一体式膜生物反应器同步除碳脱氮效果

刘贯一，彭秋月

(河北联合大学建筑工程学院，河北唐山 063009)

目前，含氮化合物的排放量急剧增加，引发了严重的水体环境污染和水质富营养化问题［1］。传统的废水生物处理工艺去除污水中的氮污染量很少，通常只有10% ～13%［2］。因此，研究废水处理工艺中的脱氮新思路、新技术及合适的控制条件是有效去除废水中含氮物质，控制水污染的重要研究课题，也是废水深度处理研究中的核心问题［4］。本试验研究设想能否在一个单体设备中实现连续的除碳、脱氮功能。目的在于改变传统生物膜法的培养方式，将其通气方法改为由载体的一侧进入，使得生物膜两侧的好氧、厌氧微生物相对位置将发生反转，实现同步硝化反硝化，最终达到去除氮的作用。

利用疏水性的中空纤维作为载体，借助水与纤维之间相互作用在微孔处形成的界面张力平衡水压力，阻止污水进入中空纤维内部。而中空纤维膜表面处于富氧状态，微生物极易在膜表面进行积累从而形成生物膜。此时，氧气由膜内腔直接透过膜传递至生物膜，被微生物所利用，传氧效率高。

对于传统生物膜，溶解氧由外向里浓度逐渐降低，相应生长着好氧微生物、兼性微生物和厌氧微生物。而对于本试验所研究的生物膜，溶解氧从里往外降低，当供氧条件控制得当时，反应器处于缺氧或者厌氧状态，生物膜最外层可以生长厌氧微生物，即相对于传统生物膜，好氧层和厌氧层相对位置发生反转。这样的反转有利于微生物进行硝化反应。这是因为透气膜载体表面的生物膜底层溶解氧浓度大，有机物的浓度经过外层生物膜的降解后降低，是硝化微生物反应的适宜条件(好氧环境、低BOD浓度);外层微溶解氧和无氧环境、充足的有机碳源可以满足反硝化微生物生长需要，这两个过程的结合即可完成脱氮的全过程。因此，在操作条件适宜的情况下，可以实现同步除碳脱氮功能［3］。本试验的生物膜中氧气浓度和污染物浓度分布定性关系如图1所示:

图1 生物膜中氧气浓度和污染物浓度断面示意图

1 试验装置与试验方法

1.1 试验材料

生物膜反应器中的填料是决定生物膜反应器污泥处理效率与质量的主要因素之一。根据试验要求，选择的膜要具有透气而不透水，耐高水压，大表面积等特点，结合目前膜的发展，载体材料选用聚丙烯中空纤维膜(购自蓝十字膜技术有限公司)，其平均外径约为0.42 mm，壁厚为50μm，开孔率约为50%。

1.2 水质分析方法

各项水质指标都采用国家标准分析方法测定:

1)CODCr，用重铬酸钾法 (GB 11914-89)测定;

3)TN，用日本三菱公司TN05型总氮测定仪;

4)pH，用玻璃电极法(GB6920-86)测定;

1.3 试验用水、接种污泥

本试验用水模拟生活污水采用人工配制:用自来水加淀粉、氯化铵(NH4C1)、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾，微量元素用碳酸氢钠、氯化钙、硫酸镁、氯化铁等营养盐来模拟生活污水水质。NH4C1作为NH4+－N的来源，用来产生水中的NH3，淀粉作为BOD来源。

为了增加微生物浓度需投加活性污泥，活性污泥取自唐山市西郊污水处理厂曝气池，对反应器进行接种。

1.4 试验装置

图2 试验设备图

试验所用反应器为连续式装置，用有机玻璃制成。用6 mm的有机玻璃粘制成反应器主体和导气匣，中空纤维膜组件用聚丙烯中空纤维几根一束分别固定到导气匣上。比表面积为81.2 m2/m3，载体的排挤系数约3%。为防止水在空气中发生氧化、分解，将水箱放置在冰箱之内。

1.5 试验过程

1)检查中空纤维微孔膜组件是否漏气，漏水;检查无误后，装配试验装置;

2)装配完后精细调节;向污水水箱注入配制好的人工污水，并加设恒水位装置，调节反应器主体的高度，使反应器内水位既淹没所有纤维膜组件也不会从反应器溢出。启动整个试验装置，开始培养生物膜;为了加快生物膜的培养及其成熟速度，在反应器中投加从西郊污水处理厂的曝气池中取来的活性污泥，并且可将所配置的人工污水浓度加大;

3)前期培养，培养期间还应该多换几次污水，即重新配制人工污水进行培养，以免反应器内无足够营养供给微生物生长。随着培养时间的延长，中空纤维微孔膜组件上的微生物由一开始的小点慢慢的将膜组件表层大片覆盖，形成很薄的一层生物膜。

4)经过一个月培养后，生物膜的厚度也基本稳定，若检测的出水水质指标稳定，说明生物膜已经成熟，就可以测定各项指标了。

2 试验结果与讨论

2.1 CODcr去除问题

试验结果如图3所示:

图3 CODcr的变化曲线

从图3可以看出:所研究的生物膜对CODcr有一定的去除效果并且增加进水浓度后去除效果仍无太大影响，说明此系统对污水的抗冲击能力较强。试验前期生物膜厚度不稳定，对有机物的去除效果不是很明显，只能达到55%左右;随着试验的进行，此生物膜趋于成熟，处理效果相对稳定，去除率约达到73%。因此培养中的生物膜有去除有机物的能力。

2.2 脱氮问题

试验结果如图4、图5、图6所示:

图4 TN的变化曲线

图5 氨氮的变化曲线

图6 －N的变化曲线

从图4和图5可以看出:生物膜已经有较好的硝化、反硝化能力。试验阶段，TN和氨氮的出水浓度缓慢下降，说明反硝化作用增强。当试验趋于稳定时，TN的去除率约为62%，氨氮的去除率约为62%。因此利用疏水性的中空纤维作为载体和充氧元件的生物膜具有脱氮功能。

2.3 生物膜脱落问题

试验期间未观察到泥斗处有沉积物，说明没有生物膜脱落现象。

对于传统生物膜来说，它的生物膜里层是厌氧环境，微生物的代谢产物为有机酸和厌氧产物如CH4等，CH4微溶于水，它不能随着流动水层排走，而在厌氧环境中鼓起的气泡最终使生物膜脱落。对于本试验而言，其生物膜里层是好氧环境，微生物的代谢产物是H2O和CO2。H2O通过附着水层进入流动水层，并随其排走。而一部分CO2溶解于水，一部分则透过好氧层从透气膜逸出［5］。当污水在其流动过程中逐步得到净化时，在供氧过程中，生物膜不会受到气体摩擦，也就不存在生物膜脱落问题。

3 结论

1)新生物膜有去除污水中有机物的能力。

2)新生物膜有良好的脱氮能力。

3)一体式膜生物反应器中自养－异养菌共存的特殊生物膜结构使该工艺在强化硝化及同步脱氮除碳方面具有很大的吸引力，可同时实现除碳脱氮效果

4)在试验期内，新生物膜确实没有生物膜脱落问题。

根据以上分析和试验结果表明:利用这种生物膜作为载体材料组建在同一个生物反应器内有望实现。首先，在相同处理能力条件下，这个系统的构筑物容积、占地面积与机电设备等要少于其它传统处理工艺，维修相对方便，投入资金少，节省能源。

其次，试验中所采用的方案是利用中空纤维膜作为载体，同时兼作充氧元件。相对于其它曝气手段，这一方案的优点在于整个处理过程中水、气的运行和排放都是有控制进行的。这将使污水处理设施对环境的影响减至最小。

4 本试验存在的问题

(1)纤维组件有效深455mm，宽77mm，长90mm，有效体积为3.153L，比表面积为81.2m2/m3，接触时间为11.5h。由于试验时间不足，无法测出其他接触时间的效果进行比较。

(2)时间充足的话，应该还要对其他比表面积大小的纤维组件进行试验研究。

(3)本试验用水为人工配制，保存方法是放置在冰箱内。由于冰箱内温度约为5℃ 左右仍有大量微生物活动而消耗有机物和TN，所以随着时间的推迟进水中有机物和TN逐渐减小。

［1］国家环保局.生物脱氮技术［M］.北京:中国环境科学出版社.1992.

［2］郑兴灿，李亚新.污水除磷脱氮技术［M］.北京:中国建筑工业出版社.1998.

［3］汪舒怡，王城文，黄霞.用于废水处理的膜曝气生物反应器［J］.环境污染治理技术与设备，2006，7(6):131-137.

［4］张树德，曹国凭.厌氧氨氧化脱氮新技术及特点［J］.河北理工学院学报，2006，28(4):131-134.

［5］张自杰.排水工程(第四版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，1999.