氣水交替膜生物反應器處理生活污水效能

王宏杰，董文藝，李 繼

(哈爾濱工業大學 深圳研究生院，518055 廣東 深圳，whj1533@yahoo.com.cn)

氣水交替膜生物反應器處理生活污水效能

王宏杰，董文藝，李 繼

(哈爾濱工業大學 深圳研究生院，518055 廣東 深圳，whj1533@yahoo.com.cn)

為更好地將氣水交替膜生物反應器應用于實際工程，通過中試試驗，考察該反應器對實際生活污水的處理效果.結果表明，在實際污水碳氮比為4的條件下，AMBR對COD和NH4+－N的去除率在90%左右，出水質量濃度分別低于20 mg/L和5 mg/L，但對TN的去除能力有限，出水平均質量濃度為22.4 mg/L，去除率僅為38%.通過在原水中投加葡萄糖使原水碳氮比提高至6時，AMBR對TN的去除率上升至66%左右，出水質量濃度在13 mg/L左右，能達到國家一級A標準;同時，出水中COD和NH4+－N質量濃度仍低于20 mg/L和5 mg/L.長期監測過膜阻力發現，AMBR具有很好的抗膜污染性能，長期運行過程中，TMP始終維持在－20 kPa左右.

氣水交替膜生物反應器;生活污水;碳氮比;膜污染

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［1－3］，許多研究表明，該工藝具有很好的同步脫氮除碳效果［4－8］.但常規MABR工藝采用后加沉淀池出水，不僅增加占地面積，同時泥水分離效果受前面生物段影響較大，出水水質得不到保證.為解決以上問題，將膜曝氣和傳統的膜分離相組合，構成一種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同步除碳脫氮的優點.

本課題組前期的研究表明，采用人工配水時，該工藝在原水碳氮比大于5［9］、混合液 DO為0.5 mg/L的條件下［10］，具有很好的同步脫氮除碳效果.而實際生活污水由于污染物組成相對復雜，該工藝的處理效果與配水可能會有一定的差別.本文主要考察了該工藝對實際生活污水的處理效果，同時通過在原水中添加葡萄糖，考察碳氮比對污染物去除效果的影響.

1 試驗

1.1 試驗裝置

AMBR試驗裝置如圖1所示.

圖1 試驗裝置圖

AMBR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3 h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3 h后進行交替.氣源為由氧氣瓶15提供的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均勻混合.試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，膜面積 3 m2/片.反應器的有效體積為240 L，水力停留時間控制為8 h.試驗過程中控制混合液DO在0.5 mg/L左右，反應器中水溫為30℃左右.

1.2 試驗過程

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.試驗過程分為3個階段，具體如表1所示.

表1 不同運行階段的原水水質

1.3 檢測方法

試驗中的水質分析方法均參照文獻［11］進行:COD采用重鉻酸鉀密閉消解法;NH4+－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.過膜壓差(trans-membrane pressure，TMP)采用壓力表測定.

2 結果與討論

2.1 污染物去除效果

2.1.1 COD

不同運行階段，AMBR對COD的去除效果如圖2所示.

由圖2可知，在第一階段，原水為完全實際污水時，AMBR對COD具有很好的去除效果.雖然實際生活污水的COD在91～191 mg/L波動，但反應器出水COD較穩定，平均值僅為18 mg/L，去除率達87.5%.而在第二和第三階段，由于葡萄糖的投加，進水 COD平均質量濃度增加至186 mg/L和233 mg/L，但AMBR仍能有效去除COD，出水中COD質量濃度仍低于20 mg/L，可見該工藝對COD具有很好的去除效果.

圖2 AMBR對COD的去除效果

2.1.2 NH4+－N

不同運行階段，AMBR對NH4+－N的去除效果如圖3所示.

圖3 AMBR對NH4+－N的去除效果

由圖3可知，在各階段，AMBR對NH4+－N均具有很好的去除效果.在進水平均NH4+－N質量濃度為32 mg/L的條件下，平均出水質量濃度均為3 mg/L左右.可見，投加碳源、增加原水的碳氮比對AMBR去除NH4+－N基本沒有影響，這與采用人工配水所獲得的試驗結果一致.

2.1.3 TN

不同運行階段，AMBR對TN的去除效果如圖4所示.

圖4 AMBR對TN的去除效果

由圖4中可知，在第一階段，原水碳氮比為4左右的條件下，出水TN的平均質量濃度高達22.4 mg/L，去除率僅為38%.而課題組前期采用人工配水進行試驗時，在同樣的碳氮比條件下，TN的去除率可接近50%，原因是實際生活污水中有機物的生化性較配水低.由試驗測定可知，實際生活污水中的 ρ(BOD5)/ρ(COD)為0.35～0.49，而人工配水的比值在0.55～0.60.較低的ρ(BOD5)/ρ(COD)表明實際污水中的有機物生化性較差，能用于反硝化的碳源較少，從而使TN的去除率比人工配水低.

通過添加葡萄糖，當實際污水的碳氮比升至5時，反應器對TN的去除效果有所上升，去除率達55%左右，出水TN平均質量濃度為16.5 mg/L，但仍高于文獻［12］中一級A規定的15 mg/L.當原水的碳氮比增至6時，反應器對TN的去除率上升至66%左右，出水平均質量濃度為13 mg/L左右，低于15 mg/L的國家一級A標準的要求.因此，對于低碳氮比的實際生活污水，為使TN達到國家一級A標準的規定值，需通過投加一定的外加碳源，使原水碳氮比增至6左右.

2.2 膜污染的變化

實驗過程中，采用過膜阻力(trans-membrane pressure，PTM)來反映膜組件的污染情況.AMBR兩膜組件PTM值隨運行時間的變化如圖5所示.

圖5 PTM隨運行時間的變化

由圖5可知，在不同的運行階段，AMBR兩膜組件的PTM均維持在－20 kPa左右.可見，AMBR在實際生活污水處理過程中具有很好的抗膜污染性能，同時，碳源的投加不影響AMBR中膜組件的抗膜污染性.

3 結論

1)AMBR對實際生活污水的COD和NH+4－N均具有很好的去除效果，出水COD和NH+4－N平均質量濃度在20 mg/L和3 mg/L左右，在原水中添加葡萄糖提高碳氮比不影響AMBR對COD和NH4+－N的去除效果.

2)在原水碳氮比為4左右的條件下，AMBR對實際生活污水TN的去除率較低，出水TN高于20 mg/L，未能達到國家一級A的要求.通過添加葡萄糖，當原水碳氮比增到6時，反應器出水TN質量濃度能低于標準一級A的15 mg/L的要求.

3)AMBR處理實際生活污水時，膜組件具有很好的抗膜污染性能.

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［11］國家環境保護總局.水與廢水分析檢測方法［M］.4版.北京:中國環境科學出版社，2002.

［12］國家環境保護總局.GB18918－2002城鎮污水處理廠污染物排放標準［S］.北京:中國標準出版社，2002.

Gas－water alternate membrane bioreactor for domestic sewage treatment

WANG Hong-jie，DONG Wen-yi，LI Ji

(Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School，518055 Shenzhen，Guangdong，China，whj1533@yahoo.com.cn)

The treatment efficiency by the gas－water alternate membrane bioreactor(AMBR)on domestic sewage was investigated through a pilot－scale study in order to get better application effect in the practical engineering.The results showed that:AMBR had good COD and NH4+－N removal effect when the C/N ratio of raw domestic sewage was 4，and the COD and NH4+－N concentration in effluent under 20 mg/L and 5 mg/L.But it’s not good at TN removal because of its low C/N ratio，and the TN concentration in effluent was 22.4 mg/L.When the C/N ratio of raw water increased to 6 according to adding glucose in raw domestic sewage，the TN removal efficiency by AMBR was increased to 66%，and the effluent TN was only 13 mg/L，which met the First A －level requirement of China.Meanwhile，the COD and NH4+－N removal effect by AMBR was unaffected by the change of the raw water’s C/N ration.The trans－ membrane pressure was maintained about－20 kPa indicated that AMBR also had good membrane fouling alleviating effect.

gas－water alternate membrane bioreactor;domestic sewage;C/N ratio;membrane fouling

TU992.3

A

0367－6234(2011)10－0050－03

2010－05－12.

十一五國家科技支撐計劃項目(2006BAB17B04，06);建設部研究開發項目(2008－k7－8);深圳市科技計劃項目(SY200806260035A).

王宏杰(1983—)，男，博士后;

董文藝(1967—)，男，教授，博士生導師.

(編輯 劉 彤)