溶解氧對(duì)膜生物反應(yīng)器處理生活污水的影響研究

邱廷省，江桐桐，王有賢，王 頻，鐘常明

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000；2.江西礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州341000）

溶解氧對(duì)膜生物反應(yīng)器處理生活污水的影響研究

邱廷省1,2，江桐桐1，王有賢1，王 頻1，鐘常明1,2

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000；2.江西礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州341000）

論文研究了溶解氧（DO）對(duì)同步硝化反硝化膜生物反應(yīng)器（SNdNMBR）處理生活污水過(guò)程脫氮除磷的影響.在一定的條件下控制DO濃度于不同的范圍，考察MBR內(nèi)同步硝化反硝化過(guò)程及對(duì)COD的去除效果.試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)水力停留時(shí)間（HRT）在6 h左右、C/N（濃度比）約為8和pH在微堿性范圍內(nèi)時(shí)，反應(yīng)器進(jìn)行低氧曝氣且將DO控制在1.0 mg/L左右，系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的SNdNMBR過(guò)程脫氮除磷效果，膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)對(duì)COD、NH3-N、TN和TP的去除率分別達(dá)到89.43%、80.5%、75.72%和76.37%.

生活污水處理；同步硝化反硝化膜生物反應(yīng)器；脫氮除磷；溶解氧

膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor，MBR）[1-3]是一種由膜技術(shù)與生物技術(shù)相結(jié)合的新型污水處理技術(shù)，以膜組件取代二沉池，在生物反應(yīng)器中保持高活性污泥濃度而提高難降解物的去除效率.由于膜的過(guò)濾作用，生物完全被截留在生物反應(yīng)器中，從而實(shí)現(xiàn)了水力停留時(shí)間和污泥齡的徹底分離，使生物反應(yīng)器內(nèi)保持較高的混合液懸浮固體濃度（MLSS）.與傳統(tǒng)的城市污水生化處理技術(shù)相比，MBR具有以下主要特點(diǎn)：處理效率高、出水水質(zhì)好；設(shè)備緊湊、占地面積??；易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單.

溶解氧（DO）濃度的大小對(duì)同步硝化反硝化膜生物反應(yīng)器（SNdNMBR）起著至關(guān)重要的作用[4-6].較高DO濃度能使反應(yīng)器內(nèi)氧的傳遞能力增強(qiáng)，卻很難在活性污泥內(nèi)部形成缺氧環(huán)境，好氧環(huán)境有利于COD的去除及硝化反應(yīng)的進(jìn)行，但會(huì)影響反硝化和釋磷過(guò)程；同時(shí)，DO過(guò)高還會(huì)增強(qiáng)活性污泥內(nèi)部好氧異養(yǎng)菌間的競(jìng)爭(zhēng)，出現(xiàn)污泥絮體內(nèi)部碳源不足的環(huán)境，影響SNdNMBR系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果.而DO過(guò)低，污泥絮體內(nèi)將會(huì)形成較多的缺氧區(qū)域，將有利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，但卻會(huì)影響硝化作用，并且抑制系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的生物降解過(guò)程[7-11].

因此，本試驗(yàn)對(duì)SNdNMBR系統(tǒng)內(nèi)部DO進(jìn)行了控制研究，使污泥絮體內(nèi)能夠同時(shí)形成好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)的微環(huán)境，滿足SNdN反應(yīng)器的運(yùn)行條件[12-15]，進(jìn)而有效的實(shí)現(xiàn)脫氮除磷.同時(shí)，本試驗(yàn)的曝氣方式為點(diǎn)源曝氣，保證了反應(yīng)器內(nèi)部能夠形成缺氧微環(huán)境，為SND的進(jìn)行創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件.

1 試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)廢水取自江西理工大學(xué)黃金校區(qū)生活污水總排放口，并根據(jù)研究需要通過(guò)投加葡萄糖調(diào)節(jié)廢水COD濃度，控制廢水進(jìn)水COD在179.2~ 397.2 mg/L之間；通過(guò)投加尿素調(diào)節(jié)NH3-N濃度，使得NH3-N濃度控制在39.3~54.1 mg/L之間；通過(guò)投加磷酸二氫鉀控制TP濃度在6.4~8.1 mg/L之間；BOD濃度為82.4~193.2 mg/L；pH在6.4～7.6之間.試驗(yàn)所用藥劑均為分析純.

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用江西理工大學(xué)膜研究室自制的膜生物反應(yīng)器（MBR），玻璃材質(zhì)，尺寸為350 mm× 250 mm×180 mm，有效容積為10.2 L.在反應(yīng)器一側(cè)進(jìn)行微氧曝氣，下端設(shè)置一個(gè)污泥貯槽；同時(shí)，反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中用機(jī)械攪拌器保持慢速攪拌.膜組件自制，主要材質(zhì)為聚丙烯中空纖維膜，膜孔徑為0.2 μm，膜內(nèi)徑0.65 mm，膜外徑1 mm，有效截留面積為0.067 m2，設(shè)計(jì)通量為22~55.6 L/d，操作壓力為-0.01~0.03 MPa.整個(gè)試驗(yàn)裝置流程圖如圖1所示.

1.3 試驗(yàn)方法

圖1 試驗(yàn)裝置流程圖

試驗(yàn)中，SNdNMBR反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度MLSS約為3.4 mg/L，在進(jìn)水COD為265.4~281.6 mg/L、NH3-N為43.6~56.4 mg/L、TP濃度在4.56~7.34 mg/L之間，控制HRT為6 h，C/N約為8、pH在微堿性范圍的條件下，通過(guò)微孔曝氣器調(diào)節(jié)DO于不同范圍，考察DO濃度對(duì)MBR反應(yīng)器內(nèi)SND過(guò)程、COD降解效果、NH3-N去除效果、各態(tài)氮濃度及TN去除效果的影響.同時(shí)，為了研究膜組件的優(yōu)越性，將對(duì)系統(tǒng)上清液和膜出水水質(zhì)進(jìn)行比較分析.

1.4 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 DO對(duì)COD降解效果的影響

考察DO分別為0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/L時(shí)，膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)對(duì)COD去除效果的影響如圖2所示.

圖2DO對(duì)COD降解效果的影響

從圖2可以看知，COD去除率隨著DO的逐步加大，呈現(xiàn)出緩慢升高的趨勢(shì)，但到達(dá)一定范圍時(shí)趨于平緩.當(dāng)DO為0.3~2.0 mg/L時(shí)，系統(tǒng)COD去除率由85.3%增加到94.1%；當(dāng)DO濃度為2.0~3 mg/L時(shí)，COD去除率維持在94.1%左右，上清液出水COD降至40 mg/L以下.從整體上分析，不同的DO條件下，上清液COD濃度都處在60 mg/L以下，而膜出水COD濃度基本能保持在40 mg/L以下，可見(jiàn)膜出水較上清液有著更好的出水水質(zhì)，說(shuō)明膜組件更進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的降解效果.

試驗(yàn)證明，DO對(duì)系統(tǒng)COD降解效果影響不大.同時(shí)，對(duì)比上清液和膜出水COD濃度變化情況得出，相同的DO條件下，MBR反應(yīng)器較普通的活性污泥系統(tǒng)對(duì)COD去除效果表現(xiàn)的更好更穩(wěn)定.

2.2 DO對(duì)NH3-N去除效果的影響

在進(jìn)水NH3-N濃度為44.6~51.2 mg/L的情況下，研究DO對(duì)系統(tǒng)NH3-N去除效果的影響，分別控制DO為0.5、1、1.5及2 mg/L時(shí)，對(duì)系統(tǒng)上清液及膜出水中的NH3-N濃度進(jìn)行檢測(cè)如圖3所示.

圖3DO對(duì)NH3-N去除效果的影響

由圖3可以看出，當(dāng)DO為0.5 mg/L時(shí)，NH3-N去除率較低，去除率僅為58.8%~60.4%，上清液和膜出水NH3-N濃度都在18.42 mg/L以上；DO為1 mg/L時(shí)，系統(tǒng)對(duì)NH3-N去除率達(dá)到74.4%~77.5%，上清液和膜出水NH3-N濃度均有所降低，膜出水NH3-N濃度已降到12.14 mg/L以下；當(dāng)DO為1.5~ 2 mg/L時(shí)，去除率最高可達(dá)83.5%，膜出水NH3-N僅為9 mg/L左右.從整體上分析：DO在1 mg/L以上時(shí)，增加DO，系統(tǒng)對(duì)NH3-N的去除率并沒(méi)有太大變化，但DO降至1 mg/L以下時(shí)，NH3-N去除率下降相對(duì)明顯；這說(shuō)明，DO對(duì)系統(tǒng)NH3-N去除效果影響較大，主要原因可能是在低氧狀態(tài)下，系統(tǒng)內(nèi)硝化細(xì)菌的代謝活性受到了影響，導(dǎo)致其對(duì)NH3-N利用效率降低，從而影響系統(tǒng)對(duì)NH3-N對(duì)去除率.

同時(shí)，由圖3可知，在相同DO的條件下，膜出水NH3-N濃度較上清液低很多，主要是由于膜系統(tǒng)的截留作用，實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)的SRT（污泥泥齡），使得世代周期較長(zhǎng)的硝化細(xì)菌能夠更多的存在于反應(yīng)器中，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)NH3-N的去除效果.

2.3 DO對(duì)TN去除效果的影響

在進(jìn)水TN濃度為55.4~65.6 mg/L的情況下，研究DO對(duì)系統(tǒng)TN去除效果的影響，分別控制DO為0.5、1、1.5及2 mg/L時(shí)，對(duì)系統(tǒng)上清液及膜出水中的TN濃度進(jìn)行檢測(cè)如圖4所示.

圖4DO對(duì)TN去除效果的影響

從圖4可知，系統(tǒng)對(duì)TN的去除率隨著DO的增加表現(xiàn)出先增后減小的變化趨勢(shì).在DO為0.5 mg/L時(shí)，TN的去除率平均值低于60%；當(dāng)DO增至1 mg/L時(shí)，TN的去除效果有所提高，TN的最高去除率達(dá)到80%，上清液TN濃度在30.02 mg/L以下；繼續(xù)增加DO至 1 mg/L以上時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TN的去除率開(kāi)始呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，DO達(dá)到2 mg/L時(shí)，TN的去除率平均值降至約54%，上清液TN濃度高達(dá)38.34~42.36 mg/L.可見(jiàn)，DO變化對(duì)系統(tǒng)TN去除率有較大的影響，DO為1 mg/L時(shí)，TN去除效果相對(duì)較好.這可能是由于污泥中硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌的硝化作用需要在DO相對(duì)較高的情況下進(jìn)行，而反硝化細(xì)菌的反硝化作用則在DO較低的條件下發(fā)生，所以TN的去除需要一個(gè)相對(duì)適宜的DO環(huán)境.

在相同的DO環(huán)境下，將膜出水與上清液TN濃度進(jìn)行對(duì)比，可知MBR系統(tǒng)較普通的活性污泥系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果更好，這表明，在MBR系統(tǒng)SND作用更顯著.

2.4 DO對(duì)各形態(tài)氮濃度的影響

研究DO分別在0.5、1及2 mg/L的條件下，MBR系統(tǒng)運(yùn)行0、1、2、3、4和5 h后，系統(tǒng)中各形態(tài)氮的濃度變化情況，進(jìn)而分析DO濃度對(duì)SND反應(yīng)快慢及程度的影響，不同DO下各態(tài)氮的濃度變化情況如圖5所示.

圖5 不同DO下各態(tài)氮的濃度變化

由圖5可以看出，比較DO分別為0.5、1及2 mg/L的情況下，MBR系統(tǒng)中各形態(tài)氮的濃度變化情況，可知，DO對(duì)SND過(guò)程有很大的影響.通過(guò)SND發(fā)生的條件來(lái)分析，這主要是由于氧氣的擴(kuò)散能力受DO變化影響，DO的大小決定了MBR系統(tǒng)生物膜內(nèi)外的DO分布情況，從而影響SND的效果.

2.5 DO對(duì)TP去除效果的影響

在進(jìn)水TP為4.56~7.34 mg/L，控制HRT為6 h的條件下，研究 DO分別為 0.5、1.0、1.5、2.0及2.5 mg/L時(shí)，MBR系統(tǒng)對(duì)TP去除效果如圖6所示.

圖6DO對(duì)TP去除效果的影響

由圖6可知，DO對(duì)TP去除影響很大，隨著DO的增大，TP去除率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì).在DO為0.5 mg/L時(shí)，去除率僅為28.29%左右；當(dāng)DO增至1mg/L，TP去除率增加明顯，出水TP已降至1.76 mg/L左右，去除率高達(dá)75.0%；當(dāng)DO繼續(xù)加大到1.5 mg/L以后，TP去除率隨著DO的增加表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但下降幅度不大，至DO為2.5 mg/L時(shí)，此時(shí)出水TP濃度約3.38 mg/L，TP去除率降至52.26%左右.

可能是由于在低濃度的DO條件下，好氧聚磷菌的生長(zhǎng)繁殖受到影響而更利于反硝化除磷菌（DPB）生長(zhǎng)繁殖.在MBR反應(yīng)器內(nèi)，DPB利用作為電子受體進(jìn)行吸磷，達(dá)到對(duì)磷的去除，而DPB在反應(yīng)器中比例占的很少，因此，當(dāng)DO較低時(shí)，TP去除效果較差.當(dāng)DO濃度過(guò)高時(shí)，由于有機(jī)碳源缺乏，SND反應(yīng)過(guò)程中的成為了反硝化細(xì)菌和DPB競(jìng)爭(zhēng)的對(duì)象，但好氧吸磷菌體內(nèi)碳源較外碳源高很多，此時(shí)，DPB的活性受到了影響，好氧吸磷菌成為除磷優(yōu)勢(shì)菌.由于好氧吸磷菌在反應(yīng)器中占比例較大，雖然DPB除磷效果有所降低，但總體上，TP的去除率降低不明顯.可見(jiàn)，系統(tǒng)內(nèi)TP的去除需要在適宜的DO范圍內(nèi)，試驗(yàn)證明當(dāng)DO為1 mg/L時(shí)，TP去除效果最佳.

3 結(jié)論

由試驗(yàn)可知，DO濃度的大小對(duì)SNdNMBR處理城市生活污水起著至關(guān)重要的作用.控制HRT在6 h左右、C/N約為8和pH在微堿性范圍內(nèi)時(shí)發(fā)現(xiàn)：DO濃度的變化幅度大小對(duì)系統(tǒng)COD降解效果的影響幅度不大，但對(duì)系統(tǒng)NH3-N、TN和TP的去除效果受DO濃度的變化幅度大小的影響較大；試驗(yàn)確定SNdNMBR處理生活污水的最佳DO條件為1 mg/L，同時(shí)發(fā)現(xiàn)SNdNMBR較傳統(tǒng)的活性污泥法有更好的脫氮除磷效果.

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Study on the effect of dissolved oxygen for treatment of Domestic Sewage by Membrane Bioreactor

QIU Ting-sheng1,2，JIANG Tong-tong1，WANG You-xian1，WANG Pin1，ZHONG Chang-ming1,2（1.School of Resource and Environmental Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China; 2.Jiangxi Key Laboratory of Mining and Metallurgy Environmental Pollution Control,Ganzhou 341000,China）

The dissolved oxygen(DO)was studied for nitrogen and phosphorus removal of Domestic Sewage by simultaneous nitrification and denitrification membrane bioreactor（SNdNMBR）process.Under the certain conditions,the process of SNdN and removal of COD are investigated in MBR with different DO concentration. The results showed that when the operating conditions were the HRT at about 6 h,C/N of about 8,and pH of slightly alkaline,the oxygen concentration in the reactor was low and DO was 1.0 mg/L,the SNdNMBR had a good simultaneous nitrification and denitrification effect on the nitrogen and phosphorus removal,the removal efficiencies of COD，NH3-N，TN and TP are 89.43%，80.5%，75.72%and 76.37%,respectively.

treatment of domestic sewage;SNdNMBR;nitrogen and phosphorus removal;DO

TQ028.8；X703.1

A

2095-3041（2014）00-0001-05

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2014.01.001

2013-11-02

江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(20111BBG70012-3)

邱廷?。?962- ），男，博士，教授，主要從事礦物加工與環(huán)境工程等方面的研究，E-mail:Qiutingsheng@163.com.

鐘常明（1973- ），男，博士，副教授，主要從事膜分離技術(shù)與水污染控制等方面的研究，E-mail:chmzhong666@163.com.