碳氮比對氣水交替式膜生物反應器同步脫氮除碳的影響

王宏杰，董文藝，甘光華，楊 躍，李偉光

(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，150090哈爾濱;2.哈爾濱工業大學深圳研究生院，518055廣東深圳，whj1533@yahoo.com.cn)

為緩減膜污染，傳統膜生物反應器(membrane bioreactor，MBR)常采用較大曝氣量，使反應器內的水流能夠充分攪動，混合液中污泥和顆粒很難沉淀下來，減緩膜上濾餅層的形成速度、減小濾餅層的厚度，從而達到減小膜阻力的效果.同時，較大的氣水比還可以減緩膜的吸附污染［1］.但該措施使混合液中DO含量較高，導致MBR反硝化效果差，TN去除效果不佳.而膜曝氣生物反應器(membrane aeration bioreactor，MABR)是將膜組件代替傳統曝氣頭進行曝氣的污水生物處理工藝［2-4］，一些研究表明，該工藝在有效去除-N的同時，還具有較好的脫氮功能［5-9］.但常規 MABR工藝采用后加沉淀池出水，當反應器處理效果不穩定或發生污泥膨脹時，出水水質得不到保證，且占地面積較大.

本實驗中將膜曝氣和膜分離相組合，構成新型的氣水交替式膜生物反應器(gas-water alternate membrane bioreactor，AMBR)，該反應器將有效地結合傳統MBR出水水質好、占地面積小、運行穩定和MABR可同步除碳脫氮等優點.

對于活性污泥法，因為產率不同，活性污泥系統中異養菌與硝化菌競爭底物和溶解氧，導致硝化菌的生長受到抑制.一般認為處理系統的BOD負荷小于0.15 g/(g·d)時，硝化反應才能正常進行［10］，過高的碳氮比將抑制硝化反應.而對于反硝化過程，則需要一定量的碳源才能滿足反硝化脫氮的需求.硝化和反硝化兩者對碳源需求的不同導致傳統生物反應器很難實現同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification，SND).AMBR雖然由于獨特的供氧方式，其生物膜分層及底物降解規律與傳統生物反應器有較大區別，可以實現單一反應器的同步除碳脫氮，但碳氮比對反應器所能達到的SND效率仍具有一定的影響［11］.因此，本文采用人工配水，考察了碳氮比對AMBR同步脫氮除碳的影響.

1 實驗

1.1 實驗裝置及運行條件

實驗裝置如圖1所示.MBR中兩膜片進行交替運行，通過PLC和電磁閥進行控制.當電磁閥9開啟時，電磁閥8也處于開啟狀態，膜片4用于曝氣，膜片5用于出水;此時電磁閥7和10處于閉合狀態.運行60 min后，電磁閥8和9自動關閉，而7和10處于開啟狀態，此時膜片4用于出水，而膜片5用于曝氣.再次運行60 min后進行交替.氣源為由氧氣瓶15提供的質量分數為99.9%的純氧，通過流量計14控制曝氣量以改變反應器中的DO值.由于膜曝氣過程中無肉眼可見的氣泡產生，無法起到混合作用，因此在反應器底部設置一水力循環泵6，有利于原水和反應器內混合液的混合均勻.實驗所用膜材料為親水性聚丙烯中空纖維膜(PP)，膜孔徑為0.2 μm，每片膜面積為0.1 m2.反應器的有效體積為8 L，水力停留時間控制為8 h.

圖1 實驗裝置

1.2 實驗材料

實驗原水為人工配水，由淀粉、葡萄糖、蛋白胨、氯化銨、磷酸氫二鉀、氯化鈣、硫酸鎂、氯化鐵配制而成，并加入碳酸氫鈉調節pH值.原水TN質量濃度為36 mg/L左右，NH4+-N質量濃度為34 mg/L左右，pH為7.0左右，COD根據碳氮比的不同進行調整.實驗用的污泥取自深圳市某污水處理廠脫水機房，并利用SBR反應器馴化.

1.3 檢測方法

試驗中的水質分析方法均參照國家環保總局制定的水與廢水分析檢測方法進行.COD采用重鉻酸鉀密閉消解法-N采用納氏試劑光度法，TN采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法-N采用N-(1-萘基)-乙二銨光度-N采用紫外分光光度法.

1.4 實驗過程

按3 000 mg/L的活性污泥量向反應器內投加馴化成熟的污泥，進行氣水交替連續運行.前期的研究表明，當混合液DO質量濃度在0.5 mg/L左右時，AMBR具有較好的同步脫氮除碳效果［12］，因此在本實驗過程中混合液DO控制在0.5 mg/L.通過改變COD，考察碳氮比(COD和TN質量濃度比)為3、4、5、7和10左右的條件下，AMBR對污染物的去除效果.每種碳氮比條件下各運行30 d.

2 結果與討論

2.1 COD去除效果

碳氮比對AMBR去除COD的影響如圖2所示.可以看出，混合液中的COD隨著碳氮比的上升有所增加，由碳氮比為3時的27.8 mg/L增加至碳氮比為10時的83.9 mg/L.這主要是由于隨著碳氮比的增高，COD負荷也由碳氮比為3時的13.24 g/(m2·d)上升至碳氮比為10時的45.63 g/(m2·d).COD負荷的增加導致有機物無法迅速滲入至生物膜內部，因而附著于膜絲表面的異養菌對COD的去除效果有所下降，混合液中的COD有所積累.但是通過出水膜表面的微生物及膜過濾的作用，碳氮比在3～10的條件下，出水的COD均在20 mg/L左右.可見，在保證溶解氧的條件下，碳氮比對AMBR去除COD的影響較小.

圖2 碳氮比對AMBR去除COD的影響

圖3 碳氮比對AMBR去除－N的影響

而對于AMBR，曝氣膜絲上附著的微生物及基質分布如圖4所示.由于其硝化菌附著于膜絲表面，大部分存在于生物膜內側，而有機物到達該區域前已經被外側異養微生物充分降解.因此，盡管碳氮比的提高將導致有機物進一步滲入至生物膜內側，但相對于進水，其碳氮比仍大幅度下降，使該區域硝化菌仍成為優勢菌種，因此對-N的去除影響不大.

2.3 TN去除效果

不同碳氮比條件下，AMBR對TN的去除效果如圖5所示，可以看出，碳氮比對AMBR去除TN有很大的影響.當碳氮比為3左右時，反應器對TN的去除率僅為28.4%，隨著碳氮比的上升，TN去除率也隨之提高，當碳氮比為5左右時，TN去除率已提高至66%左右，出水TN平均質量濃度為12.4 mg/L，滿足國家一級A的要求［17］.當碳氮比進一步上升時，對TN去除的提高有限，當碳氮比為10左右時，TN的去除率僅上升至75.2%.可見，雖然AMBR所構成的特殊的微生物環境有利于脫氮，但當碳氮比較低(＜5)時，由于反硝化過程中碳源的不足，對TN的去除效果仍然不理想.

圖4 曝氣膜絲上生物膜及基質的分布

圖5 碳氮比對AMBR去除TN的影響

本實驗的研究結果與 Matsumoto等［11］對MABR通過數據模型模擬得到的結果有所差別.該研究中發現碳氮比為3～5.25時均能獲得較優的TN去除效果，當碳氮比為3.75時，能獲得最佳的TN去除效果，其去除率達到78.9%.而當碳氮比大于6時，TN去除效果迅速下降.本文分析認為，在碳氮比高于6時，附著于膜絲表面的生物膜幾乎完全是異養菌，硝化菌數量受到了限制，由此導致TN的去除效果下降.而在本實驗中，碳氮比的升高有利于TN的去除，即使在碳氮比為10的條件下，仍未見TN的去除率下降.

對各碳氮比條件下出水中的氮形態進行分析，結果如圖6所示.

圖6 原水及不同碳氮比條件下出水氮的組成

3 結論

1)通過模擬生活污水小試實驗，考察了混合液DO質量濃度控制在0.5 mg/L左右、碳氮比在3～10之間變化時，碳氮比對AMBR同步脫氮除碳的影響，結果顯示:碳氮比對AMBR去除COD和-N無明顯影響，出水中COD和-N的平均質量濃度分別在 20 mg/L和2 mg/L左右.

2)碳氮比對AMBR去除TN具有較大的影響，隨著碳氮比的增加，TN去除率逐漸上升，當碳氮比大于5時，出水 TN平均質量濃度為12.4 mg/L，滿足國家一級A的15 mg/L的要求.

3)出水中TN質量濃度隨碳氮比的增加而減少主要通過加強反硝化作用，減少出水中的-N含量實現.

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