序批分體式膜生物反應(yīng)器脫氮除磷特性研究

摘要：采用序批分體式膜生物反應(yīng)器處理模擬廢水，考察了不同污泥負荷條件下系統(tǒng)對TN、TP的處理特性，并探討了系統(tǒng)TN、TP容積負荷與去除速率間的相關(guān)性。結(jié)果表明，在0.22～0.63  kg COD/(kg MLSS˙d)污泥負荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)TN、TP出水濃度均滿足GB18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B標準(20  mg/L與1 mg/L)，其平均去除率分別為97.3%與96.8%，表明處理狀況良好。在0.22～0.63 kg COD/(kg  MLSS˙d)污泥負荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)TN、TP容積負荷與去除速率具有良好的相關(guān)性，在工程實踐中有一定的指導意義。

關(guān)鍵詞：序批分體式膜生物反應(yīng)器;污泥負荷;去除速率

膜生物反應(yīng)器(Membrane  Bioreactor，MBR)是將膜技術(shù)與生物處理技術(shù)相結(jié)合的一種水處理技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)活性污泥法相比，膜生物反應(yīng)器的處理效率高，占地面積小，出水水質(zhì)穩(wěn)定，無污泥流失及污泥膨脹，受到人們的重視[2，3]，但高昂的膜造價成本與膜污染制約了膜生物反應(yīng)器的大規(guī)模推廣應(yīng)用[4]。

目前，隨經(jīng)濟的快速發(fā)展，水體富營養(yǎng)化問題日益嚴重，傳統(tǒng)活性污泥法已無法滿足氮、磷排放標準[5]。在此背景下，膜生物反應(yīng)器在生物脫氮除磷領(lǐng)域備受關(guān)注。膜生物反應(yīng)器通過膜對微生物的截留作用，在反應(yīng)器內(nèi)可維持較長污泥停留時間 (SRT)[6];同時，序批式的運行模式易在生物反應(yīng)池內(nèi)形成好氧、缺氧及厭氧等不同運行環(huán)境，有利于硝化、反硝化及除磷菌的生長[7]。此外，膜組件與生物反應(yīng)池分置的分體式膜生物反應(yīng)器，減輕了膜的污染，易于管理。綜上所述，本研究采用序批分體式膜生物反應(yīng)器處理模擬廢水，考察系統(tǒng)對氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的處理特性，探討系統(tǒng)氮、磷去除速率，為工藝優(yōu)化與運行調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

如圖1所示，試驗裝置由有機玻璃制造而成，主要由蓄水池、生物反應(yīng)池與排水池構(gòu)成。廢水依次經(jīng)蓄水池、生物反應(yīng)池和排水池并最終排出。進入蓄水池的廢水經(jīng)初次沉淀后，在水位差的作用下流入生物反應(yīng)池;在生物反應(yīng)池進行生物降解后的處理水，在水位差的作用下流入排水池;處理水在排水池通過膜的過濾最終排出。生物反應(yīng)池內(nèi)設(shè)有曝氣、攪拌裝置及時間控制器，其有效容積為34  L。排水池內(nèi)設(shè)有中空纖維簾式膜組件(5組)，膜購置于杭州凱宏膜技術(shù)有限公司，其主要材質(zhì)為聚偏氟乙烯(PVDF)。每組膜面積為140 cm2(20 cm×7  cm)，截留孔徑為0.4 μm。

1.2 試驗材料

采用人工模擬廢水，廢水以葡萄糖為碳源，(NH4)2SO4與K2HPO4為氮源與磷源，外加CaCl2、FeSO4˙7H2O、MgSO4˙7H2O等部分微生物生長所需微量元素配制而成，此時，廢水化學需氧量(COD)濃度為500  mg/L，根據(jù)不同試驗要求調(diào)整其進水濃度。試驗用污泥取自延吉市污水處理廠二沉池回流污泥。

1.3 試驗方法

污染物生物降解主要在生物反應(yīng)池內(nèi)進行，而生物反應(yīng)池結(jié)合生物脫氮除磷機理，采用曝氣—攪拌—曝氣相結(jié)合的序批式運行模式，具體操作如圖2。序批式運行模式也減輕了系統(tǒng)對膜的污染，處理水在生物反應(yīng)池內(nèi)經(jīng)沉淀后流入排水池，避免了污泥流入排水池，減輕了膜的負擔。系統(tǒng)運行周期為12  h，日處理量為16 L。

試驗以進水污泥負荷為變量，考察不同負荷條件下系統(tǒng)的生物脫氮除磷特性。污泥負荷從0.22依次調(diào)整到0.27、0.45、0.56、0.63 kg  COD/(kg  MLSS˙d)等不同負荷工況。水質(zhì)分析參照國家環(huán)保局分析方法[8]，總氮(TN)、總磷(TP)、COD及混合液懸浮固體濃度(MLSS)分別采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法、過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法、重鉻酸鉀法與105  ℃干燥減重法。

2 結(jié)果與分析

2.1 TN處理效果

由圖3可知，在0.22、0.27、0.45、0.56、0.63 kg COD/(kg  MLSS˙d)等不同污泥負荷工況下，TN平均出水濃度分別為0.95、1.36、1.33、1.74、2.95 mg/L，均低于一級B標準(20  mg/L)。在0.22～0.56 kg COD/(kg MLSS˙d)污泥負荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)對TN的處理效果較為穩(wěn)定，去除率變化幅度較小。但污泥負荷上升至0.63  kg COD/(kg  MLSS˙d)時，TN去除率相對有較大幅度下降。隨污泥負荷的增加，系統(tǒng)中有機物量增多，硝化細菌在與異養(yǎng)型碳氧化細菌的競爭過程中處于劣勢，生長繁殖受到抑制，故硝化作用減弱[9，10]，TN去除率也呈下降趨勢。

整個運行期間，TN平均去除率為97.3%，系統(tǒng)對TN的去除狀況良好。曝氣—攪拌—曝氣的序批式運行模式，為系統(tǒng)中硝化菌與反硝化菌的生長，以及生物脫氮過程中的好氧硝化與缺氧反硝化反應(yīng)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。同時，由于膜對微生物的截留作用，系統(tǒng)可維持較長的SRT，有利于生長速度緩慢的硝化菌的生長，故系統(tǒng)對TN的處理狀況良好。

2.2 TP處理效果

由圖4可知，在0.22、0.27、0.45、0.56、0.63 kg COD/(kg  MLSS˙d)不同污泥負荷工況下，TP平均出水濃度分別為0.64、0.28、0.22、0.43、0.45 mg/L，均低于一級B標準1  mg/L。在整個運行期間，0.22 kg COD/(kg  MLSS˙d)低污泥負荷條件下，系統(tǒng)對TP的去除率較低，為92.9%;而隨污泥負荷的增加，在0.27～0.63 kg COD/(kg  MLSS˙d)污泥負荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)對TP的處理效果逐漸趨于穩(wěn)定，去除率變化幅度較小，在97.2%～98.1%范圍內(nèi)。據(jù)研究報道，硝酸鹽對聚磷菌的厭氧釋磷有抑制作用[11，12]。低污泥負荷條件下，硝化菌不受異養(yǎng)型碳氧化細菌影響而大量繁殖，硝化作用加強，而相反反硝化因碳源缺乏受到抑制，故在低污泥負荷環(huán)境下硝酸鹽得到富集，厭氧釋磷過程受到抑制[13]。

整個運行期間，TP平均去除率為96.8%，系統(tǒng)對TP的去除狀況良好。曝氣—攪拌—曝氣的序批式運行模式為系統(tǒng)創(chuàng)造了良好厭氧釋磷與好氧吸磷的生物除磷環(huán)境，故系統(tǒng)對TP的處理狀況良好。

2.3 TN、TP容積負荷與去除速率的關(guān)系

在不同污泥負荷運行條件下，系統(tǒng)TN、TP容積負荷與TN、TP去除速率的關(guān)系見圖5。在所有運行范圍內(nèi)，隨TN、TP容積負荷的增加，系統(tǒng)TN、TP去除速率呈上升趨勢。由圖5、表1可得系統(tǒng)TN、TP容積負荷與TN、TP去除速率擬合結(jié)果可知，在17.7～40.1、4.3～11.1  g TN/(m3˙d)范圍內(nèi)，系統(tǒng)TN、TP容積負荷與去除速率具有很好的相關(guān)性。pH做為基本的污水指標，勢必成為供求的熱點，這對廣大的E-1312 pH電極制造商，比如美國BroadleyJames來說是個重大利好。美國BroadleyJames做為老牌的E-1312 pH電極制造商，必將為中國的環(huán)保事業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。我們美國BroadleyJames生產(chǎn)的E-1312 pH電極經(jīng)久耐用，質(zhì)量可靠，測試準確，廣泛應(yīng)用于各級環(huán)保污水監(jiān)測以及污水處理過程。

為進一步驗證TN、TP擬合方程科學性，對系統(tǒng)TN、TP去除速率實測值與擬合方程預測值進行了比較，比較采用卡方(χ2)檢驗。結(jié)果表明，TN、TP的χ2值分別為0.003與0.006，χ2<χ20.05，4=9.49，p>0.05，實測值與預測值無顯著差異，擬合方程可較好地對TN、TP去除速率進行預測，在工程中具有意義。但由于試驗是在一定污泥負荷及TN、TP容積負荷條件下進行，故脫離此范圍則擬合方程的預測值可能會與實測值出現(xiàn)一定偏差。

3 結(jié)論

1)0.22～0.63 kg COD/(kg  MLSS˙d)污泥負荷范圍內(nèi)，序批分體式膜生物反應(yīng)器對TN的平均去除率為97.3%，對TP的平均去除率為96.8%，處理狀況良好。且TN、TP出水濃度均達到GB18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B標準(TN  20 mg/L，TP 1 mg/L)。

2)試驗結(jié)果表明，在17.7～40.1、4.3～11.1 g  TN/(m3˙d)范圍內(nèi)，系統(tǒng)TN、TP容積負荷(X)與TN、TP去除速率(Y)具有很好的相關(guān)性，其擬合結(jié)果分別為YTN=0.382 9+0.960  6XTN與YTP=-0.160 7+0.997  2XTP。通過對擬合方程驗證發(fā)現(xiàn)，方程在一定負荷范圍內(nèi)，可較好地預測系統(tǒng)的TN、TP去除速率，在工程中具有一定意義。