水力停留时间对膜生物反应器复合工艺污水处理特性影响 4页

袁丽梅等水力停留时间对膜生物反应器复合工艺污水处理特性的影响水力停留时间对膜生物反应器复合工艺*污水处理特性的影响12212袁丽梅张传义张雁秋奚旦立高彦林(1.东华大学环境科学与工程学院,上海201620;2.中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州221008)摘要开发了厌氧)多级好氧/缺氧)膜生物反应器复合工艺,在不同水力停留时间(HRT)下,考察了系统对污染物去除效果及其膜污染的特性。结果表明,在试验选定的HRT范围内,系统对TN和TP的去除率随着HRT的降低而升高,当HRT为8.70、6.96、4.97h时,系统对TN和TP的平均去除率分别为73.15%、79.76%、81.98%和67.79%、80.99%、92.16%。但是,较低HRT条件下膜通量较高,会加剧膜污染进程。解决这一问题的措施是增加膜组件个数,从而在不提高膜通量的情况下使系统保持较低的HRT,保证系统高效稳定的污染物去除效果。关键词膜生物反应器分点进水脱氮除磷水力停留时间膜污染EffectofHRTontheperformanceofastep2feedhybridMBRprocesstreatingsyntheticdomesticwastewaterYuanLimei1,ZhangChuanyi2,ZhangYanqiu2,XiDanli1,GaoYanlin2.(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEn2gineering,DonghuaUniversity,Shanghai201620;2.SchoolofEnvironmentandSpatialInformatics,ChinaUni2versityofMiningandTechnology,XuzhouJiangsu221008)nnAbstract:Aninnovativeprocessstep2feedA2(O/A)2MBR(Anaerobic2(Oxic/Anoxic)2MembraneBioreactor)wasdevelopedtotreatsyntheticdomesticwastewater.ThecharacteristicsofnutrientremovalandmembranefoulinginA2(O/A)n2MBRsystemwasinvestigatedatdifferenthydraulicretentiontime(HRT).Theresultsshowedthat,underthecondi2tionsofdifferentHRTimposed,theremovalefficienciesoftotalnitrogen(TN)andtotalphosphorus(TP)increasedwiththedecreasingofHRT.WhiletheHRTwasat8.70h,6.96hand4.97h,theremovalefficienciesofTNandTPwere73.15%,79.76%,81.98%and67.79%,80.99%,92.16%,respectively.However,theshortHRTandhighfluxconditionresultedintheaccelerationofmembranefouling.OnefeasibleideatosolvethisissuewasaddingmoremodulesofmembranestomeettheshortHRTconditionswithoutincreasingthemembraneflux.Keywords:MembranebioreactorStepfeedNitrogenandphosphorusremovalHydraulicretentiontime(HRT)Membranefouling水力停留时间(HRT)是涉及污水生物处理系究。试验采用分点进水,在一定的试验条件下,通过统的一个重要参数,它不仅与系统的处理效果有关,改变膜通量,考察了HRT对污染物去除效果以及还直接决定了生物反应器容积的大小,进而影响到膜污染特性的影响,分析了污染物去除效果与膜污处理工程的基建投资。传统的污水生物处理系统一染之间的矛盾关系,并提出了可行的解决方法。般HRT较长,处理设施占地较大。将膜分离与传1试验装置及方法统的污水处理方法相结合的膜生物反应器(MBR)可以弥补这一不足。近年来,许多研究者考察了1.1试验装置[1,2]HRT对MBR系统处理效果的影响,用于处理图1为试验装置示意图。反应器由有机玻璃粘结生活污水的MBR的HRT在1.5~7.5h(小试)和而成,系统主要分厌氧区、多级好氧/缺氧区和好氧区3[326]2.7~34.2h(中试)。但这方面的研究大多针对个部分,各区有效体积分别为14.6、34.6、23.3L。一体式MBR系统,而对具有脱氮除磷功能的MBR采用分点进水方式,污水箱中污水一部分经泵复合工艺的研究鲜见报道。提升至厌氧区,另一部分提升至多级好氧/缺氧区。本研究采用自行开发的厌氧)多级好氧/缺多级好氧/缺氧区由玻璃板分成8个小室(图1中¹n氧)膜生物反应器(A)(O/A))MBR)复合工艺,~À),在第¹、»、½和¿室底部设有穿孔管进行曝以模拟生活污水为处理对象进行系统运行特性的研气(近液面处DO为1.0mg/L左右),实现硝化过第一作者:袁丽梅,女,1978年生,博士研究生,研究方向为污水生物处理及回用。*中国矿业大学青年科技基金资助项目(No.OP4476)。#363#\n环境污染与防治第29卷第5期2007年5月程,º、¼、¾、À室等流量进原水,为反硝化补充碳常运行。源。根据前期试验结果,进入厌氧区和多级好氧/缺表1试验运行条件Table1Specificationsoftheexperimentalconditions氧区的原水的比例设为7B3(体积比)。厌氧区混项目试验1试验2试验3合液通过溢流依次进入多级好氧/缺氧区和好氧区,运行时间/d4545282好氧区内安置有1.0m的中空纤维膜组件(材质为流量/(m3#d-1)0.200.250.35聚偏氟乙烯,孔径为0.22Lm),膜组件下方设穿孔膜通量/(L#m-2#h-1)10.012.517.53HRT/h8.706.964.97管连续曝气(0.5m/h)以提供生物所需的氧气,并同时清除膜表面沉积的部分污染物。好氧区底部污1.3分析项目及方法+-泥经回流泵回流至厌氧区进行厌氧释磷(回流比为MLSS、MLVSS、TN、NH42N、NO32N、-[7]75%),膜组件在出水泵的抽吸作用下间歇出水(抽NO22N、TP、COD等均采用标准方法测定;DO/10min/停2min)。自控系统中的液位控制器控制水温采用WTWOxi340DO测定仪,过膜压差(TMP)进、出水流量的平衡。试验温度为25.3~32.5e,采用U型压差计测定。污泥龄(SRT)为26d。2结果与讨论2.1系统对污染物的去除效果如表2所示,系统对COD的去除效果良好且稳定,运行期间COD平均去除率均在97%以上,出水COD均小于10mg/L;在试验选定的HRT范围内,HRT对系统COD的去除效果影响不大。COD的高效去除主要是以下几方面共同作用的结果:厌氧图1试验装置示意图区释磷过程对可快速降解的有机物的吸收;多级好Fig.1SchematicdiagramoftheA)(O/A)n)MBRsystem1)污水箱;2)进水泵;3)厌氧区;4)多级好氧/缺氧区;5)好氧氧/缺氧区内反硝化过程对有机物的吸收;膜对悬浮区;6)搅拌装置;7)膜组件;8)压差计;9)出水泵;10)鼓风机;性有机物及溶解性大分子有机物的截留作用。11)污泥回流泵;12)剩余污泥;13)出水;14)自控系统n从表2和图2可以看出,A)(O/A))MBR1.2试验条件与方法工艺对TN有很好的处理效果,即使在处理效果不原水采用葡萄糖、淀粉、氯化铵、磷酸二氢钾及佳(HRT=8.70h)的情况下,系统对TN的平均去微量元素营养盐等配制而成。水质情况为:COD342.8~424.1mg/L;TN29.7~36.0mg/L;除率也超过73%。当HRT为8.70、6.96、4.97h+时,系统对TN的去除率分别为73.15%、79.76%NH42N23.76~34.32mg/L;TP3.47~5.67mg/L;pH6.7~7.3。污泥取自徐州市姚庄污水处和81.98%,出水TN分别为8.97、6.81、5.95理厂回流污泥,驯化1个月后投入使用。mg/L。可见,在试验选定的HRT范围内,系统对试验通过改变膜通量来改变系统的HRT,重点TN的去除率随着HRT的减少而逐渐增加。此n+考察了HRT对A)(O/A))MBR系统污染物去外,试验期间系统对NH42N的去除率均在98%左+除效果及膜污染状况的影响。试验具体运行条件如右,有时出水NH42N浓度甚至会低于检测限。试--表1所示。此外,在每个阶段开始前均对膜进行了验期间未发现NO22N的积累,系统各区的NO22N清洗,膜清洗期间反应器内放置备用膜保证系统正均低于0.1mg/L。1)表2试验各阶段对污染物的去除特性Table2Characteristicsofnutrientremovalineachexperiment试验1试验2试验3项目进水出水平均去除率进水出水平均去除率进水出水平均去除率/(mg#L-1)/(mg#L-1)/%/(mg#L-1)/(mg#L-1)/%/(mg#L-1)/(mg#L-1)/%386.254.0698.94385.336.9198.17384.807.7497.99COD(19.97)(2.80)(0.75)(21.67)(4.32)(1.22)(23.84)(2.46)(0.63)33.388.9773.1533.676.8179.7633.115.9581.98TN(1.23)(1.43)(3.97)(1.17)(0.79)(2.32)(1.50)(0.71)(2.30)4.361.4067.794.390.8280.994.210.3292.16TP(0.32)(0.40)(9.21)(0.50)(0.27)(6.59)(0.24)(0.14)(3.77)注:1)括号内为标准方差。#364#\n袁丽梅等水力停留时间对膜生物反应器复合工艺污水处理特性的影响功能的微生物被称为反硝化聚磷菌(DBP)。DBP在厌氧状态释磷储存能源物质(PHB),在缺氧条件下,分解体内PHB,从污水中吸磷同时完成反硝化,这就避免了脱氮和除磷两过程对碳源的竞争,系统利用同一基质进行生物除磷脱氮,从而获得了基质的最大利用率。同时,反硝化除磷还可以节约能耗,减少剩余污泥产量。此外,混合液中的磷在好氧区图2出水TN及其去除率Fig.2VariationoftheeffluentTNconcentrationand可以得到进一步的吸收。另外,膜过滤过程中对含TNremovalefficiency磷颗粒的截留也为系统除磷效果起到了强化作用。nA)(O/A))MBR系统高效的脱氮性能归功于其独特的工艺设计。系统中TN的去除主要是在多级好氧/缺氧区内完成的。在该区内设置多个挡板,采用分格曝气方式,使池中污水在向前推进的过程中形成多级缺氧)好氧交替的环境,曝气格内混+合液中的NH42N在硝化菌的作用下实现硝化反应,产生的硝化液从各曝气段直接流入下一段的缺氧分格,为反硝化反应提供底物。同时,采用分点进水形图3出水TP及其去除率Fig.3VariationoftheeffluentTPconcentrationand式,在污水宏观推流运动的过程中采用分点进水(部TPremovalefficiency分原水进入多级好氧/缺氧区的缺氧分格),不断补由于原水为人工配制,进水水质波动较小,各试充反硝化所需要的碳源,使由硝化反应产生的验阶段C/N和C/P相对稳定,故它们不是影响--NO22N和NO32N一产生就得到及时的去除。TN、TP去除效果的主要因素。A)(O/A)n)MBR--NO22N和NO32N的及时去除使系统中的硝化反应工艺对TN、TP去除率的差异主要是由于HRT的+过程不断建立新的动态平衡,使NH42N不断地向变化引起的。减少HRT会使进入系统的COD总---NO32N转化。然后,NO22N和NO32N在异养菌的量增加,但保持SRT恒定的条件下,系统内MLSS作用下向N2转化,从而实现污水的脱氮。此外,反也会随着HRT的减少而增加[9]。本试验也观察到硝化还可以部分补充上一段硝化过程中消耗的碱了这一现象,保持SRT为26d,试验过程中好氧区度,减少pH对脱氮过程的抑制作用。由此可见,多的平均MLSS由试验1时的9062mg/L增加至试级好氧/缺氧区的设计及分点进水的方式提高了系验3时的11729mg/L。相应地,多级好氧/缺氧区统对TN的去除速度和处理效率,从而使系统具有内的MLSS也随之有所增加。值得注意的是,虽然很强的脱氮性能。COD和MLSS都有所增加,但试验各阶段系统的有与TN去除的试验结果相似,随着HRT的减机负荷率(MCOD/(MMLSS#d))却发生了改变,试验1少,系统对TP的去除率也不断增加(如图3所示),至试验3的有机负荷率分别为0.190、0.231、0.276只是HRT对TP去除效果的影响更为明显。当kg/(kg#d),有机负荷率随HRT的减少而增加。HRT为8.70、6.96、4.97h时,系统对TP的去除由此可见,污染物去除效果的差异是由系统有机负率分别为67.79%、80.99%和92.16%,当HRT最荷率的变化引起的。在试验选定的HRT范围内,短为4.97h时,出水TP均低于0.50mg/L,平均浓系统对TN和TP的去除率随着HRT的减少而增度仅为0.32mg/L,达到了GB8978)1996一级加。这是因为长HRT条件下,系统的有机负荷率标准。降低,会使生物的内源呼吸加剧,影响污泥的活性,试验结果表明,在多级好氧/缺氧区的缺氧段内最终降低系统对污染物去除效果。降低HRT可使并未发生磷的释放;相反,在该区的缺氧段发生了磷系统的有机负荷率提高,进而使系统反硝化和释磷的过量吸收现象,这可以用反硝化除磷作用加以解的能力增强,最终提高氮磷的处理效果。由表2、图释。反硝化除磷是指部分聚磷菌在缺氧条件下能够2和图3还可以看出,随着HRT的减少,系统不但利用混合液或微生物絮体内的硝酸盐作为电子受体进行反硝化,同时进行磷的过量吸收[8]。反硝化除对TN和TP的平均去除率均有提高,而且对两者磷的研究早已引起了广泛的关注,具有反硝化除磷去除的稳定性也有所改善。#365#\n环境污染与防治第29卷第5期2007年5月2.2膜污染一定的曝气方式造成污水的宏观推流前进状态,使除每一阶段结束时对膜进行清洗外,试验各阶污水经历缺氧)好氧频繁交替的环境,实现多级硝段期间均未采取膜清洗措施。图4是试验各阶段化/反硝化。采取分段的进水方式及时为反硝化提-TMP的变化过程图。供碳源,加速了NO32N向N2的转化过程,强化了系统的反硝化作用,进而提高系统对氮的去除效果。(2)在试验选定的HRT范围内,短HRT不但有利于提高系统的处理能力,还有利于提高氮磷的去除效率。当HRT为8.70、6.96、4.97h时,系统对TN和TP的平均去除率分别为73.15%、79.76%、81.98%和67.79%、80.99%、92.16%。图4不同HRT下TMP的变化Fig.4Variationofthetrans2membranepressureat在SRT一定的条件下,短HRT也会使反应器内differentHRTMLSS有所增加,试验过程中好氧区的平均MLSS2由图4所示,当膜通量为10.0L/(h#m)(HRT由HRT为8.70h时的9062mg/L增加至HRT=8.70h)时,TMP上升速率很小,系统运行45d为4.97h时的11729mg/L。TMP仍低于11kPa;当膜通量增加到12.52(3)当膜通量从12.5L/(h#m)增加至17.52L/(h#m)(HRT=6.96h)时,系统运行前26天2L/(h#m)时,膜通量增加了40%,导致运行时间TMP保持低于11kPa的水平,而后TMP快速上升,2缩短了37.8%。可见低膜通量(10.0L/(h#m))19d后约达到30kPa;当膜通量增加到17.5时有利于膜过滤操作长期稳定的运行。但是,在反2L/(h#m)(HRT=4.97h)时,TMP几乎从运行开应器容积一定的条件下,低膜通量会使系统的HRT始便快速上升,系统仅运行28d便需对膜进行清洗。增加,从而降低系统的有机负荷率,使生物的内源呼不同条件下膜污染的发展速率变化是因膜通量的变吸加剧,影响污泥的活性,最终降低系统对污染物去化引起的,在试验条件下,测得膜的临界通量约为除效果。对于这一问题,比较可行的解决方法是适2214.0L/(h#m)。在次临界通量(10.0L/(h#m))当增加膜组件的使用数量,从而在不提高膜通量的运行有利于系统长期稳定的运行。当膜通量为17.52情况下,保证系统对营养物高效且稳定的去除效果。L/(h#m),大于膜的临界通量,运行期间TMP基本无稳定阶段,而是从开始运行便几乎呈直线性上升,说参考文献明膜已无法保证在临界通量以上正常运行。可见,为[1]RENNQ,CHENZB,WANGAJ,etal.RemovaloforganicpollutantsandanalysisofMLSS2CODremovalrelationshipat保证系统能够长期稳定运行,须操作在次临界通量以下。differentHRTsinasubmergedmembranebioreactor[J].Inter22.3膜污染和出水水质的关系nationalBiodeterioration&Biodegradation,2005,55:2792284.[2]封莉,张立秋,王宝贞.一体式膜生物反应器的HRT确定[J].缩短系统的HRT需要通过提高膜通量来实现。中国给水排水,2002,18(11):62264.试验发现,提高膜通量会加速膜污染的进程,缩短膜[3]DEFRANCEL,JAFFRINMY.Comparisonbetweenfiltrationsatfixedtransmembranepressureandfixedpermeateflux:application的运行时间,增加膜的清洗次数。因此,从膜污染角toamembranebioreactorusedforwastewatertreatment[J].Jour2nalofMembraneScience,1999,152:2032210.度讲,膜通量越低越好。试验中膜通量为10.0[4]HUANGX,GUIP,QIANY.Performanceofsubmergedmem22L/(m#h)时对控制膜污染较为有利(见2.2节)。branebioreactorfordemesticwastewatertreatment[J].Tsing2huaScienceandTechnology,2000,5:2372240.然而,低膜通量会使系统的HRT增加,从而降低系[5]GUGW,HEYL.Studyandapplicationofthemembranebio2统的有机负荷率,使生物的内源呼吸加剧,影响污泥reactorinwastewatertreatment[M].Beijing:ChinaChemistryIndustryPress,2002.的活性,最终降低系统对污染物去除效果(见2.1[6]SHIMJK,YOOIK,LEEYM.Designandoperationconsid2节)。由此可见,兼顾膜污染控制和污染物去除效果,erationsforwastewatertreatmentofmunicipalwastewater[J].WaterResearch,2002,36:4132420.应尽量使系统在低膜通量、短HRT条件下运行。在[7]国家环境保护总局5水和废水监测分析方法6编委会.水和废水监测分析方法[M].第3版.北京:中国环境科学出版社,1989.反应器容积一定的条件下,实现低膜通量、短HRT[8]AHNKH,SONGKG,CHOE,etal.Enhancedbiologicalphos2条件比较可行的方法是适当增加膜组件的使用个数,phorusandnitrogenremovalusingasequencinganoxic/anaerobicmembranebioreactor(SAM)process[J].Desalination,2003,157:在不增加膜通量的情况下,使系统保持较短的HRT,3452352.从而保证对污染物高效且稳定的去除效果。[9]ROSENBERGERS,KRUGERU,WITZIGR,etal.Perform2anceofabioreactorwithsubmergedmembranesforaerobictreatmentofmunicipalwastewater[J].WaterResearch,2002,3结论36:4132420.n(1)A)(O/A))MBR复合工艺采用隔板和责任编辑:陈泽军(修改稿收到日期:2007201222)#366#