污泥停留時間對SMBR凈化受污染水源水的影響

田家宇，徐勇鵬，張 艷，潘志輝，韓正雙，李圭白

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱，tjy800112@163．com)

污泥停留時間對SMBR凈化受污染水源水的影響

田家宇，徐勇鵬，張 艷，潘志輝，韓正雙，李圭白

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱，tjy800112@163．com)

為考察用于飲用水處理的浸沒式膜生物反應器(SMBR)中適宜的污泥停留時間(SRT)，在平行運行的條件下對比研究了80 d和20 d兩種SRT下SMBR凈化受污染水源水的效能．結果表明，在80 d的SRT下，SMBR對DOC、UV254、TOC、CODMn的去除率分別為 19.6%、13.4%、27.7%和30.7%;而當 SRT為 20 d時，SMBR的平均去除率為21.2%、13.2%、29.2%和32.7%，去除能力基本相同．此外，80 d和20 d兩種SRT下SMBR對NH3－N的去除率均高于96%．而采用20 d的SRT時，SMBR的跨膜壓增長速率略低于80 d的情況．可見，將SRT由80 d縮短至20 d，不僅不會對SMBR凈化受污染水源水的效能產生影響，還有助于減緩膜污染．這樣，就可以考慮在SMBR中直接投加粉末炭以強化對有機物的去除，并及時排泥，使反應器中的污泥濃度維持在適宜的范圍內．

膜生物反應器;污泥停留時間;受污染水源水;粉末炭

浸沒式膜生物反應器(SMBR)將膜濾作用［1］和生物降解作用有機結合，是一項新型高效的水處理技術，在污水處理中得到廣泛研究和應用［1－2］．在飲用水處理中，SMBR 一般置于混凝沉淀之后，由于進水濁度低，SMBR可保持較長的污泥停留時間(SRT，50～100 d，甚至更長)．研究結果表明［3］，在80 d的 SRT下，SMBR 能夠強化去除受污染水源水中的氨氮、亞硝酸鹽氮以及顆粒性物質．然而，由于地表水源中的有機物可生化性較差，加之用于飲用水處理的SMBR水力停留時間較短，SMBR對有機物的去除能力較低［4］．于是，不少學者將粉末炭(PAC)吸附與SMBR組合，在SMBR中連續或定期投加PAC，以強化對有機污染物的去除［5－7］．為了使反應器內的污泥濃度不致過高，保持在適宜的范圍內，須及時進行排泥．而過頻的排泥勢必會縮短SMBR中污泥的停留時間，影響微生物群落的生長與繁殖．因此，確定SMBR中適宜的污泥停留時間具有重要意義，在適宜的SRT下，既可最大限度地投加PAC強化去除有機物，又不致影響SMBR中微生物對氨氮、亞硝酸鹽氮的生物降解．

本實驗在平行運行的條件下，對比研究了80 d和20 d兩種SRT下SMBR凈化受污染水源水的效能，考察了SRT對SMBR的影響，以期為飲用水處理中SMBR組合工藝的進一步研究和工程應用提供基礎．

1 實驗

1.1 實驗裝置

試驗裝置見圖 1，主要由兩組平行的SMBR組成．其中的膜組件為束狀中空纖維超濾膜，由海南立升凈水科技實業有限公司提供，聚氯乙烯(PVC)材質，膜孔徑0.01 μm，膜面積0.4 m2．反應器有效容積為2.0 L，原水通過恒位水箱進入到SMBR的反應器，出水通過抽吸泵直接由膜組件抽出．跨膜壓力(TMP)由設置在膜組件和抽吸泵之間的真空表進行監測．空氣泵連續向反應器內曝氣以提供溶解氧、進行攪拌混合并清洗膜絲表面．

1.2 運行條件

本試驗中膜通量控制在10 L/(m2·h)，相應的水力停留時間(HRT)為0.5 h．運行方式為抽吸8 min、停抽2 min．空氣泵連續向反應器內曝氣，氣水比為 20∶1．

本試驗開始之前，兩組SMBR已經穩定運行數月，SRT均為80 d．本試驗中，一組 SMBR的SRT仍維持在80 d，另一組則采用較短的SRT:20 d，對比研究SRT對SMBR處理受污染水源水效能的影響．SMBR的污泥停留時間通過排放反應器內的混合液進行控制．

1.3 受污染原水

通過以下方式模擬受污染原水:按30∶1的比例將當地(哈爾濱)自來水與生活污水混合，同時加入1 mg/L的腐殖酸;并投加氯化銨(NH4Cl)將氨氮濃度維持在3～4 mg/L．該模擬水源水先在室溫下穩定2 d后再供給兩組SMBR使用．

1.4 分析方法

本實驗中，水中溶解性有機物以溶解性有機碳(DOC)和254 nm下的紫外吸光度(UV254)表示;總體有機物以總有機碳(TOC)和高錳酸鉀指數(CODMn)表示．對于溶解性有機物，水樣首先經0.45 μm濾膜過濾后，再進行測定．

圖1 試驗裝置示意圖

2 結果與討論

2.1 SRT對溶解性有機物去除效能的影響

如圖2(a)所示，試驗期間原水中的DOC質量濃度平均為(5.959±0.287)mg/L．當SRT為80 d時，SMBR的出水質量濃度為(4.782±0.268)mg/L，平均去除率為(19.6±5.9)%;當SRT為20 d時，SMBR的出水質量濃度為(4.687±0.497)mg/L，平均去除率為(21.2±8.5)%．

不同SRT下SMBR對另一個溶解性有機污染指標UV254的去除情況如圖2(b)所示．可見，當SRT為80 d時，SMBR將進水中的 UV254由(0.074±0.004)cm－1降至(0.064 ±0.003)cm－1，平均去除率為(13.4±4.2)%;而當SRT為20 d時，SMBR出水中的UV254平均也為(0.064±0.003)cm－1，平均去除率為(13.2±4.0)%．

80 d和20 d這兩種不同的SRT對SMBR去除水源水中溶解性有機物的能力幾乎不產生影響．原因可能如下:當采用較長的污泥停留時間時，反應器內可以產生并積累一定量的慢速生長微生物，這些微生物能夠降解水中的某些通常情況下難于生物降解的有機物;而采用較短的污泥停留時間時，水中的難生物降解有機物被膜及其表面污泥層截留于反應器中［8］，可通過污泥排放而及時排出反應器．結果造成不同的污泥停留時間下兩組SMBR對水中溶解性有機物的去除效能基本相同．

圖2 SRT對SMBR去除DOC、UV254效能的影響

2.2 SRT對總體有機物去除效能的影響

不同污泥停留時間下SMBR對水中總體有機物的去除情況如圖3所示．試驗期間原水中TOC和CODMn的質量濃度分別為(6.646±0.456)mg/L和(4.25±0.54)mg/L．SRT為80 d時，SMBR 出水中的質量濃度平均為(4.782±0.268)mg/L和(2.92±0.41)mg/L，平均去除率分別是(27.7±6.8)%和(30.7±10.2)%;當SRT為20 d時，SMBR出水中TOC和CODMn的質量濃度分別為(4.687±0.497)mg/L和(2.84±0.39)mg/L，平均去除率為(29.2±8.6)%和(32.7±8.4)%．

可見，與對溶解性有機物的去除情況類似，在80 d和20 d兩種SRT下，SMBR對水中總體有機物的去除能力基本相同．水中的總體有機物大體上可以分為顆粒性有機物和溶解性有機物兩類．對于顆粒性有機物，無論SRT是80 d還是20 d，SMBR中的超濾膜都可以有效地將其截留于反應器中，通過生物降解或污泥排放將其去除．而對于溶解性有機物，由2.1中的討論可知，SMBR對其的去除能力也幾乎不受SRT的影響．因此，80 d和20 d兩種污泥停留時間下SMBR對水中總體有機物表現出幾乎相同的去除能力．

圖3 SRT對SMBR除TOC、CODMn效能的影響

2.3 SRT對NH3－N、NO2－－N去除效能的影響

試驗期間水源水中的NH3－N和NO2－－N質量濃度分別為(3.66±0.41)mg/L和(0.084±0.094)mg/L．如圖4所示，80 d和20 d兩種SRT下SMBR對氨氮的去除效率均高于96%，在將近一個月的運行時間內，出水中平均NH3－N質量濃度低于0.15 mg/L．當SRT為80 d時，SMBR對NO2－－N的去除效率為(86.4±18.2)%，出水中NO2－－N質量濃度為(0.007±0.009)mg/L;SRT為20 d時，對NO2－－N的去除率為(75.7±31.0)%，出水平均質量濃度為(0.011±0.011)mg/L．

可以看出，80 d和20 d兩種污泥停留時間下SMBR均保持了對氨氮和亞硝酸鹽氮優良的去除效能．雖然硝化細菌的世代時間較長(亞硝酸菌為8～36 h，硝酸菌為12～59 h)，屬慢速生長細菌，但20 d的污泥停留時間也足以使其維持一定的生物量，加之反應器內溶解氧充足(平均7 mg/L以上)，可以滿足凈化受污染水源水中NH3－N和NO2－－N的要求．

2.4SRT對SMBR中TMP增長的影響

如圖5所示，80 d和20 d兩種污泥停留時間下兩組SMBR中超濾膜跨膜壓增長趨勢基本相同．兩組 SMBR的初始 TMP均為16 kPa，經過28 d的運行，SRT為80 d的SMBR中超濾膜TMP增長至33 kPa;而SRT為20 d的SMBR增長至30 kPa，略低于SRT為80 d的情況．已有文獻表明［9－11］，膜生物反應器中多糖、蛋白質等微生物代謝產物是造成膜污染的主要物質．當采用短污泥停留時間時，截留于反應器中的微生物代謝產物可及時排放至反應器外，因而膜污染勢較小;而較長的污泥停留時間會造成膜污染物質在反應器中的積累，因而TMP略高．

圖4 SRT對SMBR除NH3－N、NO2－－N效能的影響

圖5 SRT對SMBR中TMP增長的影響

3 結論

1)將污泥停留時間由80 d縮短至20 d，不僅不會對SMBR去除受污染水源水中有機物、氨氮、亞硝酸鹽氮的效能產生影響，而且還有助于減緩SMBR中超濾膜的污染．

2)在實踐中，可考慮采用較短的污泥停留時間(20 d，甚至更低)，同時在SMBR中連續或定期投加粉末炭強化對有機物的去除，以充分發揮浸沒式膜生物反應器的集成化優勢，深度凈化受污染水源水．

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Influence of sludge retention time on submerged membrane bioreactor for treating polluted raw water

TIAN Jia-yu，XU Yong-peng，ZHANG Yan，PAN Zhi-hui，HAN Zheng-shuang，LI Gui-bai

(State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，tjy800112@163．com)

To evaluate the suitable sludge retention time(SRT)in submerged membrane bioreactor(SMBR)for drinking water treatment，two SMBRs under the SRT of 80 d and 20 d were run in parallel and compared in terms of the effectiveness for treating polluted raw water．The results showed that under the SRT of 80 d，the removal efficiencies of SMBR for DOC，UV254，TOC，CODMnwere 19.6%，13.4%，27.7%and 30.7%，while those under the SRT of 20 d were 21.2%，13.2%，29.2%and 32.7%，respectively．Furthermore，both of the SMBRs achieved over 96%of removal for influent NH3－N．However，when the short SRT(20 d)was employed，the development rate of trans－membrane pressure in SMBR was lower than that under long SRT(80 d)．Therefore，the reduction of SRT from 80 d to 20 d would not affect the effectiveness of SMBR for treating polluted raw water，but mitigate the membrane fouling in SMBR．With the short SRT，it would be possible to dose powdered activated carbon directly in the SMBR，in which the sludge withdrawal could be performed periodically，to maintain the sludge concentration in suitable range．

membrane bioreactor;sludge retention time;polluted surface water;powdered activated carbon

TU991.2

A

0367－6234(2011)08－0035－04

2010－04－15．

中國博士后科學基金面上項目(20100471074);哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室開放基金項目(QA201017)．

田家宇(1979—)，男，博士，講師;

李圭白(1931—)，男，博士生導師，中國工程院院士．

(編輯 劉 彤)