气水交替膜生物反应器处理生活污水效能

王宏杰，董文艺，李 继

(哈尔滨工业大学 深圳研究生院，518055 广东 深圳，whj1533@yahoo.com.cn)

气水交替膜生物反应器处理生活污水效能

王宏杰，董文艺，李 继

(哈尔滨工业大学 深圳研究生院，518055 广东 深圳，whj1533@yahoo.com.cn)

为更好地将气水交替膜生物反应器应用于实际工程，通过中试试验，考察该反应器对实际生活污水的处理效果.结果表明，在实际污水碳氮比为4的条件下，AMBR对COD和NH4+－N的去除率在90%左右，出水质量浓度分别低于20 mg/L和5 mg/L，但对TN的去除能力有限，出水平均质量浓度为22.4 mg/L，去除率仅为38%.通过在原水中投加葡萄糖使原水碳氮比提高至6时，AMBR对TN的去除率上升至66%左右，出水质量浓度在13 mg/L左右，能达到国家一级A标准;同时，出水中COD和NH4+－N质量浓度仍低于20 mg/L和5 mg/L.长期监测过膜阻力发现，AMBR具有很好的抗膜污染性能，长期运行过程中，TMP始终维持在－20 kPa左右.

气水交替膜生物反应器;生活污水;碳氮比;膜污染

膜曝气生物反应器(membrane aeration bioreactor，MABR)是将膜组件代替传统曝气头进行曝气的污水生物处理工艺［1－3］，许多研究表明，该工艺具有很好的同步脱氮除碳效果［4－8］.但常规MABR工艺采用后加沉淀池出水，不仅增加占地面积，同时泥水分离效果受前面生物段影响较大，出水水质得不到保证.为解决以上问题，将膜曝气和传统的膜分离相组合，构成一种新型的气水交替式膜生物反应器(gas－water alternate membrane bioreactor，AMBR)，该反应器将有效地结合传统MBR出水水质好、占地面积小、运行稳定和MABR同步除碳脱氮的优点.

本课题组前期的研究表明，采用人工配水时，该工艺在原水碳氮比大于5［9］、混合液 DO为0.5 mg/L的条件下［10］，具有很好的同步脱氮除碳效果.而实际生活污水由于污染物组成相对复杂，该工艺的处理效果与配水可能会有一定的差别.本文主要考察了该工艺对实际生活污水的处理效果，同时通过在原水中添加葡萄糖，考察碳氮比对污染物去除效果的影响.

1 试验

1.1 试验装置

AMBR试验装置如图1所示.

图1 试验装置图

AMBR中两膜片进行交替运行，通过PLC和电磁阀进行控制.当电磁阀9开启时，电磁阀8也处于开启状态，膜片4用于曝气，膜片5用于出水;此时电磁阀7和10处于闭合状态.运行3 h后，电磁阀8和9自动关闭，而7和10处于开启状态，此时膜片4用于出水，而膜片5用于曝气.再次运行3 h后进行交替.气源为由氧气瓶15提供的99.9%的纯氧，通过流量计14控制曝气量以改变反应器中的DO值.由于膜曝气过程中无肉眼可见的气泡产生，无法起到混合作用，因此，在反应器底部设置一水力循环泵6，有利于原水和反应器内混合液的均匀混合.试验所用膜材料为亲水性聚丙烯中空纤维膜(PP)，膜孔径为0.2 μm，膜面积 3 m2/片.反应器的有效体积为240 L，水力停留时间控制为8 h.试验过程中控制混合液DO在0.5 mg/L左右，反应器中水温为30℃左右.

1.2 试验过程

按3 000 mg/L的活性污泥量向反应器内投加驯化成熟的污泥，进行气水交替连续运行.试验过程分为3个阶段，具体如表1所示.

表1 不同运行阶段的原水水质

1.3 检测方法

试验中的水质分析方法均参照文献［11］进行:COD采用重铬酸钾密闭消解法;NH4+－N采用纳氏试剂光度法;TN采用碱性过硫酸钾消解－紫外分光光度法.过膜压差(trans-membrane pressure，TMP)采用压力表测定.

2 结果与讨论

2.1 污染物去除效果

2.1.1 COD

不同运行阶段，AMBR对COD的去除效果如图2所示.

由图2可知，在第一阶段，原水为完全实际污水时，AMBR对COD具有很好的去除效果.虽然实际生活污水的COD在91～191 mg/L波动，但反应器出水COD较稳定，平均值仅为18 mg/L，去除率达87.5%.而在第二和第三阶段，由于葡萄糖的投加，进水 COD平均质量浓度增加至186 mg/L和233 mg/L，但AMBR仍能有效去除COD，出水中COD质量浓度仍低于20 mg/L，可见该工艺对COD具有很好的去除效果.

图2 AMBR对COD的去除效果

2.1.2 NH4+－N

不同运行阶段，AMBR对NH4+－N的去除效果如图3所示.

图3 AMBR对NH4+－N的去除效果

由图3可知，在各阶段，AMBR对NH4+－N均具有很好的去除效果.在进水平均NH4+－N质量浓度为32 mg/L的条件下，平均出水质量浓度均为3 mg/L左右.可见，投加碳源、增加原水的碳氮比对AMBR去除NH4+－N基本没有影响，这与采用人工配水所获得的试验结果一致.

2.1.3 TN

不同运行阶段，AMBR对TN的去除效果如图4所示.

图4 AMBR对TN的去除效果

由图4中可知，在第一阶段，原水碳氮比为4左右的条件下，出水TN的平均质量浓度高达22.4 mg/L，去除率仅为38%.而课题组前期采用人工配水进行试验时，在同样的碳氮比条件下，TN的去除率可接近50%，原因是实际生活污水中有机物的生化性较配水低.由试验测定可知，实际生活污水中的 ρ(BOD5)/ρ(COD)为0.35～0.49，而人工配水的比值在0.55～0.60.较低的ρ(BOD5)/ρ(COD)表明实际污水中的有机物生化性较差，能用于反硝化的碳源较少，从而使TN的去除率比人工配水低.

通过添加葡萄糖，当实际污水的碳氮比升至5时，反应器对TN的去除效果有所上升，去除率达55%左右，出水TN平均质量浓度为16.5 mg/L，但仍高于文献［12］中一级A规定的15 mg/L.当原水的碳氮比增至6时，反应器对TN的去除率上升至66%左右，出水平均质量浓度为13 mg/L左右，低于15 mg/L的国家一级A标准的要求.因此，对于低碳氮比的实际生活污水，为使TN达到国家一级A标准的规定值，需通过投加一定的外加碳源，使原水碳氮比增至6左右.

2.2 膜污染的变化

实验过程中，采用过膜阻力(trans-membrane pressure，PTM)来反映膜组件的污染情况.AMBR两膜组件PTM值随运行时间的变化如图5所示.

图5 PTM随运行时间的变化

由图5可知，在不同的运行阶段，AMBR两膜组件的PTM均维持在－20 kPa左右.可见，AMBR在实际生活污水处理过程中具有很好的抗膜污染性能，同时，碳源的投加不影响AMBR中膜组件的抗膜污染性.

3 结论

1)AMBR对实际生活污水的COD和NH+4－N均具有很好的去除效果，出水COD和NH+4－N平均质量浓度在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响AMBR对COD和NH4+－N的去除效果.

2)在原水碳氮比为4左右的条件下，AMBR对实际生活污水TN的去除率较低，出水TN高于20 mg/L，未能达到国家一级A的要求.通过添加葡萄糖，当原水碳氮比增到6时，反应器出水TN质量浓度能低于标准一级A的15 mg/L的要求.

3)AMBR处理实际生活污水时，膜组件具有很好的抗膜污染性能.

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［12］国家环境保护总局.GB18918－2002城镇污水处理厂污染物排放标准［S］.北京:中国标准出版社，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.

十一五国家科技支撑计划项目(2006BAB17B04，06);建设部研究开发项目(2008－k7－8);深圳市科技计划项目(SY200806260035A).

王宏杰(1983—)，男，博士后;

董文艺(1967—)，男，教授，博士生导师.

(编辑 刘 彤)