反應器構型對MBR運行性能的影響研究

王　盼，鄒偉國，王志偉

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092；2.同濟大學，上海市200092）

反應器構型對MBR運行性能的影響研究

王盼1，鄒偉國1，王志偉2

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092；2.同濟大學，上海市200092）

為提高出水水質，降低MBR能耗，開發具有相同體積的雙層膜支架A/A/O-MBR及單層膜支架A/A/O-MBR處理實際生活污水。在相同曝氣量工況下長期運行結果表明：雙層MBR的污染速率遠低于單層MBR，其運行周期可延長一倍，運行費用降低。主要原因為雙層MBR系統內具有更高的上升流速及傳氧系數。另外，雙層MBR系統對COD、NH3-N、TN的去除能力高于單層MBR系統，但其對TP的去除能力較低。微生物分析表明兩套反應器內的微生物優勢種群類似，主要以變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）為主，但群落分布比例不同，Proteobacteria細菌在單層MBR內微生物中所占比例更大，Bacteroidetes細菌在雙層MBR內微生物中所占比例更大。

雙層膜-生物反應器；微生物分析；污水處理

0　引言

膜-生物反應器（MBR）作為一種新型、高效的污水處理技術，具有諸多傳統生物處理工藝所無法比擬的優點：出水水質好、污泥產率低、運行穩定、流程簡短、布置緊湊、管理方便、自動化程度高等特點［1-3］。但是，與傳統活性污泥法相比，其噸水運行電耗較高，而其中鼓風曝氣的電耗占了絕大部分，曝氣除了提供維持微生物生長代謝必需的氧氣外，還需提供一定的錯流速率沖刷膜表面以控制膜污染。因此，為了提高膜-生物反應器技術的競爭力，可以通過改進反應器構型、曝氣方式等手段進一步降低該工藝的運行電耗。

本文通過改變膜組件布置形式（膜組件分為上下兩層布置），改變反應器構型，建立雙層A/A/O-MBR裝置。該裝置好氧段分上下兩層膜支架，曝氣管位于下支架的底部，上支架位于下支架的正上方，兩個支架共用同一曝氣系統。同時，建立一套與雙層MBR裝置具有相同體積的單層MBR裝置，兩套裝置同步長期穩定運行，比較兩者在相同曝氣量下的運行情況，通過監測兩套MBR的膜過濾性能變化、兩套MBR的傳質系數及上升流速、污染物去除效果、反應器內微生物多樣性等，研究反應器構型對MBR運行性能的影響。

1　試驗裝置與方法

1.1試驗裝置

單層、雙層A/A/O-MBR裝置如圖1所示。兩套反應器有效總容積均為188.3 L，包括厭氧段（19.7 L）、缺氧段I（42.0 L）、缺氧段II（42.3 L）、好氧MBR段（84.3 L）。單層、雙層A/A/O-MBR的厭氧段與缺氧段完全相同。兩套反應器最大的不同在于好氧MBR段，單層MBR的尺寸為長×寬×高=44 cm×26 cm×75 cm，而雙層MBR的尺寸為長×寬×高=44 cm×14 cm×140 cm，僅就好氧段來講，雙層MBR的占地面積為單層MBR的1/2。

另外，好氧段內同時放置4片相同的PVDF平板膜組件（平均孔徑0.15 μm），單層MBR內4片組件并排放置，雙層MBR內4片膜組件分為上下兩層放置，每層2片膜組件，通過膜支架固定。單片膜的有效過濾面積均為0.24 m2，膜下安裝曝氣管，空氣經曝氣管向MBR段供氧，為微生物降解污染物提供氧氣，同時在膜表面形成錯流，控制膜面泥餅層的形成。曝氣量的大小通過氣體流量計來調節控制。相同曝氣量工況下控制氣水比為30∶1。

在試驗運行過程中，反應器內水位通過止回閥保證，運行通量為20 L/（m2·h），水力停留時間為11 h，污泥齡SRT選用60 d。采取抽吸10 min，停2 min的方式，恒流運行，跨膜壓差TMP通過水銀壓力計讀數記錄.當TMP達到一定值時，用0.5% NaClO（V/V）溶液對膜進行化學清洗2 h。

圖1　單、雙層A/A/O-MBR裝置示意圖

1.2試驗方法

1.2.1反應器內上升流速的測定

上升流速的測定在單層、雙層MBR中進行，測試儀器選用渦輪式流速儀（FP111-S，Global Water公司，美國）。試驗測定了兩套裝置在相同曝氣量下（0.4 m3/h、1.0 m3/h、1.6 m3/h、2.2 m3/h）污泥濃度為6 g/L時反應器的上升流速。

1.2.2反應器內氧的總傳遞系數（KLa）的測定

氧傳遞系數在不穩定狀態下進行，直接利用MBR內的活性污泥測定［4］。具體測試步驟如下：

（1）取曝氣池污泥注入兩個反應器，調至一定濃度，正常進出水運行半天，待污泥性狀穩定后關閉膜出水；

（2）在反應器內放入溶解氧探頭，固定在1/2水深處，預熱30 min；

（3）以極低的曝氣量（保證污泥不沉）將污泥攪拌一段時間，利用污泥自身的耗氧完成混合液的消氧；

（4）待溶解氧降至0或極低時，調至所需曝氣量開始曝氣，記錄溶解氧隨時間的變化數據，溶解氧達到穩定常數時停止試驗；

（5）水中溶解氧的變化可用下式表示：

式中：Csw為試驗條件下污水的飽和溶解氧濃度，mg/L；C為某一時刻t的溶解氧濃度，mg/L。

根據所記錄的不同時間下所得溶解氧的值，上式積分后，得到ln（Csw-C）與t的關系圖，其斜率為-KLa。

1.2.3污染物濃度的測定方法

污染物濃度的測定方法采用國家標準方法。

1.2.4微生物指標

采用454-高通量焦磷酸DNA測序技術對MBR內微生物多樣性進行分析［5］。該技術測序流程包括三個步驟：樣品DNA提取及PCR擴增；454-高通量16S rRNA基因焦磷酸測序；生物多樣性及系統分類分析。測試的樣品取自單、雙層MBR在相同曝氣量工況下運行到第130 d時的各自好氧段的污泥，此時，兩套反應器均處于正常穩定運行狀態，其樣品具有代表性。

樣品采用Fast DNA Spin Kit for Soil試劑盒（MP Biomedicals公司，美國）提取。提取后的DNA經純化收集后，利用16S rRNA基因V1-V3區域的通用引物8F（5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3'）及533R（5'-TTACCGCGGCTG-CTGGCAC-3'）進行PCR擴增。PCR擴增后，其擴增產物利用UNIQ-10 PCR Purification Kit儀器（Sangon公司，中國）進行純化以及利用TBS-380儀器（Turner BioSystem公司，美國）進行定量，純化定量后的DNA產物經Roche 454高通量測序平臺進行序列測試，利用相關軟件對有效序列進行數據統計，并分析樣品多樣性及系統分類。

2　結果與討論

2.1單、雙層A/A/O-MBR膜污染速率

圖2為單、雙層MBR同時運行200 d的污染速率變化情況，氣水比為30∶1。當單、雙層MBR在同一曝氣量下運行時，由于裝置本身的差異，雙層MBR內溶解氧濃度一般在2～3 mg/L，而單層MBR內溶解氧濃度一般在0.5～1 mg/L。

圖2　相同氣水比下單、雙層MBR污染速率

從圖2中可以看到，兩套反應器表現出明顯不同的污染增長趨勢。在最初的3個周期內，兩套裝置均表現出快速增長的壓力變化，兩者之間的污染速率差異并不明顯，平均周期為7 d，主要原因是反應器處于啟動初期，MBR內的微生物生長代謝并不穩定，系統運行不穩定。

當反應器運行超過30 d后，兩套反應器的膜污染速率均出現大幅度下降，尤其是雙層MBR反應器。在后續的160 d運行中（圖2中為30～190 d），雙層MBR系統運行3個周期，每個周期為50～60 d，而單層MBR系統則運行6個周期，每個周期為10～30 d，表明雙層MBR系統的污染速率遠低于單層MBR系統的污染速率，雙層MBR的運行周期可延長1倍。

2.2反應器內上升流速的測定

圖3為單、雙層MBR在不同曝氣量下反應器內的上升流速。試驗過程中，兩套MBR污泥濃度均為6 g/L。從圖3中可以看出，在該污泥濃度下，隨著曝氣強度的增大，兩個反應器內的上升流速逐漸升高。對比兩個反應器來看，相同曝氣量下，雙層MBR具有更高的上升流速，因此，其內膜污染速率更慢［6］。

圖3　不同曝氣量下單、雙層MBR內的上升流速

2.3反應器內傳氧系數的測定

在相同曝氣量0.6 m3/h下，兩套反應器的氧傳質情況如圖4所示。測試時水溫為15℃，此時飽和溶解氧Csw為10.08 mg/L。圖4中直線斜率的負數為氧傳質系數KLa。從圖4中可以看出，在污泥濃度6.0 g/L下，雙層MBR的傳質系數為0.042，高于單層MBR的傳質系數0.019，相同曝氣量下雙層MBR的傳氧能力更強。

2.4污染物的去除效果

表1為相同氣水比工況下單雙層MBR對污染物的去除效果。可以看到，兩套裝置出水COD均在30 mg/L以下，遠低于一級A水質COD標準，且雙層MBR系統對COD的去除效果好于單層MBR系統。單、雙層MBR對N的去除效果有明顯不同，單層MBR的出水NH3-N濃度約為8.0 mg/L，達不到一級A水質NH3-N標準，而雙層MBR在整個運行過程中，出水NH3-N僅為0.3 mg/L，且出水TN約為8.1 mg/L，說明雙層MBR具有更好的硝化反硝化效果。此外，兩套MBR對TP的去除效果亦存在明顯差異，單層MBR的TP去除效果高于雙層MBR。單、雙層MBR系統對氮、磷的去除效果的明顯差異主要取決于由反應器本身構型引起的溶解氧和微生物特性的不同。由3.3節知，相同曝氣量下雙層MBR具有更高的氧傳質系數，反應器內DO含量更高，適宜硝化菌的生長。據相關文獻報道，溶解氧較低時可提高微生物除磷能力［7，8］。

圖4　氧傳質測定情況（a）單層MBR；（b）雙層MBR

表1　相同氣水比工況下單雙層MBR的污染物去除效果

2.5反應器內微生物群落結構分析

為了更好地解釋反應器構型引起的微生物差異，了解單、雙層MBR內活性污泥微生物種群的差異，對兩套裝置中好氧段的污泥進行DNA序列分析。采用454-高通量焦磷酸基因測序技術，該技術是近幾年新發展的DNA序列分析技術，能夠通過高通量的測序平臺獲得數以千計的DNA片段序列，經數學統計分析后，能定義環境微生物在不同分類水平上的群落結構。

圖5為單、雙層MBR內微生物在門（phylum）水平的群落分布。從圖5中可以看出，單、雙層MBR內的微生物均主要以變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）為主，這兩者所占比例達 80%［9，10］。其次為綠彎菌門（Chloroflexi）、綠細菌門（Chlorobi）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae）。Proteobacteria被認為是污水處理系統中的優勢菌群之一，因為這類細菌涵蓋的范圍很廣，包括污水處理過程中多數的種屬，如好氧或兼性細菌、嚴格厭氧菌（硫酸鹽還原菌）等。Bacteroidetes也廣泛存在于污水處理系統內，它們可以降解蛋白質、碳水化合物等許多復雜的有機大分子化合物。Nitrospirae是一類革蘭氏陰性細菌，其中的硝化螺旋菌屬作為硝化細菌可將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。

圖5　單、雙層MBR內微生物在門（phylum）水平的群落分布

雖然兩套反應器內微生物的優勢種群類似，但是在數量比例上仍有一定差異。Proteobacteria細菌在單層MBR內微生物中所占比例更大。同時，Bacteroidetes在雙層MBR內微生物的比例高于其在單層MBR內的微生物，這也是雙層MBR內具有更高COD去除能力的原因。另外，雖然Nitrospirae在單層MBR內微生物中的比例高于其在雙層MBR內微生物的比例，但實際運行的結果表明DO濃度更高的雙層MBR具有更好的氮的去除效果，這說明在實際運行中，DO對污染物的去除具有更顯著的影響。

3　結　論

本文對已構建的具有相同體積的雙層A/A/O-MBR及單層A/A/O-MBR進行研究，得出主要結論如下：

（1）在相同曝氣量工況下，雙層MBR的污染速率遠低于單層MBR，雙層MBR的運行周期可延長一倍，運行費用更低。雙層MBR具有更高的反應器上升流速及氧傳質系數。

（2）在整個運行過程中，雙層MBR系統對COD、NH3-N、TN的去除能力高于單層MBR系統，但其對TP的去除能力較低，主要由反應器本身構型引起的溶解氧和微生物特性引起。

（3）微生物分析表明兩套反應器內的微生物優勢種群類似，主要以變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）為主，但群落分布比例不同，Proteobacteria細菌在單層MBR內微生物中所占比例更大；Bacteroidetes細菌在雙層MBR內微生物中所占比例更大。

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X703

A

1009-7716（2016）01-0164-04

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2015-08-26

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2013ZX07314-003）

王盼（1987-），山東泰安人，博士后，研究方向為污水處理。