膜面积负荷对气水交替MBR处理污水的影响

王宏杰，董文艺，李 继

(哈尔滨工业大学深圳研究生院，深圳市水资源利用与环境污染控制重点实验室，518055 广东 深圳，dwy1967@yahoo.com.cn)

气水交替膜生物反应器(gas－water alternate membrane bioreactor，AMBR)是将传统MBR和膜曝气生物反应器(membrane aeration bioreactor，MABR)相结合形成的一种新型反应器，该反应器采用两组膜组件，一组膜组件进行曝气时，另一组膜组件进行出水，运行一段时间后两组膜组件的功能交替.该反应器同时具有传统MBR出水水质好、占地面积小、运行稳定和MABR同步除碳脱氮[1－5]的优点.

常规污水处理工艺具有一定抗污染负荷能力，在原水水质波动的条件下，可通过改变曝气量等参数，达到稳定去除污染物的能力.AMBR工艺采用膜曝气供氧，膜曝气供氧量的变化可通过膜腔内压力的改变而实现[6－8].在进水污染物负荷改变时，需改变膜腔内压力来调整供氧能力，保证混合液的DO处于理想水平[9]，从而使AMBR具有较好的同步脱氮除碳效果.但负荷过高时，膜腔内压力需达到很高程度才能保证供氧量，而过高的膜腔内压力将导致膜材料破损;同时，由于微生物降解速率的限制，即使保证了供氧量，当污染负荷过高时，污染物去除效果仍然有限.对于AMBR工艺，微生物大部分附着于膜丝表面，混合液污泥含量非常低[9]，该工艺的污染物去除主要通过膜丝表面的微生物降解实现.因此，为保证反应器的处理效果，需确定该工艺的最大膜面积污染物负荷.本文考察了膜面积污染物负荷对AMBR工艺处理模拟生活污水的影响.

1 试验

1.1 试验装置及运行条件

试验装置如图1所示.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.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混合均匀.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，膜面积为0.1 m2/片.反应器的有效体积为8 L，水力停留时间控制为8 h.

图1 试验装置图

1.2 试验材料

试验原水为人工配水，由淀粉、葡萄糖、蛋白胨、氯化铵、磷酸氢二钾、氯化钙、硫酸镁、氯化铁配制而成，并加入碳酸氢钠调节pH值.母液碳氮比(COD与TN比)约为10，pH为7.0左右，原水根据试验需要进行不同倍数的稀释，各主要污染物质量浓度比值与常规生活污水接近.试验用的初期接种污泥取自深圳市某污水处理厂脱水机房，并利用SBR反应器驯化.

1.3 检测方法

试验中的水质分析方法均参照文献[10]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.

1.4 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.通过改变进水污染物质量浓度，考查了负荷(按总膜面积计算)对AMBR去除污染物的影响.随着进水负荷的增加，为保持反应器混合液DO控制在0.5 mg/L的较优值[9]，通过增加供氧压力来提高供氧量，但为防止膜腔内压力过大导致膜丝破损，在实验过程中控制膜腔内压力不超过200 kPa.

2 结果与讨论

2.1 膜面积负荷对COD去除的影响

膜面积负荷对AMBR去除COD的影响如图2所示.

图2 膜面积负荷对COD去除的影响

从图2可以看出，AMBR在膜腔内氧压力控制在200 kPa以内的前提下，最大的COD去除负荷为84.9 g/(m2·d).当进水 COD负荷小于90 g/(m2·d)时，通过控制膜腔内氧压力，AMBR混合液中的DO质量浓度均能控制在0.5 mg/L左右，反应器对COD的去除率也高于90%.当进水COD负荷达90 g/(m2·d)时，膜腔内氧压力已达到预设的最大值.随着COD负荷的进一步上升，需更多的氧气才能保证AMBR有效地去除COD.但此时供氧量已达到极限，COD负荷的上升导致了混合液中的DO质量浓度迅速下降，COD的去除效果也逐渐降低.当进水COD负荷增加至100 g/(m2·d)时，COD去除率已降至60%左右.

2.2 膜面积负荷对NH4+－N去除的影响

膜面积负荷对AMBR去除NH4+－N的影响如图3所示.

图3 膜面积负荷对NH4+－N去除的影响

由图3可知，不同膜面积负荷条件下AMBR对NH4+－N的去除可以分为3个阶段.第一阶段为进水NH4+－N负荷小于7.2 g/(m2·d)的条件下，此时混合液的 DO质量浓度保持在0.5 mg/L左右，AMBR对 NH4+－N具有很好的去除效果，平均去除率高于90%.第2阶段为进水NH4+－N负荷在7.2～8.2 g/(m2·d)的条件下，此时混合液的 DO质量浓度仍保持在0.5 mg/L左右，但反应器对NH4+－N的去降率有所下降.当进水 NH4+－N负荷增加至8.2 g/(m2·d)时，反应器对NH4+－N的去除率已下降至72%.这主要是由于反应器中的硝化菌数量有限，即使在混合液 DO质量浓度为0.5 mg/L的条件下，硝化速率的限制使AMBR对NH4+－N的去除效果也有所下降.第3阶段是负荷大于8.2 g/(m2·d)的条件下，此时，由于负荷的持续增加，反应器对氧的需求量进一步加大.但限于膜腔内氧压力控制在200 kPa以内的前提条件，供氧量在负荷为8.2 g/(m2·d)时已达到最大值，污染物负荷的进一步增加导致反应器中混合液的 DO质量浓度迅速降到 0 mg/L.而NH4+－N的去除效果也进一步下降，在进水负荷为9.2 g/(m2·d)时，AMBR对 NH4+－N的去除率已降至50%左右.

采用传统曝气方式的生物反应器，当混合液DO为0 mg/L时，由于硝化菌难以与异养菌竞争少量的氧气，其对氨氮的去除率接近于0.而对于AMBR，当其混合液DO质量浓度为0 mg/L时，仍具有一定的NH4+－N去除效果.这主要是由AMBR工艺独特的供氧方式决定的，参照文献[3，11－13]，膜丝上附着的微生物及基质质量浓度分布示意图如图4所示.靠近膜丝表面的区域具有高DO、低有机物的特点，有利于硝化菌的增殖.因此，即使混合液DO质量浓度低至0 mg/L时，由于靠近膜丝表层的区域仍存在溶解氧，AMBR仍具有一定的NH4+－N去除能力.

图4 膜丝上生物膜及基质的分布

2.3 膜面积负荷对TN去除的影响

不同膜面积负荷条件下，AMBR对TN的去除效果如图5所示.

图5 膜面积负荷对TN去除的影响

由图5可以看出，AMBR在膜腔内氧压力控制在200 kPa以内的前提下，最大的TN去除负荷为6.5 g/(m2·d).当进水 TN负荷小于8.6 g/(m2·d)时，反应器对 TN的去除率高于70%，最高去除负荷可达6.4 g/(m2·d).而当进水负荷进一步升高时，由于NH4+－N的去除率逐渐下降，导致TN的去除效果也不理想.当进水TN负荷为10 g/(m2·d)时，TN的去除率已下降至46%.

3 结论

1)AMBR对COD的最大去除负荷为84.9 g/(m2·d).当 进 水 COD 负荷小于90 g/(m2·d)，AMBR对 COD的去除率可达90%以上，继续增加负荷将导致 COD去除率下降.

2)AMBR对NH4+－N的最大去除负荷为6.75 g/(m2·d).当进水 NH4+－N负荷小于7.2 g/(m2·d)时，反应器对NH4+－N的去除率高于90%，继续增加负荷将导致NH4+－N去除率下降.

3)AMBR对TN的最大去除负荷为6.5 g/(m2·d).当进水TN 负荷小于8.6 g/(m2·d)时，反应器对 TN的去除率高于70%.

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