间歇曝气对膜生物反应器影响的试验研究

　　膜生物反应器是由膜分离与生物处理组合而成的一种新型、高效的污水处理技术[1 ] 。几乎能将所有的微生物截留在生物反应器内,使反应器内的生物浓度提高,理论上污泥泥龄可无限长,出水有机物含量降到最低,有效地去除氨氮。

　　膜生物反应器是一种正在发展的水处理再生技术。本实验膜生物反应器(MBR) 集合了传统活性污泥法中的生物处理技术与膜分离技术结合而成的新型的污水处理工艺。它采用膜分离取代传统的重力沉降过程,实现了高效的固液分离效果,不论固体颗粒的沉降性能如何,均可完成固液分离过程,并且可以避免因生物体流失而造成的系统失效[2 ] 。膜生物反应器能够完全截留微生物,可以避免由于硝化菌数量的减少影响硝化作用, 进而降低系统的脱氮效率[3 ,4 ] 。该工艺具有出水水质好,容积负荷高,占地面积小,剩余污泥产量低,操作管理方便等优点。因此本文以生活污水为研究对象,对MBR 处理生活污水进行可行性研究。

　　1 　材料与方法

　　1. 1 　实验装置

　　本实验采用2 套平行的膜生物反应器, 实验装置由高位水箱、进水管路、平衡水箱、生物反应器、膜组件、出水管路、曝气系统、测压管管路组成。曝气池中的曝气量为0. 2 m3/ h。膜组件为聚偏氟乙烯中空纤维帘式膜(PVDF) ,膜孔径0. 2μm ,纤维内径0. 5μm ,外径0. 8μm ,膜面积1 m2 。生物反应器内由砂滤曝气头提供微生物所需的溶解氧和产生冲刷膜面的错流流体,由气体转子流量计来控制曝气量。

　　1. 2 　分析项目与方法

　　本实验分析项目:氨氮(NH3 N) 采用钠试剂光度法,化学需氧量(COD) 采用重铬酸钾法。测定方法均采用国家环保局水和废水监测分析标准方法。

　　1. 3 　实验废水及运行参数

　　本实验为配水实验,模拟生活污水,配方按照微生物所需的营养比例BOD5∶N∶P = 100∶5∶1 ,投加少量的氯化钙、硫酸镁、硫酸钾。进水水质pH 6. 5～7 ,水温为常温,COD 260～620 mg/ L ,氨氮1. 259～7. 516 mg/ L。

　　1. 4 　运行方式及运行参数

　　实验采用间歇式运行方式,连续出水间歇曝气。时间继电器控制2 台泵间歇曝气。实验在曝气量为0. 2 m3/ h 时,气水比为40∶1 ,一号反应器曝气30 min 停5 min ,二号反应器曝气30 min 停10 min。通过对比找出最优间歇时间,对有机物和氨氮去除效果最佳,而膜污染速率不会加快。实验所用污泥取自北部污水处理厂二沉池回流污泥,在接种污泥培养驯化一段时间后投加到生物反应器中。整个实验过程中不特意排泥,只是在监测分析及膜清洗时损失一部分。实验装置如图1 所示,连续运行40 d。

　　2 　结果与讨论

　　2. 1 　有机污染物的去除

　　运行稳定后的MBR 对生活污水的处理效果见图2、图3。由图2 可知,在MBR 运行稳定后, 在不同间歇时间条件下膜生物反应器对有机物具有良好的去除率, 在各种反应条件下不论原水COD 值如何变化, 总的有机物去除率在91. 48 %～98. 25 %之间,由图3 可知,出水COD 值不大于30

 

 

图1 　CODcr去除率随时间的变化

　　说明MBR 对有机污染物具有良好的去除率,运行方式的不同对有机物的去除并没有太大的影响,这主要是通过膜的截流作用,将大分子有机物完全阻隔在生物池内,由于膜的截流作用,提高了有机物的去除率。顾平对抽吸一体式MBR能耗分析表明:曝气的能耗占总能耗96 %以上[5 ] 。试验所采用的间歇曝气方式对膜生物反应器高耗能的问题有一定的帮助作用。

 

 

图2 　CODcr质量浓度随时间的变化

 

 

图3 　NH3 N去除率随时间的变化

　　2. 2 　氮的去除

实验过程中连续监测原水、反应器上清液、膜出水的NH3 N 值,结果见图4、图5。由图4、图5 可知MBR 具有较好的硝化能力。从图4 可以看出在生物反应阶段, 1 号反应器氨氮的去除率在86. 27 %～93. 42 % , 平均去除率为90. 11 %;2 号反应器氨氮去除率在80. 2 %～95. 7 % , 平均去除率为88. 37 %; 总的NH3 N 去除率1 号反应器88. 49 %～95. 82 % , 平均去除率为92. 24 % , 2 号反应器在83. 8 %～94. 8 % ,平均去除率为89. 33 %。由图5 可知1 号反应器出水NH3 N 最大为0. 741 mg/ L ,最小为0. 211 mg/ L ;2 号反应器出NH3 N 最大为1. 11 mg/ L ,最小为0. 26 mg/ L。

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　　从实验结果可知,无论在生物段还是对于膜出水来说曝气30 min 间歇5 min 处理效果要好于曝气30 min 间歇10 min 的处理效果,说明短暂的间歇并不会降低NH3 N 的去除率。1 号反应器平均去除率达到92. 24 % ,而膜出水和上清液中氨氮的去除率相差不大,说明氨氮的去除主要在生物段。MBR 能有效地去除氨氮,主要利用膜将绝大部分生物截留在反应器内,反应器内维持较高的污泥质量浓度,有利于世代时间较长的微生物如硝化细菌的截留和生长,可以有效防止生长繁殖的世代周期长的硝化细菌的流失,为反应器中保有足够数量的硝化菌以完成生物硝化作用。在膜生物反应器中,随着污泥浓度的增长,生物池中形成了一些大的活性污泥絮体,溶解氧通过污泥絮体的表面进入絮体内部会形成一定的浓度梯度,在活性污泥絮体表面的供氧充分,进行硝化反应,在活性污泥絮体内部的缺氧环境中,反硝化菌进行反硝化。因此,膜生物反应器是一种比较理想的硝化反应器。

 

图4 　NH3 N质量浓度随时间变化曲线

 

图5 　膜压差随时间变化曲线

　　2. 3 　膜污染

　　在间歇时间不同的条件下,随着运行时间的延长,2 号反应器出水水质明显不如1 号反应器的出水水质。这可能是由于在曝气时间相同的条件下,间歇时间越长,膜污染速率也会大幅度提高,造成2 号反应器出水水质不如1 号反应器。由图5 可知,在前30 d 膜污染速率上升缓慢,1、2 号反应器膜压差均有一个从上升到下降的过程,但变化幅度小。到了最后10 d ,2 号反应器膜污染急剧上升,而1 号反应器膜污染上升比较平缓, 2 号反应器膜压差从0. 035 Pa 上升到0. 176 Pa ,而1 号反应器膜压差从0. 031 Pa 上升到0. 041 Pa。因而在曝气30 min 间歇5 min 的条件下,间歇曝气对膜污染速率提高不会造成太大的影响,而污染物的去除效果也不会降低。

　　3 　结论

　　(1) 间歇曝气膜生物反应器能有效地去除有机物,在曝气30 min 停5 min、曝气30 min 停10 min 的试验条件下COD的平均去除率分别可以达到94. 93 %。

　　(2) 在曝气30 min 停5 min 条件下对氨氮具有良好的去除效果, 氨氮的平均去除率为92 % , 出水氨氮质量浓度为0. 44 mg/ L。

　　(3) 曝气30 min 停5 min 的间歇曝气不会造成膜污染速率的加快。随着研究的不断深入,如果能够较好地解决膜污染问题,间歇曝气膜生物反应器将有广泛的应用前景。

　　参考文献

　　1 　韩剑宏. 中水回用技术及工程实例. 北京:化学工业出版社,2004.160～166

　　2 　许振良. 膜法水处理技术. 北京:化学工业出版社,2001. 225～230

　　3 　曾萍,吴志超,张鹏. 膜生物反应器处理高氨氮有机废水的研究.水处理技术,2004 ,30(4) :202～204

　　4 　冯旭东,王葳,董黎明,等. 高浓度氨氮废水处理技术. 北京工商大学学报,2004 ,22(2) :5～8

　　5 　顾平,罗虹,杨造燕,等. 中空膜生物床处理生活污水的中试研究.中国给水排水,2000 ,16(3) :5～8

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