污泥停留時(shí)間對(duì)SMBR凈化受污染水源水的影響

田家宇，徐勇鵬，張 艷，潘志輝，韓正雙，李圭白

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090哈爾濱，tjy800112@163．com)

污泥停留時(shí)間對(duì)SMBR凈化受污染水源水的影響

田家宇，徐勇鵬，張 艷，潘志輝，韓正雙，李圭白

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090哈爾濱，tjy800112@163．com)

為考察用于飲用水處理的浸沒式膜生物反應(yīng)器(SMBR)中適宜的污泥停留時(shí)間(SRT)，在平行運(yùn)行的條件下對(duì)比研究了80 d和20 d兩種SRT下SMBR凈化受污染水源水的效能．結(jié)果表明，在80 d的SRT下，SMBR對(duì)DOC、UV254、TOC、CODMn的去除率分別為 19.6%、13.4%、27.7%和30.7%;而當(dāng) SRT為 20 d時(shí)，SMBR的平均去除率為21.2%、13.2%、29.2%和32.7%，去除能力基本相同．此外，80 d和20 d兩種SRT下SMBR對(duì)NH3－N的去除率均高于96%．而采用20 d的SRT時(shí)，SMBR的跨膜壓增長(zhǎng)速率略低于80 d的情況．可見，將SRT由80 d縮短至20 d，不僅不會(huì)對(duì)SMBR凈化受污染水源水的效能產(chǎn)生影響，還有助于減緩膜污染．這樣，就可以考慮在SMBR中直接投加粉末炭以強(qiáng)化對(duì)有機(jī)物的去除，并及時(shí)排泥，使反應(yīng)器中的污泥濃度維持在適宜的范圍內(nèi)．

膜生物反應(yīng)器;污泥停留時(shí)間;受污染水源水;粉末炭

浸沒式膜生物反應(yīng)器(SMBR)將膜濾作用［1］和生物降解作用有機(jī)結(jié)合，是一項(xiàng)新型高效的水處理技術(shù)，在污水處理中得到廣泛研究和應(yīng)用［1－2］．在飲用水處理中，SMBR 一般置于混凝沉淀之后，由于進(jìn)水濁度低，SMBR可保持較長(zhǎng)的污泥停留時(shí)間(SRT，50～100 d，甚至更長(zhǎng))．研究結(jié)果表明［3］，在80 d的 SRT下，SMBR 能夠強(qiáng)化去除受污染水源水中的氨氮、亞硝酸鹽氮以及顆粒性物質(zhì)．然而，由于地表水源中的有機(jī)物可生化性較差，加之用于飲用水處理的SMBR水力停留時(shí)間較短，SMBR對(duì)有機(jī)物的去除能力較低［4］．于是，不少學(xué)者將粉末炭(PAC)吸附與SMBR組合，在SMBR中連續(xù)或定期投加PAC，以強(qiáng)化對(duì)有機(jī)污染物的去除［5－7］．為了使反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度不致過高，保持在適宜的范圍內(nèi)，須及時(shí)進(jìn)行排泥．而過頻的排泥勢(shì)必會(huì)縮短SMBR中污泥的停留時(shí)間，影響微生物群落的生長(zhǎng)與繁殖．因此，確定SMBR中適宜的污泥停留時(shí)間具有重要意義，在適宜的SRT下，既可最大限度地投加PAC強(qiáng)化去除有機(jī)物，又不致影響SMBR中微生物對(duì)氨氮、亞硝酸鹽氮的生物降解．

本實(shí)驗(yàn)在平行運(yùn)行的條件下，對(duì)比研究了80 d和20 d兩種SRT下SMBR凈化受污染水源水的效能，考察了SRT對(duì)SMBR的影響，以期為飲用水處理中SMBR組合工藝的進(jìn)一步研究和工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)．

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置見圖 1，主要由兩組平行的SMBR組成．其中的膜組件為束狀中空纖維超濾膜，由海南立升凈水科技實(shí)業(yè)有限公司提供，聚氯乙烯(PVC)材質(zhì)，膜孔徑0.01 μm，膜面積0.4 m2．反應(yīng)器有效容積為2.0 L，原水通過恒位水箱進(jìn)入到SMBR的反應(yīng)器，出水通過抽吸泵直接由膜組件抽出．跨膜壓力(TMP)由設(shè)置在膜組件和抽吸泵之間的真空表進(jìn)行監(jiān)測(cè)．空氣泵連續(xù)向反應(yīng)器內(nèi)曝氣以提供溶解氧、進(jìn)行攪拌混合并清洗膜絲表面．

1.2 運(yùn)行條件

本試驗(yàn)中膜通量控制在10 L/(m2·h)，相應(yīng)的水力停留時(shí)間(HRT)為0.5 h．運(yùn)行方式為抽吸8 min、停抽2 min．空氣泵連續(xù)向反應(yīng)器內(nèi)曝氣，氣水比為 20∶1．

本試驗(yàn)開始之前，兩組SMBR已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)月，SRT均為80 d．本試驗(yàn)中，一組 SMBR的SRT仍維持在80 d，另一組則采用較短的SRT:20 d，對(duì)比研究SRT對(duì)SMBR處理受污染水源水效能的影響．SMBR的污泥停留時(shí)間通過排放反應(yīng)器內(nèi)的混合液進(jìn)行控制．

1.3 受污染原水

通過以下方式模擬受污染原水:按30∶1的比例將當(dāng)?shù)?哈爾濱)自來水與生活污水混合，同時(shí)加入1 mg/L的腐殖酸;并投加氯化銨(NH4Cl)將氨氮濃度維持在3～4 mg/L．該模擬水源水先在室溫下穩(wěn)定2 d后再供給兩組SMBR使用．

1.4 分析方法

本實(shí)驗(yàn)中，水中溶解性有機(jī)物以溶解性有機(jī)碳(DOC)和254 nm下的紫外吸光度(UV254)表示;總體有機(jī)物以總有機(jī)碳(TOC)和高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)表示．對(duì)于溶解性有機(jī)物，水樣首先經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，再進(jìn)行測(cè)定．

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 SRT對(duì)溶解性有機(jī)物去除效能的影響

如圖2(a)所示，試驗(yàn)期間原水中的DOC質(zhì)量濃度平均為(5.959±0.287)mg/L．當(dāng)SRT為80 d時(shí)，SMBR的出水質(zhì)量濃度為(4.782±0.268)mg/L，平均去除率為(19.6±5.9)%;當(dāng)SRT為20 d時(shí)，SMBR的出水質(zhì)量濃度為(4.687±0.497)mg/L，平均去除率為(21.2±8.5)%．

不同SRT下SMBR對(duì)另一個(gè)溶解性有機(jī)污染指標(biāo)UV254的去除情況如圖2(b)所示．可見，當(dāng)SRT為80 d時(shí)，SMBR將進(jìn)水中的 UV254由(0.074±0.004)cm－1降至(0.064 ±0.003)cm－1，平均去除率為(13.4±4.2)%;而當(dāng)SRT為20 d時(shí)，SMBR出水中的UV254平均也為(0.064±0.003)cm－1，平均去除率為(13.2±4.0)%．

80 d和20 d這兩種不同的SRT對(duì)SMBR去除水源水中溶解性有機(jī)物的能力幾乎不產(chǎn)生影響．原因可能如下:當(dāng)采用較長(zhǎng)的污泥停留時(shí)間時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)可以產(chǎn)生并積累一定量的慢速生長(zhǎng)微生物，這些微生物能夠降解水中的某些通常情況下難于生物降解的有機(jī)物;而采用較短的污泥停留時(shí)間時(shí)，水中的難生物降解有機(jī)物被膜及其表面污泥層截留于反應(yīng)器中［8］，可通過污泥排放而及時(shí)排出反應(yīng)器．結(jié)果造成不同的污泥停留時(shí)間下兩組SMBR對(duì)水中溶解性有機(jī)物的去除效能基本相同．

圖2 SRT對(duì)SMBR去除DOC、UV254效能的影響

2.2 SRT對(duì)總體有機(jī)物去除效能的影響

不同污泥停留時(shí)間下SMBR對(duì)水中總體有機(jī)物的去除情況如圖3所示．試驗(yàn)期間原水中TOC和CODMn的質(zhì)量濃度分別為(6.646±0.456)mg/L和(4.25±0.54)mg/L．SRT為80 d時(shí)，SMBR 出水中的質(zhì)量濃度平均為(4.782±0.268)mg/L和(2.92±0.41)mg/L，平均去除率分別是(27.7±6.8)%和(30.7±10.2)%;當(dāng)SRT為20 d時(shí)，SMBR出水中TOC和CODMn的質(zhì)量濃度分別為(4.687±0.497)mg/L和(2.84±0.39)mg/L，平均去除率為(29.2±8.6)%和(32.7±8.4)%．

可見，與對(duì)溶解性有機(jī)物的去除情況類似，在80 d和20 d兩種SRT下，SMBR對(duì)水中總體有機(jī)物的去除能力基本相同．水中的總體有機(jī)物大體上可以分為顆粒性有機(jī)物和溶解性有機(jī)物兩類．對(duì)于顆粒性有機(jī)物，無論SRT是80 d還是20 d，SMBR中的超濾膜都可以有效地將其截留于反應(yīng)器中，通過生物降解或污泥排放將其去除．而對(duì)于溶解性有機(jī)物，由2.1中的討論可知，SMBR對(duì)其的去除能力也幾乎不受SRT的影響．因此，80 d和20 d兩種污泥停留時(shí)間下SMBR對(duì)水中總體有機(jī)物表現(xiàn)出幾乎相同的去除能力．

圖3 SRT對(duì)SMBR除TOC、CODMn效能的影響

2.3 SRT對(duì)NH3－N、NO2－－N去除效能的影響

試驗(yàn)期間水源水中的NH3－N和NO2－－N質(zhì)量濃度分別為(3.66±0.41)mg/L和(0.084±0.094)mg/L．如圖4所示，80 d和20 d兩種SRT下SMBR對(duì)氨氮的去除效率均高于96%，在將近一個(gè)月的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，出水中平均NH3－N質(zhì)量濃度低于0.15 mg/L．當(dāng)SRT為80 d時(shí)，SMBR對(duì)NO2－－N的去除效率為(86.4±18.2)%，出水中NO2－－N質(zhì)量濃度為(0.007±0.009)mg/L;SRT為20 d時(shí)，對(duì)NO2－－N的去除率為(75.7±31.0)%，出水平均質(zhì)量濃度為(0.011±0.011)mg/L．

可以看出，80 d和20 d兩種污泥停留時(shí)間下SMBR均保持了對(duì)氨氮和亞硝酸鹽氮優(yōu)良的去除效能．雖然硝化細(xì)菌的世代時(shí)間較長(zhǎng)(亞硝酸菌為8～36 h，硝酸菌為12～59 h)，屬慢速生長(zhǎng)細(xì)菌，但20 d的污泥停留時(shí)間也足以使其維持一定的生物量，加之反應(yīng)器內(nèi)溶解氧充足(平均7 mg/L以上)，可以滿足凈化受污染水源水中NH3－N和NO2－－N的要求．

2.4SRT對(duì)SMBR中TMP增長(zhǎng)的影響

如圖5所示，80 d和20 d兩種污泥停留時(shí)間下兩組SMBR中超濾膜跨膜壓增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同．兩組 SMBR的初始 TMP均為16 kPa，經(jīng)過28 d的運(yùn)行，SRT為80 d的SMBR中超濾膜TMP增長(zhǎng)至33 kPa;而SRT為20 d的SMBR增長(zhǎng)至30 kPa，略低于SRT為80 d的情況．已有文獻(xiàn)表明［9－11］，膜生物反應(yīng)器中多糖、蛋白質(zhì)等微生物代謝產(chǎn)物是造成膜污染的主要物質(zhì)．當(dāng)采用短污泥停留時(shí)間時(shí)，截留于反應(yīng)器中的微生物代謝產(chǎn)物可及時(shí)排放至反應(yīng)器外，因而膜污染勢(shì)較小;而較長(zhǎng)的污泥停留時(shí)間會(huì)造成膜污染物質(zhì)在反應(yīng)器中的積累，因而TMP略高．

圖4 SRT對(duì)SMBR除NH3－N、NO2－－N效能的影響

圖5 SRT對(duì)SMBR中TMP增長(zhǎng)的影響

3 結(jié)論

1)將污泥停留時(shí)間由80 d縮短至20 d，不僅不會(huì)對(duì)SMBR去除受污染水源水中有機(jī)物、氨氮、亞硝酸鹽氮的效能產(chǎn)生影響，而且還有助于減緩SMBR中超濾膜的污染．

2)在實(shí)踐中，可考慮采用較短的污泥停留時(shí)間(20 d，甚至更低)，同時(shí)在SMBR中連續(xù)或定期投加粉末炭強(qiáng)化對(duì)有機(jī)物的去除，以充分發(fā)揮浸沒式膜生物反應(yīng)器的集成化優(yōu)勢(shì)，深度凈化受污染水源水．

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Influence of sludge retention time on submerged membrane bioreactor for treating polluted raw water

TIAN Jia-yu，XU Yong-peng，ZHANG Yan，PAN Zhi-hui，HAN Zheng-shuang，LI Gui-bai

(State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，tjy800112@163．com)

To evaluate the suitable sludge retention time(SRT)in submerged membrane bioreactor(SMBR)for drinking water treatment，two SMBRs under the SRT of 80 d and 20 d were run in parallel and compared in terms of the effectiveness for treating polluted raw water．The results showed that under the SRT of 80 d，the removal efficiencies of SMBR for DOC，UV254，TOC，CODMnwere 19.6%，13.4%，27.7%and 30.7%，while those under the SRT of 20 d were 21.2%，13.2%，29.2%and 32.7%，respectively．Furthermore，both of the SMBRs achieved over 96%of removal for influent NH3－N．However，when the short SRT(20 d)was employed，the development rate of trans－membrane pressure in SMBR was lower than that under long SRT(80 d)．Therefore，the reduction of SRT from 80 d to 20 d would not affect the effectiveness of SMBR for treating polluted raw water，but mitigate the membrane fouling in SMBR．With the short SRT，it would be possible to dose powdered activated carbon directly in the SMBR，in which the sludge withdrawal could be performed periodically，to maintain the sludge concentration in suitable range．

membrane bioreactor;sludge retention time;polluted surface water;powdered activated carbon

TU991.2

A

0367－6234(2011)08－0035－04

2010－04－15．

中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(20100471074);哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(QA201017)．

田家宇(1979—)，男，博士，講師;

李圭白(1931—)，男，博士生導(dǎo)師，中國(guó)工程院院士．

(編輯 劉 彤)