管式膜生物反应器在污泥减量化中的应用

刘恩华，王泽瑞，丁晓惠

（天津工业大学 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室，天津 300387）

随着我国城市污水和工业废水处理率不断提高[1]，处理工艺日益成熟，而污泥处理的重要性却被忽略，相应的产生大量污泥，其中污泥处理的费用占污水处理的25%～50%[2]，严重限制废水处理的有效性和环境的改善，所以剩余污泥有效处理越发成为生化处理工艺重要问题[3].由于现存技术主要采取填埋、焚烧、投海等实用性方法，这会造成严重的二次污染，污泥的最终处置变得越来越困难，所以对剩余污泥资源化提出了更高的要求[4].由于污泥本身也是一种资源，其中含有丰富的N、P、K、有机物及热量，可以利用污泥自身所包含的各种微生物消耗污泥以达到污泥减量的目的，这同时也降低了现有污泥处理处置的运行费用.剩余污泥的处理是废水生物处理法面临的一个严峻的挑战，迫切需要探索和研究污泥减量的技术方法，膜生物反应器和污泥减量技术的发展为以上难题提供了可行的方法.

膜生物反应器（membrane bioreactor，MBR）是膜技术与生物处理技术组合的废水处理新工艺[5]，相比于传统活性污泥法具有稳定的高水通量、出水水质好[6]、抗污染和低能耗等优点，MBR处理工艺使生化池中水力停留时间与污泥停留时间没有相关性，这有利于更加灵活的控制操作参数[7].并且MBR处理工艺有较高的污泥停留时间，使得出水水质优良稳定、可以使污水达到彻底分离，并使MBR内保持很高的生物量、SRT延长增殖硝化菌稳定的生长环境、容积负荷小、剩余污泥产量小[8]和运行方便等特点，利用膜生物反应器的这些特点，可应用于污泥减量化，也就是将剩余污泥代替污水，加入膜生物反应器中，在微生物作用下，使剩余污泥逐渐消化、降解.

本文利用外置式膜生物反应器考察污泥减量效果.本实验管式膜具有8 mm的内径，流道宽，由高强度的支撑层和高精度分离层组成，可以承受较高的湍流和高流速产生的强剪切力，并且由于管式膜膜壁薄，不易污染，易于拆卸和清洗.本文进行了管式膜MBR技术进行污泥减量化研究，考察了管式膜MBR技术的污泥减量化效果，并考察管式膜MBR出水COD、NH3-N等水质指标.

1 实验部分

1.1 实验试剂与仪器

实验试剂：葡萄糖、磷酸二氢钾、硫酸亚铁铵、氢氧化钠、氯化铵、硫酸亚铁，均为分析纯，天津市风船科技有限公司产品；尿素、酒石酸钾钠，均为分析纯，天津市光复科技发展有限公司产品；重铬酸钾，分析纯，天津市赢达稀贵化学试剂厂产品；1、10－菲啰啉，分析纯，天津市天新精细化工开发中心产品；碘化汞，分析纯，贵州省铜仁泰瑞尔化工厂产品.

实验仪器:JPB-607A溶解氧测定仪、DDS-307电导率仪、732N紫外分光光度计、PHS-3C高压隔膜泵，上海仪电科学仪器股份有限公司产品；1 000 W电子万用炉，北京市永光明医疗仪器有限公司产品；ACO-003空气泵，浙江森森水族股份有限公司产品；PG10000水陆两栖潜水泵，广东日生集团产品；超滤管式膜组件，天津海普尔膜科技有限公司产品.

膜材料：聚偏氟乙烯（PVDF），基本参数如表1所示.

1.2 实验流程及实验方法

MBR工艺流程如图1所示.首先通过培养驯化，提高管式膜MBR池中污泥浓度，达到5 000 mg/L后，MBR池中不再添加营养物质，每天只添加一定量的活性污泥，同时产出同等体积的水，并测试MBR反应池污泥浓度、污泥形态、膜通量以及出水水质，反应池有效容积45 L.实验中所添加污泥为实验室培养的活性污泥，污泥质量浓度为7 000 mg/L.

图1 MBR工艺流程图Fig．1 Schematic diagram of MBR process

1.3 水质检测项目及检测方法

水质检测项目以及检测方法如表2所示.

表2 水质检测项目及检测方法Tab.2 Analytical methods of water quality

2 污泥消减量评价

2.1 MBR反应器中污泥浓度变化量

每阶段MBR反应器中污泥浓度变化量用ΔC表示，计算公式如下；

式中：C起为每阶段污泥起始浓度；C终为每阶段污泥最终浓度；ΔC为每阶段MBR反应器中污泥浓度变化量.

2.2污泥消减量

每天MBR反应器污泥加入量用W加表示，计算公式如下所示：

式中：C为加入活性污泥浓度；V加为加入活性污泥体积.

每阶段MBR反应池污泥总的减少量用ΔW表示，计算公式如下所示：

式中：ΔC为每阶段污泥浓度变化量；V为反应器中活性污泥体积.

每阶段污泥总消减量用W总表示，计算公式为：

式中：n为每阶段实验天数.

反应器污泥消减速率用S表示，计算公式为：

3 结果与讨论

3.1 管式膜MBR反应池污泥浓度变化情况

本实验将活性污泥投加到MBR反应池中，同时进行曝气，利用微生物作用，将活性污泥逐渐消化、降解，达到污泥减量的目的.实验在MBR反应池污泥培养驯化完成后，分3个阶段进行，每阶段向MBR生化池中投入不同量的活性污泥，分别为1 L、2 L、4 L的污泥.实验检测反应池中的污泥浓度和出水水质.

反应池污泥浓度变化情况如图2所示.

图2 活性污泥含量随时间变化曲线Fig.2 Concentration of sludge of MBR tank

图2显示，在只投加活性污泥的条件下，管式MBR生化池污泥质量浓度总体呈减少趋势，由初始的9 500 mg/L，逐渐减少到后期的7 500 mg/L，说明部分活性污泥在反应池被逐渐氧化消解.在每天分别投加1 L、2 L、4 L活性污泥的情况下，MBR反应池污泥浓度没有增加，基本呈减小趋势.本实验采用阶段性的加入新鲜污泥后初始污泥浓度和污泥消化一段时间后污泥浓度的变化，分为第1阶段、第2阶段、第3阶段这3种情况来考察.

污泥减量化评价如表3所示.

表3 污泥减量化评价Tab.3 Evaluation of sludge reduction

由表3可以看出，第1阶段、第2阶段MBR反应池中污泥平均浓度有较多降低，第3阶段变化较小.随着反应器中加入污泥量的增加，反应池污泥消减量也增加，在第3阶段，污泥添加量达到4 L（折合28 g活性污泥）时，反应器的污泥消减量达到了596 g/（m3·d），这说明MBR反应器中活性污泥量随着加入污泥量的增加，污泥每段时间的减少量逐渐降低，加入量增加到一定量后，反应器中污泥浓度可以达到平衡.

由表3中反应器污泥消减速率可以看出，随着反应器中加入污泥量的增加，反应池污泥消减量也增加，在第3阶段，污泥添加量达到4 L（折合28 g活性污泥）时，反应器的污泥消减量达到了596 g/（m3·d），从图2中可以看出，污泥浓度的减量化基本维持在一定程度范围内.一方面当污泥浓度增加时，随着活性污泥在生化池中停留的时间增长，必然会导致污泥老化，进而会引起后生生物的生长，使污泥浓度减少[9]；另一方面在贫氧（不提供营养物质情况下）污泥可通过内源呼吸作用而实现减量化，污泥浓度起初下降显著，之后则缓慢降低，说明这方面的污泥减量化是有限度的[10].由于污泥有机负荷很低而泥龄极长，污泥负荷降低，使剩余污泥的产量大大减少.所以相对于其他污泥减量技术，管式膜生物反应器有较大的优势.

3.2 污泥中微生物含量以及种类的变化

为了分析MBR反应器对活性污泥消减机理，对反应器中进行了污泥的形态观察和研究，在1 600倍的光学显微镜下观察膜生物反应器中的微生物.实验初期观察到污泥上的微生物主要有钟虫，在实验后期，可以在光学显微镜下看到有蠕虫游动，还有较大红斑瓢体虫和轮虫，表明实验期间膜生物反应器中的污泥形状良好.MBR内的污泥减量效果与微型动物的种类和数量有关[11].

图3所示为污泥微生物含量以及种类变化的光学显微镜图片.

图3 污泥微生物含量及种类的变化情况Fig.3 Change of sludge microbial content and species

从图3中可以看出，在污泥前期单位面积下后生微生物的量较少，在污泥后期，单位面积下后生微生物增多.微生物是污水处理中的作用主体，后生微生物是其中重要组成部分，它们可以通过生理代谢过程对废水起到直接的净化作[12]，而且在污泥减量化过程中起到更大作用.

3.3MBR反应池出水水质

3.3.1 化学需氧量（COD）

生物反应器中COD的去除率主要与反应器对有机物分解能力以及代谢产物在反应器中积累有关，截留作用主要是由在膜表面形成凝胶层产生的.在考察MBR反应器进行污泥消减的过程中，对MBR出水进行了水质检测，图4所示为出水COD随时间的变化曲线.

图4 COD随时间的变化曲线Fig.4 COD changes in effluent with time MBR

由图4可以看出，MBR出水COD基本在40 mg/L以下，这证明了膜生物反应器不但对COD有较强的去除能力，而且同时又有较强的抗冲击能力，可以稳定达到国家的排放标准.这说明在活性污泥减量消解过程产生的有机物、COD等基本被微生物利用并分解.

3.3.2 氨氮

氨氮在生化池中利用微生物转化，可以被看成是氨氮被氧化成硝酸盐氮是由2种独立的细菌（氨氧化菌和亚盐氧化菌）催化完成的.利用反硝化细菌将氨氮转化为氮气排出[13]，是通过NH4+-N到NO2--N再到N2这样的步骤完成氨氮脱氮的过程[14].图5所示为出水氨氮随时间的变化曲线.

图5 管式MBR出水氨氮变化曲线Fig.5 NH3-N changes in effluent with time of MBR tank

由图5可以看出，MBR出水氨氮基本在5 mg/L以下，可以稳定达到国家的排放标准.这说明在活性污泥减量消解过程产生的氨氮等基本全部被微生物利用并分解.

由以上结论可知，管式膜流道宽，膜内流速快，耐污染能力强，可以在更高的污泥浓度下正常运行，由于污泥浓度比较高，管式MBR系统对污泥起到分离作用.

3.3.3 MBR出水电导率、溶解氧和pH

管式MBR出水电导率、溶解氧的变化曲线如图6所示.

图6 管式MBR的出水电导率、溶解氧变化曲线Fig.6 Effluents conductivity and dissolved oxygen change curves of MBR

由图6可以看出，MBR出水电导率基本保持稳定，由于生化系统几乎对电导率没有去除效果，出水电导率的降低仅依赖膜的分离[15].

由图6还可以看出，当溶解氧不同时，污泥减量速率以及减量存在一定差异，一般随着溶解氧值增大，污泥减量较快且量大.溶解氧在5.5～6 mg/L时，反应器中硝化活性高，再加上管式膜对硝化菌的截留作用，使得反应器中硝化菌含量较高，因此系统对氨氮的去除率较高.同时，污泥量的减少会影响溶解氧的传递，会提高硝化菌活性，导致污泥减量效果明显[16].

管式MBR的pH值变化曲线如图7所示.

图7 管式MBR的pH值变化曲线Fig.7 pH value change curve of MBR

由图7可以看出，微生物正常生长的pH值范围大多在6.0～8.0之间，本实验中pH值基本保持在7左右，在此范围内微生物的生长活性较好，如果超出此范围微生物的代谢会受到限制，有机物的去除率会降低[17].而且生化池中酸碱度也是影响反应器中氨氮去除率的重要因素，因为反硝化菌最适宜的pH值也是在7.0～8.5之间.

以上结果说明，通过MBR反应池对活性污泥进行减量化处理，在不添加营养物质并且满足微生物活性所需的其他环境因素，例如温度、pH值、溶解氧等，在不增加能耗和营养物质的成本的前提下也可以有效降解活性污泥，实现污泥的减量化，同时出水可以达到国家排放标准.

3.4 膜污染

管式MBR出水通量变化曲线如图8所示.

图8 管式MBR出水通量变化Fig.8 Fluxes change curve of MBR

由图8可以看出，在初期，管式膜通量有较明显的减小，到后期膜通量基本不变，保持稳定.在实验期间，膜的污染可以归结为以下几个方面.首先是膜材质的亲疏水性，从延缓膜污染的背景下考虑，应选择亲水性的膜材料.由于本实验采用聚偏氟乙烯作为膜材料，而聚偏氟乙烯的亲水性较差，会使疏水性的污染物在膜表面吸附.再者活性污泥中具有和膜孔径相近或者更小的溶质和胶体颗粒时，在跨膜压差的作用下，这部分物质极易进入到膜孔道而产生吸附和堵塞，因此管式MBR膜污染主要被归类于这两方面[18].同时由于污泥质量浓度比较高，达8 500 mg/L以上，也是易造成膜污染的原因.膜污染是限制MBR系统广泛应用的瓶颈[19]，大幅度增加了MBR的投资和运行成本，是现在亟待解决的问题.

4 结论

在不添加任何营养物质的情况下，通过向管式MBR生化池中投入污泥的方法以实现污泥减量化.对MBR反应池中污泥浓度变化情况分析显示：

（1）管式MBR系统由于其流道宽、高强度的支撑层与高精度的分离层等特点，可以在较高流速下进行实验，活性污泥的消解速率可以达到596 g/（m3·d），有较好的污泥减量效果，可以有效消解活性污泥.

（2）在实验条件下，出水COD维持在40 mg/L以下，氨氮在5 mg/L以下，都达到了国家的排放标准.

（3）以管式MBR污泥减量技术所具有的显著优点，以及较好的处理效果，使其相对于其他传统处理技术具有更简单的操作条件和更小的运行成本.

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