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序批式膜生物反应器同时脱氮除磷的比较研究

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序批式膜生物反应器同时脱氮除磷的比较研究 序批式膜生物反应器同时脱氮除磷的比较研究 肖景霓 ,张捍民 3 ,代文臣 ,杨凤林 ,张兴文 (大连理工大学环境与生命学院 ,大连  116024) 摘要 :对比了厌氧2好氧 (AO)及厌氧2缺氧2好氧 (A2O) 2 种运行模式序批式膜生物反应器 (SBMBR) 对模拟生活污水同时脱氮 除磷的性能. 结果表明 ,2 种运行模式的 SBMBR 对有机物及氨氮的去除率分别可保持在 90 %和 95 %以上. A2O MBR 具有更 强的释磷能力 ,其 SPRR30 (前 30min 比释磷速率) 比 AO MBR ...

序批式膜生物反应器同时脱氮除磷的比较研究
序批式膜生物反应器同时脱氮除磷的比较研究 肖景霓 ,张捍民 3 ,代文臣 ,杨凤林 ,张兴文 (大连理工大学环境与生命学院 ,大连  116024) 摘要 :对比了厌氧2好氧 (AO)及厌氧2缺氧2好氧 (A2O) 2 种运行模式序批式膜生物反应器 (SBMBR) 对模拟生活污水同时脱氮 除磷的性能. 结果表明 ,2 种运行模式的 SBMBR 对有机物及氨氮的去除率分别可保持在 90 %和 95 %以上. A2O MBR 具有更 强的释磷能力 ,其 SPRR30 (前 30min 比释磷速率) 比 AO MBR 高出 4715 % ;但 SPUR30 (前 30min 比吸磷速率) 却比 AO MBR 低 ,这是导致前者膜出水中 TP 值较后者高的原因之一. 2 个系统内污泥均有反硝化除磷能力 ,A2O MBR 中 DPAO (反硝化聚 磷菌)的比例比 AO MBR 提高了 57 % ;硝酸盐为电子受体时单位电子转移所吸收的磷 ,前者比后者高 30 %. 这 2 个因素双重 作用的结果导致了 A2O MBR 反硝化除磷能力的提高. A2O MBR 系统曝气时间减半并没有加重膜污染 ,反而该系统的膜污染 相对较轻. 膜对有机物有较好的过滤截留作用 ,污泥沉降性能对 SBMBR 出水水质影响很小. 关键词 :序批式膜生物反应器 (SBMBR) ;脱氮除磷 ;反硝化除磷 ;膜污染 ;污水处理 中图分类号 :X70311  文献标识码 :A  文章编号 :025023301 (2006) 1122233206 收稿日期 :2005211207 ;修订日期 :2005212223 基金项目 :国家自然科学基金项目 (50578024) 作者简介 :肖景霓 (1978~) ,女 ,博士 ,主要研究方向为膜生物反应器 在废水处理中的应用 ,E2mail :jingni - xiao @yahoo. com. cn3 通讯联系人 ,E2mail :zhhanmin @126. com Comparisons of Simultaneous Phosphorus and Nitrogen Removal in Sequencing Batch Membrane Bioreactors XIAO Jing2ni , ZHAN G Han2min , DAI Wen2chen , YAN G Feng2lin , ZHAN G Xing2wen (School of Environmental and Biological Science and Technology , Dalian University of Technology , Dalian 116024 , China) Abstract :Two SBMBRs run in AO and A2O mode were operated in parallel to compare their ability of simultaneous phosphorus and nitrogen removal. The results showed that the removals of COD and ammonium nitrogen were averaged over 90 % and 95 % , respectively. A2O MBR has the stronger anaerobic phosphorus release ability ; its SPRR30 outdoes 4715 % compared to AO MBR. SPUR30 of A2O MBR was lower which may attribute to the higher effluent TP content . The ratio of DPAO was enhanced 57 % compared to AO MBR. And when nitrate as the only electron accepter , the phosphorus uptake mass with unit electron transfer was 30 % higher in A2O MBR. This two factors lead to the stronger denitrifying phosphorus removal ability of A2O MBR. Furthermore , the membrane fouling was mitigated in A2O MBR though the aerobic time was half to that of AO MBR. The membrane filter function made SBMBR’s effluent free of the sludge settlement ability. Key words :sequencing batch membrane bioreactor (SBMBR) ; nitrogen and phosphorus removal ; denitrifying phosphorus removal ; membrane fouling ; wastewater treatment   将膜应用于生物反应器进行污水处理时 ,膜最 明显的功能就是代替二沉池进行固液分离 ,这一组 合尽管看似简单 ,却给污水处理带来新的突破. 近年 来 ,膜生物反应器 ( MBR) 由于处理效果好、占地面 积少等优点日益受到人们关注[1 ,2 ] . 笔者在进行传 统 MBR 与序批式 MBR (SBMBR) 的对比试验研究 中发现 ,SBMBR 有很好的同时脱氮除磷效果[3 , 4 ] , 因此有必要对 SBMBR 的同时脱氮除磷性能做进一 步研究. 将 SBR 与膜法相结合形成的 SBMBR 除了具 有一般 MBR 的优点以外 ,对于膜组件本身和 SBR 工艺 2 种程序运行都互有帮助[5 ] . 间歇的运行方式 有助于减缓膜污染. 膜对反应器内污泥混合液起截 留过滤作用 ,能将污泥微生物完全截留在反应器内 , 所以反应器中的微生物能最大限度地增长 ,这样生 物活性高 ,吸咐和降解有机物的能力较强. 而世代时 间较长的硝化及亚硝化细菌也能很好地增长 ,从而 提高硝化能力. 并且进水期的充满状态导致了反应 器内氧浓度很快地降低下来 ,避免了传统的前置反 硝化膜生物反应器中氧可能连续进入反硝化区的弊 端.其次 ,脱氮与除磷均需要厌氧 (缺氧) 、好氧相交 替的环境 ,SBR 式的工作方式为除磷菌的生长创造 了条件 ,同时也满足了脱氮的需要 ,使得单一反应器 内实现同时高效去除氮、磷及有机物成为可能. 此 外 ,对于 SBR 来说 ,在传统 SBR 系统中 ,活性污泥 必要的沉淀时间和清洁水的排水阶段占据了整个循 环周期的大部分时间. 利用膜分离可以在反应阶段 排水 ,同时可以完全免去沉淀阶段所需要的时间. 因 第 27 卷第 11 期 2006 年 11 月 环   境   科   学ENV IRONMEN TAL SCIENCE Vol. 27 ,No. 11 Nov. ,2006 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 此 ,序批式膜生物反应器可以减少传统 SBR 的循环 时间. 本试验对 SBMBR 在 2 种不同运行方式下 [厌 氧/ 好氧交替 MBR (AO MBR) 与厌氧/ 缺氧/ 好氧 MBR (A2O MBR) ]污染物的去除性能及同时脱氮 除磷的特性进行了相关研究 ,以期为膜生物反应器 在脱氮除磷的实际工程应用提供一些理论依据. 1  材料与方法 111  试验装置 AO MBR 与 A2O MBR 并联运行做对比试验研 究 ,试验装置如图 1 所示. 2 个反应器材质均为有机 玻璃 ,有效容积 10L . 高位水箱有效容积 011m3 ,平 衡水箱有效容积 0101m3 ,用于利用浮球阀控制反应 器水位. 进水管道上加装电磁阀 ,阀前有 Y 型过滤 器 ,并在进水口前设止回阀. 反应器中设搅拌器 ,以 保证活性污泥在非曝气阶段处于悬浮状态 ,泥水混 合均匀. 由鼓风机曝气 ,蠕动泵抽吸出水 ,出水流量 恒定. 2 个反应器均在厌氧阶段的前 10min 内完成 进水 ,好氧阶段出水 ;每周期的进水量均为 1167L , HRT为 12h. A2O MBR 的缺氧环境通过蠕动泵在厌 氧末外加硝酸盐实现 ,每周期硝酸盐投加量与进水碳 源的比 (COD/ NO -3 ) add为 6125. 电磁阀、搅拌器、鼓风 机和蠕动泵由时间继电器控制 ,周期性工作. 由功率 相同的恒温器控制 2 个反应器恒温 25 ℃±1 ℃. 试验 采用外压型聚乙烯中空纤维超滤膜 ,膜面积 0115m2 , 膜孔径 011μm ,操作参数见表 1. 11 高位水箱 ; 21 平衡水箱 ; 31 Y2型过滤器 ; 41 时间继电器 ; 51 恒温加热棒 ; 61 电磁阀 ; 71 蠕动泵 (投加硝酸盐) ; 81 膜生物反 应器 ; 91 搅拌器 ; 101 膜组件 111 真空表 ; 121 出水蠕动泵 ;    131 转子流量计 ; 141 曝气泵 ; 151 止回阀 图 1  试验装置流程 Fig. 1  Schematic diagram of experimental process 112  接种污泥及试验水质 表 1  操作参数 Table 1  Operation parameters 操作参数 A2O AO 有效容积/ L 10 10 HRT/ h 12 12 SRT/ d 15 15 温度/ ℃ 25 ±1 25 ±1 周期 ( T) / min 50 (an) + 40 (anox) + 30 (ae) 60 (an) + 60 (ae) 膜通量/ L·h - 1 3134 1167 (COD/ NO -3 ) add 6125 —   活性污泥取自大连市春柳河污水处理厂回流污 泥池 ,其MLVSS/ ML SS为 0158. 在 1 个反应器中驯 化培养至 4 g/ L后 ,分至 2 个反应器 ,使其污泥浓度 均为 2 g/ L ,污泥性状完全一致. 试验原水为模拟生活污水 ,由蔗糖、氯化铵、磷 酸二氢钾、磷酸氢二钾及少量 MgSO4·7H2O、CaCl2· 2H2O、FeSO4·2H2O、氯化钠配制而成 , COD 280~ 460 mg/ L ; N H +4 2N 19 ~ 28 mg/ L ; TP 615 ~ 10 mg/ L ; NO -2 2N 01002 mg/ L ; NO -3 2N 0105 mg/ L (COD∶N∶TP 约为 350∶25∶9) . 113  分析方法 标准方法分析膜出水及各阶段末上清液的 COD、N H +4 2N、NO -2 2N、NO -3 2N、TP 等 [6 ] ,其中上清 液为泥水混合液经 0145μm 膜的过滤液. 2  结果与讨论 211  COD 去除效果 2 个 MBR 对 COD 的去除无明显差异 ,去除效 果较好且很稳定 (图 2) . 厌氧末上清液 COD 均介于 20~50 mg/ L之间 ,平均在 40 mg/ L左右 ,平均去除 率均在 88 %左右. 好氧末 COD 平均去除率约为 90 % ,膜出水 COD 为好氧段出水的平均结果 ,去除 率提高到 93 %左右 ,说明膜对有机物具有一定的过 滤截留作用. 实验结果表明 ,COD 的去除基本是在厌氧阶段 实现的 ,即经过厌氧段 ,系统内的有机底物被消耗殆 尽 ,部分转化为 PHB 被细胞贮存于体内. 根据 A2O MBR 系统的运行特性 ,厌氧末系统内 COD 基本耗 尽 ,保证了后续投加硝酸盐后缺氧段的形成 ,而缺氧 段是反硝化除磷得以进行的保障. 212  氮的去除 AO MBR 出水氨氮保持在 1 mg/ L以下 ,去除率 在 95 %以上 ,平均去除率为 9810 %. 出水中硝酸盐 含量与亚硝酸盐含量均较低 ,平均值分别为 1125 和 0113 mg/ L . 氨氮被氧化 ,但其产物并未产生累积. 4322 环   境   科   学 27 卷 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 下标 in 表示进水 , ae 表示好氧末上清液 , an 表示厌氧末上清液 , mem 表示膜出水 ,下同 图 2  COD 去除效果 Fig. 2  COD removal performance of the two MBRs   A2O MBR 在好氧时间仅为 AO MBR 一半的情 况下 ,仍能保证较好的氨氮去除效果 ,出水氨氮亦基 本保持在 1 mg/ L以下 ,平均为 0179 mg/ L ,平均去 除率为 9615 %. A2O MBR 每周期外加一定量的硝 酸盐以形成缺氧环境 ,其投加总量约为 94 mg/ T. 从 图 3 可以看出 ,A2O MBR 缺氧末硝酸盐浓度已降至 3 mg/ L以下 ,出水的硝酸盐及亚硝酸盐含量亦很 低 ,平均值分别保持在 1183 和 0113 mg/ L . 表明投 加的硝酸盐在缺氧段被利用进行了缺氧吸磷. 在进入好氧段后 ,氨氮被氧化而转化为硝态氮. 由于此刻系统内无有机物存在 ,除磷菌则可能在好 氧吸磷的同时 ,也利用硝化过程中产生硝酸盐为电 子受体而吸磷 ,同时实现了反硝化 ,从而使出水中硝 态氮含量保持在较低范围内 (图 3) . 图 3  氮的变化情况 Fig. 3  Nitrogen variation of the two MBRs 213  磷的去除 2 个反应器各阶段上清液磷浓度变化及各阶段 末污泥含磷率变化见图 4. 可以看出 ,2 个反应器均 存在较明显厌氧释磷. 进水平均磷浓度为 8159 mg/ L ,AO MBR 的厌、好氧末上清液及膜出水 TP 平均浓度分别为 10175、0159 和 1172 mg/ L . 好氧末 磷浓度明显减少 ,表明在好氧阶段发生了良好吸磷 过程. 相应的厌、好氧阶段末平均污泥含磷率为 30169 和 34138 mg/ g ,也表明发生了厌氧释磷和好 氧吸磷现象. 进水平均磷浓度为 7170 mg/ L , A2O MBR 中 厌、缺、好氧末上清液及膜出水平均磷浓度分别为15195、7184、0185 和 2181 mg/ L . 说明在缺氧和好氧这 2 个阶段均有吸磷发生 ,这从各阶段末污泥含磷率变化的结果亦可证明 (厌、缺、好氧段末平均污泥含磷率分别为 38198、40183 和 45146 mg/ g) .由于膜出水监测的为好氧阶段出水的平均值 ,从上述分析可知 ,厌/ 缺氧末系统含磷量相对较高 ,尽管至好氧结束时系统内的磷已基本被吸收 ,但膜出水中 TP 浓度必高于好氧末的值.214  吸/ 释磷试验上述分析中可以看到 ,在进水磷浓度相差不大 532211 期 环   境   科   学 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 4  TP变化及污泥含磷率 Fig. 4  TP profile and sludge TP content of study 的情况下 ,A2O MBR 中厌氧释磷量是 AO MBR 中 的 4128 倍 ;A2O MBR 的膜出水是在进行缺氧吸磷 之后开始的 ,此刻磷的浓度已低于 AO MBR 膜出水 的初始 TP 值 ,但其膜出水 TP 浓度却又高于 AO MBR. 为考查其中原因 ,进行了吸/ 释磷试验 ,并对 前 30min 的比释磷速率 ( SPRR30 ) 及比吸磷速率 (SPUR30)加以讨论 ,以比较 2 个系统中污泥的吸/ 释磷能力. 释磷试验测得 SPRR30如图 5 所示. A2O MBR 的 SPRR30 为 25184 mg/ (g·h) , 比 AO MBR 的 17152 mg/ (g·h) 高出 4715 % ,表明 A2O MBR 系统 中的污泥具有更好的释磷能力. 图 5  前 30min 的厌氧比释磷速率 Fig. 5  Specific P2release rates of initial 30 min in the two systems   在吸磷试验中可以看到 ,A2O MBR 的 SPUR30 [ 22169 mg/ (g·h) ] 比 AO MBR 的 [ 32144 mg/ (g·h) ]要低 30 %(图 6) . 由此推断 A2O MBR 膜 出水中 TP 值较 AO MBR 高的原因可能是由于 SPUR30前者小于后者所致. MLVSS : A2O MBR , 2135 g/ L ; AO MBR , 2138 g/ L 图 6  前 30min 的好氧比吸磷速率 Fig. 6  Specific P2uptake rates of initial 30 min in the two systems 215  DPAO 比例 按照 DPAO 在缺氧及好氧条件下具有相同的 吸磷速率的假设[7 ] ,根据公式 : RDPAO = qan/ qae ,计 算本试验所采用的 2 个反应器内污泥中 DPAO 占 总 PAO 的比例. 式中 RDPAO为 DPAO 占总 PAO 的 比例 ; qan为缺氧吸磷速率 ,mg/ (g·h) ; qae为好氧吸 磷速率 ,mg/ (g·h) . 由表 2 得出在 A2O MBR 和 AO MBR 中 ,反硝 化吸磷量占总吸磷量的比例分别为 4016 % 和 2519 % , 即二者 DPAO 比例分别 为 4016 % 和 2519 % ,前者比后者提高了 57 %. 该结果表明 ,在厌 氧末有机物已消耗殆尽时投加硝酸盐引入缺氧段 , 有利于 DPAO 利用厌氧段体内贮存的有机颗粒于 缺氧环境进行反硝化和吸磷 ,从而使 DPAO 得到 富集. 表 2  批试验测得 2 个反应器中污泥在缺氧及好氧下的 SPUR30 Table 2  SPUR30 of anoxic and aerobic phase obtained in the batch test SPUR30/ mg·(g·h) - 1 缺氧 好氧 AO MBR 814 3214 A2O MBR 912 2217 216  反硝化除磷能力 试验发现 ,AO MBR 在没有进行缺氧驯化的情 况下 ,亦具有反硝化除磷能力. 对此进行了 2 种污泥 反硝化吸磷能力的对比试验. 6322 环   境   科   学 27 卷 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 结果表明 ,在缺氧环境下 ,2 种污泥磷的吸收量 与硝酸盐的消耗量之间均存在良好的线性关系 (图 7) . 经线性回归可以看出 ,A2O MBR 中污泥的吸磷 量与硝酸盐消耗量的比值 (11406 7) 要比 AO MBR 中的 (11156 7)高 ,硝酸盐为电子受体时单位电子转 移所吸收的磷分别为 0113 和 0110 mol/ mol ,前者比 后者高 30 % ,即 A2O MBR 中污泥在经过缺氧环境 的驯化后 ,PAO 体内利用硝酸盐为电子受体进行吸 磷酶得到强化 ,从而使其反硝化吸磷的能力得到 改善. 综上 ,可以认为 A2O MBR 反硝化除磷能力的 提高是 DPAO 数量增加及 PAO 体内具有反硝化吸 磷作用的酶经诱导而增加双重作用的结果. 图 7  磷的吸收量与 NO -3 2N消耗量间的关系 Fig. 7  Relationship between phosphorus removal and NO -3 2N consumption 217  膜污染与污泥性质 试验以蠕动泵抽吸产生真空度来实现反应器出 水 ,控制试验过程出水流量恒定. 通过真空表读数反 映膜污染状况 ,即在保证系统 HRT 一定的条件下 , 过膜压力 ( TMP)将随着膜污染的加剧而增大. 根据 真空表读数可算取 2 个反应器膜组件的比流量[8 ] , 膜比流量 ( SMF) 的变化能间接反映过膜阻力的变 化和膜污染情况. 如图 8、9 所示 ,运行初期污泥沉降性能良好 ,膜 过滤压差上升缓慢 ,膜污染主要以由溶解性大分子 粘性物质在膜表面附着引起的污染为主 ,膜丝表面 尚未形成滤饼层 ,比流量基本保持不变 ;随着运行时 间的加长 ,污泥沉降性能逐渐恶化 ,SV I 出现一快速 上升的过程 ,膜表面滤饼层也逐渐形成 ,这期间 TMP 上升较快 ,出现了 SMF 的迅速下降 ;当形成稳 定的滤饼层后 , TMP 变化渐缓 , SMF 呈缓慢下降. 而由于膜的过滤作用 ,污泥沉降性能的恶化并未影 响系统出水水质 ,膜出水一直保持澄清. 另外从图 8 还可看出 ,在快速下降阶段 , AO MBR 的 SMF 下降速率要大于 A2O MBR ,表明 A2O MBR 曝气时间减半 ,并未加重膜污染 ,相反却有减 缓的趋势. 分析认为 ,由于出水蠕动泵抽吸时间减 少 ,使混合液中的物质向膜丝表面运动的时间减短 ; 相应增加了不出水情况下搅拌机对膜丝扰动的时 间 ,即提高了膜丝表面附着物质向混合液方向扩散 的可能性 ,从而减轻膜污染. 图 8  恒流状态下膜的比流量随时间的变化 Fig. 8  Variations of specific membrane flux with time under fixed permeate flux 图 9  ML VSS/ MLSS 和 SVI随时间的变化 Fig. 9  Variations of MLVSS/ MLSS and SVI with time during the operation time 试验过程中污泥活性 (MLVSS/ ML SS) 变化不 大 ,AO 池污泥活性相对好些 ,基本保持在 017~018 之间 ,平均为 0177 ;A2O 略差 ,在 0165~018 之间 , 平均为 0169. 污泥膨胀并没有使污泥活性明显降 低 ,由于膜的截留过滤作用 ,有机物被很好地截留在 反应器内 ,COD 的去除不受污泥膨胀的影响 (图 2) . 污泥膨胀后系统仍能保证良好的氨氮去除效果 ,这 与傅金祥等[9 ]的研究结果相反 ,分析原因是本试验 732211 期 环   境   科   学 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 过程中系统在好氧阶段的 DO 浓度始终控制在 2 mg/ L以上 ,对保障硝化效果有一定的作用 (图 3) . 3  结论 (1) AO 与 A2O 2 种运行模式下 SBMBR 对有 机物和氨氮均有良好的去除效果. 系统平均去除率 分别在 90 %和 95 %以上. 膜对有机物有一定的过滤 截留作用 ,出水 COD 不受污泥膨胀的影响. 在较好 地控制好氧段 DO 浓度的情况下 ,污泥膨胀对氨氮 的去除也无显著影响. (2 ) 吸/ 释磷试验结果表明 , A2O MBR 的 SPRR30比 AO MBR 高出 4715 % ,具有更强的释磷 能力. A2O MBR 的 SPUR30比 AO MBR 低是导致 A2O MBR 膜出水中 TP 值较 AO MBR 高的原因 之一. (3) A2O MBR 系统内污泥的反硝化除磷能力 高于 AO MBR. 其反硝化除磷能力的提高是 DPAO 数量增加及 PAO 体内反硝化吸磷酶经诱导而增强 双重作用的结果. (4) A2O MBR 系统曝气时间的减少并没有加 重膜污染 ,反而该系统的膜污染相对较轻. 膜对有机 物有较好的过滤截留作用 , 污泥沉降性能对 SBMBR 出水水质影响很小. 参考文献 : [ 1 ] Adham S , Gagliardo P , Boulos L , et al . Feasibility of the membrane bioreactor process for water reclamation [J ] . Wat . Sci. Tech. , 2001 , 43 (10) : 203~209. [ 2 ] 吕红 , 徐又一 , 朱宝库 ,等. 分体式膜2生物反应器在废水处 理的工艺条件[J ] . 环境科学 , 2003 , 24 (3) : 61~64. [ 3 ] Zhang H M , Xiao J N , Cheng YJ , et al . Comparison between a sequencing batch membrane bioreactor and a conventional membrane bioreactor[J ] . 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