.56%，低于CMBR膜的18.11%，這是由于HMBR前期生化段去除段去除了大量的污染物質(zhì)，從而減緩了膜的負(fù)擔(dān)，由于HMBR反應(yīng)器中有填料的存在，使生化段出水中懸浮物的濃度大大減少，填料對(duì)水中的懸浮物有一定的截留作用，一定程度上避免了由于膜過濾過程中懸浮物在膜表面形成淤積，導(dǎo)致的膜過濾阻力增大，運(yùn)行費(fèi)用大大增加的問題，同時(shí)也延長(zhǎng)了膜的操作周期。

2.2 膜污染的比較

2.2.1膜通量運(yùn)行衰減狀況

在新膜放入生物反應(yīng)器之前，對(duì)兩組膜組件的清水通量進(jìn)行了測(cè)量。CMBR膜組件與HMBR膜組件的極限膜通量分別為1.31、1.27 L/(m2·h)。膜組件一經(jīng)放入生物反應(yīng)器中膜污染過程即開始，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，膜阻力逐漸升高，膜通量逐漸下降。CMBR膜組件與HMBR膜組件的膜通量衰減狀況見圖2。

圖2 膜通量隨運(yùn)行時(shí)間的衰減狀況研究

將膜組件放入反應(yīng)器的前21 d，2個(gè)膜的膜通量均出現(xiàn)急速下降，CMBR膜通量由1.31 L/(m2·h)降至0.31 L/(m2·h)，HMBR膜通量由1.27 L/(m2·h)降至0.40 L/(m2·h)，這是由于反應(yīng)器中污泥濃度相對(duì)較低，污泥對(duì)溶解性有機(jī)物的吸附和降解能力弱，使得混合液中的溶解性有機(jī)物濃度增加，從而易被膜表面吸附形成凝膠層，導(dǎo)致過濾阻力增加，膜通量出現(xiàn)急劇下降；隨反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行，污泥濃度逐漸變高，污泥易在膜表面沉積，形成較厚的污泥層，導(dǎo)致過濾阻力增加，膜通量進(jìn)一步降低，進(jìn)而阻礙氧氣的轉(zhuǎn)換，污泥的流動(dòng)性和分離性能不佳[20]。至46 d時(shí)，CMBR膜通量，僅為初始通量的14.5%，膜污染已比較嚴(yán)重，故對(duì)膜組件進(jìn)行了物理清洗，將附著在膜表面的污泥層沖刷掉，再測(cè)定膜通量，膜通量恢復(fù)為0.44 L/(m2·h)。HMBR膜通量在運(yùn)行至70 d時(shí)，下降至0.20 L/(m2·h)，僅為初始通量的15.7%，通過物理清洗后，可恢復(fù)至0.54 L/(m2·h)。與CMBR相比，投加PUF載體的HMBR膜通量衰減速度相對(duì)緩慢，有較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，且對(duì)膜組件進(jìn)行物理沖洗后，發(fā)現(xiàn)膜通量有更高的恢復(fù)，膜組件所受污染程度明顯小于CMBR膜組件。這是由于通過PUF載體對(duì)于膜體的摩擦及胞外聚合物的吸附，有效減緩了膜的污染進(jìn)程，延長(zhǎng)膜組件的使用壽命，且物理清洗對(duì)此種污染有較好的效果[16-21]。

2.2.2膜的清洗與恢復(fù)狀況

當(dāng)MBR運(yùn)行一段時(shí)間后，污染物開始在膜的微孔內(nèi)附著，如果污染加劇，膜出水量會(huì)急劇下降。采用清洗的方法可以有效恢復(fù)膜通量，主要清洗方法有物理清洗、化學(xué)清洗、機(jī)械清洗、超聲波清洗以及上述方法的組合使用。

原水水質(zhì)為生活污水，膜污染性質(zhì)主要為污泥的附著層污染及有機(jī)物和微生物污染，故選擇采取了清水清洗、物理清洗及物理-化學(xué)清洗的方式，物理清洗是將膜用清水清洗后，再用0.1 MPa的壓力反沖洗膜組件，化學(xué)清洗是分別用NaOH(1%)溶液與H2SO4(1%)溶液各浸泡1 h，最后用2%～5% NaClO溶液清洗膜組件，膜通量的恢復(fù)情況見圖3。

圖3 不同清洗方式對(duì)于膜通量的恢復(fù)影響研究

物理-化學(xué)清洗的方式對(duì)于2個(gè)膜的膜通量恢復(fù)均有較好結(jié)果，物理清洗方式使CMBR膜通量和HMBR膜通量分別恢復(fù)到初始膜通量的34.4%、46.5%，物理-化學(xué)清洗后CMBR膜通量和HMBR膜通量分別達(dá)到初始膜通量的87.7%和93.7%。與CMBR相比，HMBR反應(yīng)器由于膜表面的污泥附著層厚度較薄，物理清洗效果明顯優(yōu)于CMBR，再加之膜內(nèi)部的污染程度也較輕，物理-化學(xué)清洗后的膜通量可恢復(fù)至初始膜通量的93.7%。

3 結(jié)論

a)連續(xù)試驗(yàn)表明，HMBR較CMBR反應(yīng)器，能得到更優(yōu)質(zhì)且穩(wěn)定的膜過濾出水，對(duì)COD、氨氮及總氮的平均去除率分別可達(dá)83.88%、67.24%和50.89%；其中，氨氮與總氮主要靠生物反應(yīng)器去除，膜的去除作用很小。

b)與CMBR反應(yīng)器相比，投加PUF載體的HMBR反應(yīng)器有效延長(zhǎng)了膜組件的運(yùn)行時(shí)間，且膜污染程度更低，經(jīng)物理沖洗后，膜通量可恢復(fù)至初始膜通量的46.5%，物理-化學(xué)清洗后，膜通量可恢復(fù)至初始膜通量的93.7%。