序批分體式膜生物反應器脫氮除磷特性研究
摘要：采用序批分體式膜生物反應器處理模擬廢水，考察了不同污泥負荷條件下系統對TN、TP的處理特性，并探討了系統TN、TP容積負荷與去除速率間的相關性。結果表明，在0.22～0.63 kg COD/(kg MLSS˙d)污泥負荷范圍內，系統TN、TP出水濃度均滿足GB18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準(20 mg/L與1 mg/L)，其平均去除率分別為97.3%與96.8%，表明處理狀況良好。在0.22～0.63 kg COD/(kg MLSS˙d)污泥負荷范圍內，系統TN、TP容積負荷與去除速率具有良好的相關性，在工程實踐中有一定的指導意義。
關鍵詞：序批分體式膜生物反應器;污泥負荷;去除速率
膜生物反應器(Membrane Bioreactor，MBR)是將膜技術與生物處理技術相結合的一種水處理技術[1]。與傳統活性污泥法相比，膜生物反應器的處理效率高，占地面積小，出水水質穩定，無污泥流失及污泥膨脹，受到人們的重視[2，3]，但高昂的膜造價成本與膜污染制約了膜生物反應器的大規模推廣應用[4]。
目前，隨經濟的快速發展，水體富營養化問題日益嚴重，傳統活性污泥法已無法滿足氮、磷排放標準[5]。在此背景下，膜生物反應器在生物脫氮除磷領域備受關注。膜生物反應器通過膜對微生物的截留作用，在反應器內可維持較長污泥停留時間 (SRT)[6];同時，序批式的運行模式易在生物反應池內形成好氧、缺氧及厭氧等不同運行環境，有利于硝化、反硝化及除磷菌的生長[7]。此外，膜組件與生物反應池分置的分體式膜生物反應器，減輕了膜的污染，易于管理。綜上所述，本研究采用序批分體式膜生物反應器處理模擬廢水，考察系統對氮、磷等營養物質的處理特性，探討系統氮、磷去除速率，為工藝優化與運行調控提供依據。
1 材料與方法
1.1 試驗裝置
如圖1所示，試驗裝置由有機玻璃制造而成，主要由蓄水池、生物反應池與排水池構成。廢水依次經蓄水池、生物反應池和排水池并*終排出。進入蓄水池的廢水經初次沉淀后，在水位差的作用下流入生物反應池;在生物反應池進行生物降解后的處理水，在水位差的作用下流入排水池;處理水在排水池通過膜的過濾*終排出。生物反應池內設有曝氣、攪拌裝置及時間控制器，其有效容積為34 L。排水池內設有中空纖維簾式膜組件(5組)，膜購置于杭州凱宏膜技術有限公司，其主要材質為聚偏氟乙烯(PVDF)。每組膜面積為140 cm2(20 cm×7 cm)，截留孔徑為0.4 μm。
1.2 試驗材料
采用人工模擬廢水，廢水以葡萄糖為碳源，(NH4)2SO4與K2HPO4為氮源與磷源，外加CaCl2、FeSO4˙7H2O、MgSO4˙7H2O等部分微生物生長所需微量元素配制而成，此時，廢水化學需氧量(COD)濃度為500 mg/L，根據不同試驗要求調整其進水濃度。試驗用污泥取自延吉市污水處理廠二沉池回流污泥。
1.3 試驗方法
污染物生物降解主要在生物反應池內進行，而生物反應池結合生物脫氮除磷機理，采用曝氣—攪拌—曝氣相結合的序批式運行模式，具體操作如圖2。序批式運行模式也減輕了系統對膜的污染，處理水在生物反應池內經沉淀后流入排水池，避免了污泥流入排水池，減輕了膜的負擔。系統運行周期為12 h，日處理量為16 L。
試驗以進水污泥負荷為變量，考察不同負荷條件下系統的生物脫氮除磷特性。污泥負荷從0.22依次調整到0.27、0.45、0.56、0.63 kg COD/(kg MLSS˙d)等不同負荷工況。水質分析參照國家分析方法[8]，總氮(TN)、總磷(TP)、COD及混合液懸浮固體濃度(MLSS)分別采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法、過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法、重鉻酸鉀法與105 ℃干燥減重法。
2 結果與分析
2.1 TN處理效果
由圖3可知，在0.22、0.27、0.45、0.56、0.63 kg COD/(kg MLSS˙d)等不同污泥負荷工況下，TN平均出水濃度分別為0.95、1.36、1.33、1.74、2.95 mg/L，均低于一級B標準(20 mg/L)。在0.22～0.56 kg COD/(kg MLSS˙d)污泥負荷范圍內，系統對TN的處理效果較為穩定，去除率變化幅度較小。但污泥負荷上升至0.63 kg COD/(kg MLSS˙d)時，TN去除率相對有較大幅度下降。隨污泥負荷的增加，系統中有機物量增多，硝化細菌在與異養型碳氧化細菌的競爭過程中處于劣勢，生長繁殖受到抑制，故硝化作用減弱[9，10]，TN去除率也呈下降趨勢。
整個運行期間，TN平均去除率為97.3%，系統對TN的去除狀況良好。曝氣—攪拌—曝氣的序批式運行模式，為系統中硝化菌與反硝化菌的生長，以及生物脫氮過程中的好氧硝化與缺氧反硝化反應創造了良好的環境。同時，由于膜對微生物的截留作用，系統可維持較長的SRT，有利于生長速度緩慢的硝化菌的生長，故系統對TN的處理狀況良好。
2.2 TP處理效果
由圖4可知，在0.22、0.27、0.45、0.56、0.63 kg COD/(kg MLSS˙d)不同污泥負荷工況下，TP平均出水濃度分別為0.64、0.28、0.22、0.43、0.45 mg/L，均低于一級B標準1 mg/L。在整個運行期間，0.22 kg COD/(kg MLSS˙d)低污泥負荷條件下，系統對TP的去除率較低，為92.9%;而隨污泥負荷的增加，在0.27～0.63 kg COD/(kg MLSS˙d)污泥負荷范圍內，系統對TP的處理效果逐漸趨于穩定，去除率變化幅度較小，在97.2%～98.1%范圍內。據研究報道，硝酸鹽對聚磷菌的厭氧釋磷有抑制作用[11，12]。低污泥負荷條件下，硝化菌不受異養型碳氧化細菌影響而大量繁殖，硝化作用加強，而相反反硝化因碳源缺乏受到抑制，故在低污泥負荷環境下硝酸鹽得到富集，厭氧釋磷過程受到抑制[13]。
整個運行期間，TP平均去除率為96.8%，系統對TP的去除狀況良好。曝氣—攪拌—曝氣的序批式運行模式為系統創造了良好厭氧釋磷與好氧吸磷的生物除磷環境，故系統對TP的處理狀況良好。
2.3 TN、TP容積負荷與去除速率的關系
在不同污泥負荷運行條件下，系統TN、TP容積負荷與TN、TP去除速率的關系見圖5。在所有運行范圍內，隨TN、TP容積負荷的增加，系統TN、TP去除速率呈上升趨勢。由圖5、表1可得系統TN、TP容積負荷與TN、TP去除速率擬合結果可知，在17.7～40.1、4.3～11.1 g TN/(m3˙d)范圍內，系統TN、TP容積負荷與去除速率具有很好的相關性。pH做為基本的污水指標，勢必成為供求的熱點，這對廣大的E-1312 pH電極制造商，比如美國BroadleyJames來說是個重大利好。美國BroadleyJames做為老牌的E-1312 pH電極制造商，必將為中國的環保事業帶來可觀的經濟效益。我們美國BroadleyJames生產的E-1312 pH電極經久耐用，質量可靠，測試準確，廣泛應用于各級環保污水監測以及污水處理過程。
為進一步驗證TN、TP擬合方程科學性，對系統TN、TP去除速率實測值與擬合方程預測值進行了比較，比較采用卡方(χ2)檢驗。結果表明，TN、TP的χ2值分別為0.003與0.006，χ2<χ20.05，4=9.49，p>0.05，實測值與預測值無顯著差異，擬合方程可較好地對TN、TP去除速率進行預測，在工程中具有意義。但由于試驗是在一定污泥負荷及TN、TP容積負荷條件下進行，故脫離此范圍則擬合方程的預測值可能會與實測值出現一定偏差。
3 結論
1)0.22～0.63 kg COD/(kg MLSS˙d)污泥負荷范圍內，序批分體式膜生物反應器對TN的平均去除率為97.3%，對TP的平均去除率為96.8%，處理狀況良好。且TN、TP出水濃度均達到GB18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準(TN 20 mg/L，TP 1 mg/L)。
2)試驗結果表明，在17.7～40.1、4.3～11.1 g TN/(m3˙d)范圍內，系統TN、TP容積負荷(X)與TN、TP去除速率(Y)具有很好的相關性，其擬合結果分別為YTN=0.382 9+0.960 6XTN與YTP=-0.160 7+0.997 2XTP。通過對擬合方程驗證發現，方程在一定負荷范圍內，可較好地預測系統的TN、TP去除速率，在工程中具有一定意義。