凡廣生 李 泉

(1.中州大學(xué)化工食品學(xué)院，河南 鄭州 450044;2.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453000)

復(fù)合式膜生物反應(yīng)器處理城市污水中水力停留時(shí)間的確定*

凡廣生1李 泉2

(1.中州大學(xué)化工食品學(xué)院，河南 鄭州 450044;2.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453000)

本文在以復(fù)合式膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以模擬城市污水為處理對(duì)象。通過(guò)運(yùn)行條件優(yōu)化研究，綜合脫氮除磷效果及經(jīng)濟(jì)因素，將復(fù)合區(qū)水力停留時(shí)間控制在7h左右。此時(shí)系統(tǒng)總?cè)コ蕿?CODcr≥96.28%、NH3－N≥97.54%、TN≥74.87%、TP≥74.34%，出水可以穩(wěn)定保證在CODcr≤14.35mg/L、NH3－N≤0.74mg/L、TN≤9.02mg/L、TP≤1.05mg/L。效果較好。

膜生物反應(yīng)器;復(fù)合反應(yīng)器;水力停留時(shí)間

將常規(guī)的生物處理法與膜分離相結(jié)合，其意義不僅僅在于以膜分離取代二沉池，完全去除懸浮固體引起的污染物，還在于通過(guò)膜分離的作用，將二沉池?zé)o法截留的游離細(xì)菌和大分子有機(jī)物完全阻隔在反應(yīng)池內(nèi)。這必將改變常規(guī)生物處理中污染物的構(gòu)成，使得大分子有機(jī)物和膠體明顯上升，在短時(shí)間內(nèi)促成專性微生物的積累。根據(jù)微生物生長(zhǎng)模型理論，隨著SRT(污泥齡)的增加，反應(yīng)器中污泥濃度不斷增加［1］，當(dāng)污泥濃度增加到一定程度時(shí)，由于不能很好地供給微生物生長(zhǎng)所需的物質(zhì)和能量，微生物衰減率增加，死亡后的微生物會(huì)被降解，由于微生物的降解物中有一部分是難降解的殘片和高分子物質(zhì)，所以會(huì)使反應(yīng)器的處理效果存在一定的波動(dòng)性。

1.實(shí)驗(yàn)裝置

本研究采用將多種污水處理工藝設(shè)計(jì)在極其簡(jiǎn)單的系統(tǒng)裝置中，系統(tǒng)由復(fù)合反應(yīng)區(qū)和好氧MBR(膜生物反應(yīng)器)反應(yīng)區(qū)組成。為了利于保持系統(tǒng)內(nèi)混合液處于良好的紊動(dòng)和懸浮狀態(tài)，減小因剪切造成的污泥顆粒破解，提高曝氣設(shè)備的充氧速率，經(jīng)過(guò)綜合比較，根據(jù)流體力學(xué)原理，自行設(shè)計(jì)，把反應(yīng)器設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形。復(fù)合反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有填料，為提高充氧效率和滿足混合液所需的流態(tài)，復(fù)合反應(yīng)器底部用穿孔曝氣管進(jìn)行曝氣，有利于混合液旋轉(zhuǎn)并防止死角，減小水頭損失。微生物附著于填料表面和游移在廢水中，除了具有降解有機(jī)物的作用以外，還同時(shí)具有促進(jìn)系統(tǒng)反硝化的功能。為保證復(fù)合反應(yīng)區(qū)內(nèi)懸浮污泥量，通過(guò)回流泵將部分活性污泥回流至復(fù)合反應(yīng)區(qū)。好氧MBR反應(yīng)區(qū)是將中空纖維微濾膜直接放入反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)器底部安置了曝氣器。反應(yīng)器實(shí)際上兼具活性污泥法、生物膜法和膜分離三種處理過(guò)程。因此，該工藝是這三種處理方法的有效結(jié)合。

圖1 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器工藝流程圖

2.水力停留時(shí)間的確定

在復(fù)合式膜生物反應(yīng)器處理系統(tǒng)中水力停留時(shí)間 (HRT)是一個(gè)非常重要的參數(shù)，當(dāng)選定膜組件后，HRT也就決定了反應(yīng)器容積的大小和MBR的產(chǎn)水量［2］。過(guò)長(zhǎng)的HRT將直接增大反應(yīng)器的容積，過(guò)短的HRT將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)溶解性有機(jī)物 (SMP)的積累［3］。所以，考慮到MBR系統(tǒng)要獲得硝化處理效果，為充分利用設(shè)備的充氧能力，HRT值可設(shè)計(jì)得長(zhǎng)一些，以盡量維持系統(tǒng)內(nèi)溶解性有機(jī)物的平衡。這樣可降低剩余活性污泥量，系統(tǒng)更能適應(yīng)沖擊負(fù)荷。因此合理地確定HRT具有非常重要的意義，系統(tǒng)采用的運(yùn)行條件為DO(溶解氧)為2.5mg/L，復(fù)合反應(yīng)器內(nèi)活性污泥濃度控制在7000mg/L，膜區(qū)污泥濃度控制在9000mg/L左右，PH值控制在7～8.5之間，水溫約20℃的情況下［4—6］，測(cè)定HRT對(duì)有機(jī)物、NH3－N(氨氮)、TN(總氮)和TP(總磷)去除效果的影響。

(1)HRT對(duì)有機(jī)物去除效果的影響

①HRT對(duì)CODcr(化學(xué)需氧量)去除效果的影響如表1和圖2。

表1 HRT對(duì)CODcr的去除效果的影響

圖2 HRT對(duì)CODcr去除效果的影響

②HRT對(duì)BOD5(生化需氧量)去除效果的影響如表2和圖3。

表2 HRT對(duì)BOD5的去除效果的影響

圖3 HRT對(duì)BOD5去除效果的影響

由圖2和圖3可以看出，反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的去除受水力停留時(shí)間 (HRT)的影響較大，在HRT為5h時(shí)，反應(yīng)器對(duì)廢水中CODcr、BOD5的去除效果較差，主要是水力停留時(shí)間較短，微生物未能充分降解水中的有機(jī)物，而膜組件對(duì)廢水中污染物的阻截作用較小，因此可以認(rèn)為出水中污染物主要是未降解的小分子有機(jī)物，但反應(yīng)器對(duì)CODcr、BOD5的平均生物和系統(tǒng)去除率仍可分別達(dá)到達(dá)到89.83%、87.86%和94.15%、94.90%，主要原因是反應(yīng)器中污泥濃度較高，能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較好的處理效果。當(dāng)HRT增至7h時(shí)，系統(tǒng)對(duì)CODcr、BOD5的去除率增加，增至96.28%和99.05%，增至10h時(shí)，處理效果繼續(xù)增加，但增加緩慢，主要是廢水中可降解的有機(jī)物均已降解，增加停留時(shí)間并不能有效地增加去除效果［7］［8］。

(2)HRT對(duì)NH3－N(氨氮)去除效果的影響

HRT對(duì)NH3－N去除效果的影響如表3和圖4。

表3 HRT對(duì)NH3－N的去除效果的影響

圖4 HRT對(duì)NH3－N去除效果的影響

由圖4可以看出，反應(yīng)器隨水力停留時(shí)間的變化對(duì)NH3－N去除效率的影響較大。當(dāng)HRT為5h時(shí)，反應(yīng)器對(duì)NH3－N的平均生物去除率和系統(tǒng)去除率分別為81.53%和90.04%，系統(tǒng)去除率低的主要原因是水力停留時(shí)間較短，不能充分地轉(zhuǎn)化水中的NH3－N。當(dāng)HRT升至7h以上時(shí)，反應(yīng)器對(duì)NH3－N的平均生物去除率和系統(tǒng)去除率迅速增加，分別穩(wěn)定達(dá)到94%和97%以上，系統(tǒng)出水穩(wěn)定在0.74mg/L左右，主要是污泥停留時(shí)間的延長(zhǎng)，使得世代時(shí)間長(zhǎng)的硝化菌在系統(tǒng)中較好的繁殖，同時(shí)充足的停留時(shí)間可以使廢水與微生物能充分接觸，微生物能較好地進(jìn)行硝化反應(yīng)。

(3)HRT對(duì)TN(總氮)去除效果的影響

HRT對(duì)TN去除效果的影響如表4和圖5。

表4 HRT對(duì)TN的去除效果的影響

圖5 HRT對(duì)TN去除效果的影響

從圖5可以看出，隨著水力停留時(shí)間的增加，系統(tǒng)對(duì)TN的去除率先有一個(gè)緩慢的升高后又下降，當(dāng)HRT為5h時(shí)，生物和系統(tǒng)平均去除率分別為55.30%和68.80%，處理效果較差，其原因是HRT過(guò)小，系統(tǒng)中的微生物不足以在這樣短的時(shí)間內(nèi)把含氮物質(zhì)降解。當(dāng)HRT升至7h，去除率達(dá)到最大值 (生物和系統(tǒng)去除率分別為64.05%和74.87%)，當(dāng)HRT再增大時(shí)，TN的去除率會(huì)有一定的降低，其原因主要是隨著HRT的延長(zhǎng)，污泥負(fù)荷逐漸降低，使得世代時(shí)間長(zhǎng)的硝化菌在系統(tǒng)中較好的繁殖，硝化菌占優(yōu)勢(shì)，從這一點(diǎn)上來(lái)講是有利于TN的去除，但是由于硝化階段消耗了大量的碳源，導(dǎo)致反硝化階段碳源不足，進(jìn)水的有機(jī)物不能滿足細(xì)菌的生長(zhǎng)需要，細(xì)菌因得不到足夠的營(yíng)養(yǎng)而部分死亡，致使反硝化效果降低［9］［10］。觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)部分生物膜脫落，污泥絮體結(jié)構(gòu)松散，鐘蟲(chóng)的數(shù)量減少。

(4)HRT對(duì)TP(總磷)去除效果的影響

HRT對(duì)TP去除效果的影響如表5和圖6。

表5 DO對(duì)TP的去除效果的影響

圖6 HRT對(duì)TP去除效果的影響

從圖6可以看出，隨著水力停留時(shí)間的增加，系統(tǒng)對(duì)TP的去除率先有一個(gè)緩慢的升高后又下降，當(dāng)HRT升至7h，去除率達(dá)到最大值，當(dāng)HRT再增大時(shí)，TP的去除率會(huì)有一定的降低，其原因主要是。當(dāng)HRT較小時(shí)，污泥會(huì)過(guò)量的吸附廢水中的磷，但當(dāng)HRT增大到7h以上時(shí)，由于水力停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，污泥中吸附的磷再次釋放出來(lái)，導(dǎo)致除磷效果差。

3.結(jié)論

綜合脫氮除磷效果及經(jīng)濟(jì)因素，可以認(rèn)為將HRT控制在7h左右為宜。此時(shí)系統(tǒng)總?cè)コ蕿?CODcr96.28%、NH3－N97.54%、TN74.87%、TP74.34%，出水可以穩(wěn)定保證在CODcr14.35mg/L、NH3－N0.74mg/L、TN9.02mg/L、TP1.05mg/L。

［1］顧國(guó)維編.膜生物反應(yīng)器在污水處理中的研究和應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:103—121.

［2］樊耀波，王菊思.水與廢水處理中的膜生物反應(yīng)器技術(shù) ［J］.環(huán)境科學(xué).1995，16(5):79－81.

［3］張琳，張?jiān)?新型污水處理裝置——膜生物反應(yīng)器 ［J］.重慶環(huán)境科學(xué).1996，18(4):51－55.

［4］黃霞，桂萍等.膜生物反應(yīng)器廢水處理工藝的研究進(jìn)展 ［J］.環(huán)境科學(xué)研究.1998，11(1):40—44.

［5］杜萍.三種型式膜－生物反應(yīng)器工藝運(yùn)行特性研究 ［J］.給水排水.1999，25(3):24—27.

［6］劉銳.一體式膜－生物反應(yīng)器的微生物代謝特性及膜污染控制［D］.清華大學(xué)碩士學(xué)位論文，清華大學(xué)圖書(shū)館，2000.

［7］汪誠(chéng)文，錢易等.膜－好氧生物反應(yīng)器處理生活污水的實(shí)驗(yàn)研究 ［J］.給水排水.1996，22(12):18—21.

［8］岑運(yùn)華.膜生物反應(yīng)器在污水處理中的應(yīng)用 ［J］.水處理技術(shù).1991，17(5):319—323.

［9］曹斌.復(fù)合生物反應(yīng)器－膜分離技術(shù)處理城市污水的實(shí)驗(yàn)研究［D］.西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，西安建筑科技大學(xué)圖書(shū)館，2004.

［10］ EIHani Bouhabila，Roger Ben Aim ＆ Herve Buisson.Fouling Characterisation in Membrane Bioreactors ［J］.Separation and Purification Technology.2001，22—23:123—132.

The assurance of hydraulic retention time on disposing wastewater of hybrid membrane bioreactor

FAN Guang－sheng1;LI Quan2
(1．Department of Chemical and Foodstuffs，Zhongzhou College，Zhengzhou 450044，China;2．Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453000，China)

The article proposes to treat with municipal wastewater based on the hybrid membrane bioreactor．Hydraulic retention time(HRT)can be controlled for 7h by optimization of running conditions，and comprehensive consider of nitrogen and phosphorus removal efficiency and economic factors．At that time，the average COD，NH3－N，TN and TP removal rate are as high as 96．28%，97．54%，74．87%and 74．34%，and the average COD，NH3－N，TN and TP of effluent are as low as 14．35mg/L，0．74mg/L ，9．02mg/L and 1．05mg/L．

membrane bioreactor;hybrid bioreactor;hydraulic retention time

X703

A

1671－7406(2011)09－0092－06

2011－05－11

凡廣生(1980－)，男，漢，河南周口人，環(huán)境工程碩士，助教，主要從事水污染控制方向的研究。

(責(zé)任編輯 徐成東)