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(fù)荷條件下系統(tǒng)對(duì)TN、TP的處理特性，并探討了系統(tǒng)TN、TP容積負(fù)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(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(fù)荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)TN、TP容積負(fù)荷與去除速率具有良好的相關(guān)性，在工程實(shí)踐中有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：序批分體式膜生物反應(yīng)器;污泥負(fù)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(jià)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(jì)的快速發(fā)展，水體富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)活性污泥法已無法滿足氮、磷排放標(biāo)準(zhǔn)[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(duì)微生物的截留作用，在反應(yīng)器內(nèi)可維持較長(zhǎng)污泥停留時(shí)間 (SRT)[6];同時(shí)，序批式的運(yùn)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(yùn)行環(huán)境，有利于硝化、反硝化及除磷菌的生長(zhǎng)[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(duì)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(yùn)行調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

如圖1所示，試驗(yàn)裝置由有機(jī)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(yàn)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(zhǎng)所需微量元素配制而成，此時(shí)，廢水化學(xué)需氧量(COD)濃度為500  mg/L，根據(jù)不同試驗(yàn)要求調(diào)整其進(jìn)水濃度。試驗(yàn)用污泥取自延吉市污水處理廠二沉池回流污泥。

1.3 試驗(yàn)方法

污染物生物降解主要在生物反應(yīng)池內(nèi)進(jìn)行，而生物反應(yīng)池結(jié)合生物脫氮除磷機(jī)理，采用曝氣—攪拌—曝氣相結(jié)合的序批式運(yùn)行模式，具體操作如圖2。序批式運(yùn)行模式也減輕了系統(tǒng)對(duì)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(fù)擔(dān)。系統(tǒng)運(yùn)行周期為12  h，日處理量為16 L。

試驗(yàn)以進(jìn)水污泥負(fù)荷為變量，考察不同負(fù)荷條件下系統(tǒng)的生物脫氮除磷特性。污泥負(fù)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(fù)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(fù)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(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(20  mg/L)。在0.22～0.56 kg COD/(kg MLSS˙d)污泥負(fù)荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)TN的處理效果較為穩(wěn)定，去除率變化幅度較小。但污泥負(fù)荷上升至0.63  kg COD/(kg  MLSS˙d)時(shí)，TN去除率相對(duì)有較大幅度下降。隨污泥負(fù)荷的增加，系統(tǒng)中有機(jī)物量增多，硝化細(xì)菌在與異養(yǎng)型碳氧化細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)過程中處于劣勢(shì)，生長(zhǎng)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(shì)。

整個(gè)運(yùn)行期間，TN平均去除率為97.3%，系統(tǒng)對(duì)TN的去除狀況良好。曝氣—攪拌—曝氣的序批式運(yùn)行模式，為系統(tǒng)中硝化菌與反硝化菌的生長(zhǎng)，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(shí)，由于膜對(duì)微生物的截留作用，系統(tǒng)可維持較長(zhǎng)的SRT，有利于生長(zhǎng)速度緩慢的硝化菌的生長(zhǎng)，故系統(tǒng)對(duì)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(fù)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(jí)B標(biāo)準(zhǔn)1  mg/L。在整個(gè)運(yùn)行期間，0.22 kg COD/(kg  MLSS˙d)低污泥負(fù)荷條件下，系統(tǒng)對(duì)TP的去除率較低，為92.9%;而隨污泥負(fù)荷的增加，在0.27～0.63 kg COD/(kg  MLSS˙d)污泥負(fù)荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)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(bào)道，硝酸鹽對(duì)聚磷菌的厭氧釋磷有抑制作用[11，12]。低污泥負(fù)荷條件下，硝化菌不受異養(yǎng)型碳氧化細(xì)菌影響而大量繁殖，硝化作用加強(qiáng)，而相反反硝化因碳源缺乏受到抑制，故在低污泥負(fù)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(gè)運(yùn)行期間，TP平均去除率為96.8%，系統(tǒng)對(duì)TP的去除狀況良好。曝氣—攪拌—曝氣的序批式運(yùn)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(duì)TP的處理狀況良好。

2.3 TN、TP容積負(fù)荷與去除速率的關(guān)系

在不同污泥負(fù)荷運(yùn)行條件下，系統(tǒng)TN、TP容積負(fù)荷與TN、TP去除速率的關(guān)系見圖5。在所有運(yùn)行范圍內(nèi)，隨TN、TP容積負(fù)荷的增加，系統(tǒng)TN、TP去除速率呈上升趨勢(shì)。由圖5、表1可得系統(tǒng)TN、TP容積負(fù)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(fù)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(biāo)，勢(shì)必成為供求的熱點(diǎn)，這對(duì)廣大的E-1312 pH電極制造商，比如美國BroadleyJames來說是個(gè)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(jì)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(cè)試準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用于各級(jí)環(huán)保污水監(jiān)測(cè)以及污水處理過程。

為進(jìn)一步驗(yàn)證TN、TP擬合方程科學(xué)性，對(duì)系統(tǒng)TN、TP去除速率實(shí)測(cè)值與擬合方程預(yù)測(cè)值進(jìn)行了比較，比較采用卡方(χ2)檢驗(yàn)。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(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值無顯著差異，擬合方程可較好地對(duì)TN、TP去除速率進(jìn)行預(yù)測(cè)，在工程中具有意義。但由于試驗(yàn)是在一定污泥負(fù)荷及TN、TP容積負(fù)荷條件下進(jìn)行，故脫離此范圍則擬合方程的預(yù)測(cè)值可能會(huì)與實(shí)測(cè)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(fù)荷范圍內(nèi)，序批分體式膜生物反應(yīng)器對(duì)TN的平均去除率為97.3%，對(duì)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(dá)到GB18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(TN  20 mg/L，TP 1 mg/L)。

2)試驗(yàn)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(fù)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(duì)擬合方程驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，方程在一定負(fù)荷范圍內(nèi)，可較好地預(yù)測(cè)系統(tǒng)的TN、TP去除速率，在工程中具有一定意義。