吳 鵬,陸爽君,徐樂中,劉 捷,沈耀良,3*（.蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 蘇州25009；2.蘇州科技學(xué)院江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 蘇州 25009；3.蘇州科技學(xué)院江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 25009）

ABR耦合間歇曝氣MBR工藝處理生活污水研究

吳 鵬1,2,陸爽君1,徐樂中1,2,劉 捷1,沈耀良1,2,3*（1.蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 蘇州215009；2.蘇州科技學(xué)院江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 蘇州 215009；3.蘇州科技學(xué)院江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215009）

為降低膜生物反應(yīng)器（MBR）運(yùn)行能耗和延緩膜污染,以厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）-MBR工藝處理生活污水為例,采用間歇曝氣和添加顆粒填料兩種方式對(duì)工藝脫氮除磷運(yùn)行條件和膜污染問題進(jìn)行研究.結(jié)果表明,增大間歇曝氣時(shí)間有利于提高氮磷的去除效果,對(duì) COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分別為91%、95%、84%和92%（工況4）,而添加顆粒填料對(duì)氮磷的去除沒有顯著影響.雙重好氧-缺氧交替環(huán)境強(qiáng)化了工藝對(duì)磷的去除.添加顆粒填料比間歇曝氣更能有效延緩膜污染,同時(shí)改變了膜污染的形成過程,膜內(nèi)部污染物含量顯著增多,與泥餅層相比,多糖成為了膜污染的主要因素,不會(huì)對(duì)膜組件本身構(gòu)成危害,增強(qiáng)了MBR反應(yīng)器的實(shí)際應(yīng)用性能.

厭氧折流板反應(yīng)器；膜生物反應(yīng)器；生活污水；脫氮除磷；間歇曝氣；顆粒填料

本課題組結(jié)合厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）反應(yīng)器能有效去除有機(jī)污染物和懸浮物、能耗低［1］與膜生物反應(yīng)器（MBR）反應(yīng)器出水水質(zhì)好、占地面積小、實(shí)現(xiàn)了水力停留時(shí)間（HRT）和污泥齡（SRT）的完全分離等優(yōu)點(diǎn)［2］,將 ABR反應(yīng)器和MBR反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化組合用于廢水的脫氮除磷,并獲得了較好的處理效果［3-4］,但存在能耗較高和膜污染較嚴(yán)重的問題,這也是影響 MBR反應(yīng)器廣泛應(yīng)用的兩大重要因素［5-6］.為降低能耗,近年來許多研究者采用間歇曝氣的方式對(duì)MBR反應(yīng)器的除污效能進(jìn)行研究［7-10］.間歇曝氣可以使MBR反應(yīng)器在好氧和厭氧環(huán)境下交替運(yùn)行,提高反硝化脫氮效率.然而許多研究者直接對(duì)MBR反應(yīng)器進(jìn)行間歇曝氣,雖然獲得了較好的去污效果,卻會(huì)加劇膜污染的形成［8-10］.

為此,本試驗(yàn)在前期研究基礎(chǔ)上,構(gòu)建4隔室ABR反應(yīng)器,將ABR第4隔室改造為膜池,第3隔室改造為好氧池并進(jìn)行間歇曝氣,以避免對(duì)MBR反應(yīng)器直接進(jìn)行間歇曝氣而加劇膜污染. 在MBR反應(yīng)器內(nèi)添加顆粒填料能增加其與膜表面的摩擦作用,有利于緩減膜污染［11-12］.故本試驗(yàn)研究了間歇曝氣對(duì)ABR-MBR一體化工藝處理生活污水脫氮除磷效能的影響.另外,在 MBR反應(yīng)器內(nèi)添加顆粒填料,研究顆粒填料對(duì)膜污染及膜表面污染物成分的影響,以期為緩減膜污染和提高M(jìn)BR反應(yīng)器的實(shí)際應(yīng)用性能提供借鑒.

1　材料和方法

1.1試驗(yàn)水質(zhì)

工藝進(jìn)水為某高校生活污水,其水質(zhì)為COD （394±138） mg/L,NH4+-N （32±16） mg/L,TN （46± 21） mg/L,TP （5±4） mg/L.

1.2接種污泥與顆粒填料

接種污泥取自蘇州市某城市污水處理廠重力濃縮池.污泥靜置1周后,加入適量葡萄糖,再靜置2d,然后均勻移入ABR各隔室,總接種泥量約為各隔室有效體積的 3/5.用生活污水填滿各隔室,閑置1d后開始連續(xù)進(jìn)水.啟動(dòng)時(shí),ABR反應(yīng)器各隔室MLSS約為28g/L.將取自蘇州某污水處理廠氧化溝的活性污泥注入好氧池,投入量占好氧池有效體積的1/2,MLSS 約為7.5g/L.

顆粒填料購(gòu)于某公司,呈球形,粒徑為 4.0～4.4mm,相對(duì)密度 1.01～1.04,材質(zhì)主體為聚乙二醇含水凝膠載體（改性聚氨酯凝膠占16%、水占84%）.其在好氧池投加的體積占好氧池體積的5%.

1.3ABR-MBR一體化工藝

圖1　試驗(yàn)裝置示意Fig.4　Schematic diagram of experimental reactor

本試驗(yàn)所采用的裝置由4隔室ABR反應(yīng)器改造而成,ABR第1、2隔室為厭氧池,第3隔室為間歇曝氣好氧缺氧交替池,第4隔室為膜池,每個(gè)隔室的有效容積均為2.9L.為及時(shí)和定性觀察反應(yīng)器內(nèi)的運(yùn)行情況,反應(yīng)器均由透明有機(jī)玻璃加工制作.試驗(yàn)裝置如圖1所示.

表1　實(shí)驗(yàn)運(yùn)行條件Table 1　Operation mode of the process

好氧池底部布設(shè)穿孔曝氣管,曝氣量可由空氣流量計(jì)調(diào)節(jié).通過調(diào)節(jié)曝氣量,在膜池實(shí)現(xiàn)硝化和好氧吸磷.將MBR池泥水混合液回流至ABR 第1隔室,在ABR內(nèi)實(shí)現(xiàn)反硝化和厭氧釋磷,最終通過膜池排泥來實(shí)現(xiàn)磷的去除.MBR由自吸泵間歇抽吸出水,抽吸周期為12min（包括10min抽吸和 2min反沖洗）.整個(gè)系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行恒定水位、出水泵和反沖洗泵的啟閉的自動(dòng)控制.通過在線監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)控ABR和好氧池的 DO、pH值.試驗(yàn)選用的膜組件為PVDF簾式中空纖維微濾膜,膜孔徑為 0.1μm,過濾面積為 0.1m2,采用真空壓力表監(jiān)測(cè)跨膜壓差（TMP）變化,觀察膜的污染狀況,當(dāng) TMP增至40kPa時(shí)對(duì)膜組件進(jìn)行化學(xué)清洗.

工藝運(yùn)行條件如表1所示,每個(gè)工況至少穩(wěn)定運(yùn)行2個(gè)月.

1.4膜污染物的提取和監(jiān)測(cè)方法

對(duì)每個(gè)工況膜清洗時(shí),進(jìn)行膜污染物的提取.在膜污染物提取前,先采用自來水清洗去除膜表面的泥餅層.然后將剪取的污染膜浸泡于30,℃pH 12的氫氧化鈉溶液24h,提取膜污染物［13-14］.

本試驗(yàn)COD、NH4+-N、TN、TP、MLSS、MLVSS等均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定［15］. TOC采用Analytikjena 3100C型TOC分析儀測(cè)定.并測(cè)定膜表面的多糖［16］和蛋白質(zhì)［17］.

2　結(jié)果與討論

2.1不同工況脫氮除磷效果

表2　工藝進(jìn)出水水質(zhì)Table 1　Characteristics of the influent and effluent

根據(jù)工藝運(yùn)行效果需對(duì)工藝運(yùn)行條件進(jìn)行優(yōu)化,在不同工況條件下,ABR3號(hào)隔室停止曝氣末期工藝脫氮除磷效果如表2所示.可知整個(gè)過程中,工藝對(duì) COD 的去除效果很好,出水 COD平均濃度低于 41mg/L,平均去除率高于 90%.工況 1ABR3號(hào)隔室一直曝氣,溶解氧濃度維持在3mg/L左右,硝化能力強(qiáng),出水NH4+-N平均濃度僅為0.2mg/L；而NO3--N濃度則高達(dá)11.3mg/L,TN濃度為16.7mg/L,其去除率達(dá)71%；平均出水TP濃度為1.5mg/L,去除率達(dá)70%.工況2開始對(duì)ABR3號(hào)隔室進(jìn)行間歇曝氣,不過由于間歇曝氣周期較短（5min）,工藝對(duì)強(qiáng)化脫氮的效果不明顯,出水 TN濃度相比工況 1減少了1.2mg/L,TN去除率反而降低了6%,這與進(jìn)水TN濃度相比工況1低有關(guān).為此,在工況3增大間歇曝氣周期至 15min,出水 TN進(jìn)一步減少至12.1mg/L,TN 去除率增加到 78%；其中出水NO3--N濃度從工況 1條件的 11.3mg/L降至8.6mg/L,這與加大間歇曝氣周期,ABR3號(hào)隔室在好氧-缺氧之間不斷交替轉(zhuǎn)變,強(qiáng)化了反硝化效果有關(guān)；出水TP濃度進(jìn)一步降低,其去除率也顯著增大,這與ABR3號(hào)隔室強(qiáng)化了TN的去除,減弱了厭氧池反硝化脫氮的壓力,從而有利于厭氧釋磷的發(fā)生有關(guān).另外,ABR3號(hào)隔室由好氧向缺氧不斷交替轉(zhuǎn)變有利于聚磷菌的生長(zhǎng)富集［18］,同時(shí)增強(qiáng)了聚磷菌厭氧釋磷和好氧吸磷的能力,有利于TP的去除［19］.在工況4進(jìn)一步增大間歇曝氣周期至 30min,出水 TN 進(jìn)一步降低至8.3mg/L,TN去除率達(dá)84%；NO3--N濃度亦顯著降低至4.1mg/L,說明工況4增大間歇曝氣周期至30min強(qiáng)化了ABR3號(hào)隔室的反硝化作用；不過出水NH4+-N濃度也有所增大；出水TP濃度進(jìn)一步降低至 0.4mg/L,其去除率高達(dá) 92%,主要與ABR3號(hào)隔室進(jìn)一步強(qiáng)化了反硝化脫氮效果,進(jìn)一步減弱了厭氧池反硝化對(duì)厭氧釋磷的影響,使得聚磷菌能夠充分釋磷,從而強(qiáng)化了后續(xù)的好氧吸磷能力［20］.在工況5MBR反應(yīng)器內(nèi)添加了顆粒填料,TN和TP去除率變化不大,說明添加顆粒填料對(duì)工藝脫氮除磷效能沒有顯著影響.

2.2工藝脫氮除磷機(jī)理

在工況5條件下,對(duì)工藝各隔室的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè),以分析工藝的脫氮除磷機(jī)理,結(jié)果如表3所示.

表3　工藝各隔室水質(zhì)（mg/L）Table 1　Characteristics of every compartment （mg/L）

由表3可知,ABR1號(hào)隔室各指標(biāo)與進(jìn)水相比均明顯降低,這與泥水混合液回流至ABR1號(hào)隔室的稀釋作用有關(guān).而ABR2號(hào)隔室中NH4+-N略高于ABR1號(hào)隔室,這與厭氧條件下,有機(jī)含氮污染物通過厭氧微生物作用,轉(zhuǎn)化為氨有關(guān).2個(gè)階段中,ABR1號(hào)隔室和2號(hào)隔室除NO3--N外,其他指標(biāo)變化不大,表明ABR3號(hào)隔室間歇曝氣對(duì)ABR1號(hào)隔室和2號(hào)隔室各指標(biāo)變化影響不大.ABR2號(hào)隔室NO3--N為0,表明NO3--N被反硝化去除.ABR3號(hào)隔室 NO3--N濃度從曝氣30min后的10.6mg/L降至停止曝氣30min后的濃度為 0,表明間歇曝氣強(qiáng)化了反硝化脫氮效果,減弱了ABR1號(hào)隔室反硝化脫氮的壓力.所以,停止曝氣 30min后 ABR1號(hào)隔室 NO3--N濃度（2.4mg/L）顯著低于曝氣30min后的NO3--N濃度（5.5mg/L）；而ABR1號(hào)隔室TP濃度（3.1mg/L）明顯高于曝氣30min后的TP濃度（2.1mg/L）,表明停止曝氣30min后強(qiáng)化了反硝化脫氮作用,減弱了ABR1號(hào)隔室反硝化脫氮的壓力,ABR1號(hào)隔室完成了反硝化脫氮過程,同時(shí)產(chǎn)生了部分厭氧釋磷,在 ABR2號(hào)隔室實(shí)現(xiàn)了充分的厭氧釋磷（6.5mg/L）.曝氣30min后,ABR3號(hào)隔室TP濃度由6.1mg/L驟降至1.5mg/L,表明ABR3號(hào)隔室內(nèi)聚磷菌能夠有效好氧吸磷；而當(dāng)停止曝氣 30min 后,ABR3號(hào)隔室 TP濃度由 1.5mg/L上升至4.1mg/L,表明ABR3號(hào)隔室內(nèi)聚磷菌亦能夠有效厭氧釋磷.最終,曝氣30min后和停止曝氣30min后的出水TP濃度都為0.5mg/L,表明出水TP濃度不受間歇曝氣的影響,這得益于泥水回流保證了聚磷菌在好氧和厭氧交替條件下運(yùn)行,而間歇曝氣使得聚磷菌繼續(xù)在 ABR3號(hào)隔室厭氧和缺氧交替環(huán)境下運(yùn)行,表明聚磷菌在雙重厭氧好氧交替環(huán)境下運(yùn)行是強(qiáng)化 TP去除效果的保障.停止曝氣30min后出水NH4+-N濃度（2.2mg/L）和NO2--N濃度（0.7mg/L）分別略高于曝氣30min后NH4+-N濃度（0.2mg/L）和NO2--N濃度（0.1mg/L）, 而NO3--N濃度（3.7mg/L）顯著低于曝氣30min后NO3--N濃度（8.8mg/L）,最終使得停止曝氣30min后出水 TN濃度（8.6mg/L）明顯低于曝氣 30min后的出水TN濃度（11.6mg/L）,表明出水TN濃度會(huì)受間歇曝氣的影響.

圖2　一個(gè)間歇曝氣周期出水TN和TP濃度Fig.4　Effluent concentrations of TN and TP in an intermittent aeration cycle

一個(gè)間歇曝氣周期出水TN和TP濃度變化情況如圖2所示.由圖可知,出水TN濃度會(huì)隨曝氣時(shí)間和停止曝氣的時(shí)間略有變化.同樣表明在曝氣時(shí)間為30分鐘內(nèi),出水TN濃度隨曝氣時(shí)間的增加而略有升高,出水TP濃度比較穩(wěn)定；而在停止曝氣30分鐘內(nèi),出水TN隨停止曝氣時(shí)間的增加而略有降低,出水 TP濃度仍比較穩(wěn)定.可知間歇曝氣會(huì)影響出水 TN濃度而不會(huì)影響出水TP濃度,曝氣間歇時(shí)間并不是越長(zhǎng)越好.

2.3不同工況TMP的變化情況

不同工況條件下TMP變化情況如圖3所示,化學(xué)藥洗基本能保證TMP恢復(fù)至初始值（15kPa）.工況1和2化學(xué)清洗后,膜組件基本能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行28d.而工況3化學(xué)清洗后,膜組件基本能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行30d.工況4化學(xué)清洗后,膜組件則基本能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行33天.表明間歇曝氣能夠延緩膜污染的形成.工況5膜組件化學(xué)清洗后運(yùn)行9d,TMP上升至23kPa,隨即向工藝內(nèi)添加了顆粒填料,TMP大幅降低至18kPa,此后TMP緩慢上升,膜組件能正常穩(wěn)定運(yùn)行 45d,顯著提高了膜組件的清洗周期,從而可有效減少膜清洗頻率,降低膜清洗的成本,極大的增強(qiáng)了 MBR反應(yīng)器的實(shí)際應(yīng)用性能.

圖3　不同運(yùn)行工況跨膜壓差的變化Fig.4　Change of TMP during different operation

2.4膜表面污染物成分分析

在工藝內(nèi)添加顆粒填料后,膜表面泥餅層很難形成,這與在曝氣作用下顆粒填料形成流化狀態(tài)對(duì)膜表面的沖刷、撞擊作用促成膜表面污泥顆粒反向擴(kuò)散及沉積層脫落有關(guān)［21］,有利于緩解膜污染.為了說明膜污染的成因,對(duì)經(jīng)物理清洗仍粘附在膜表面的污染物成分進(jìn)行了分析.

由表4可知,隨間歇曝氣周期增大,多糖含量逐漸減少,而蛋白質(zhì)含量基本保持不變,同時(shí)物理清洗后TMP逐漸減小,表明多糖是引起膜污染的重要因素［22-23］.另外,污染膜經(jīng)物理清洗后,TMP從 40kPa顯著減?。?2～24kPa）,表明泥餅層是膜污染的最重要因素.工況5添加了顆粒填料后膜表面污染物的成分發(fā)生了更明顯變化,單位膜表面積的膜污染物顯著增多,其中多糖含量顯著增加,而蛋白質(zhì)明顯減少,物理清洗后 TMP顯著增大,同樣表明多糖是引起膜污染的重要因素.另外,添加顆粒填料后,污染膜經(jīng)物理清洗后,TMP從40kPa減小至30kPa）,降幅顯著減小,表明添加顆粒填料后,多糖是膜污染的主要因素,而泥餅層為次要因素.說明影響膜污染的因素并不是一成不變的.不過經(jīng)化學(xué)清洗后,TMP仍能恢復(fù)至初始值,說明添加顆粒填料不影響膜通量的恢復(fù),不影響膜組件的繼續(xù)使用性能.

表4　膜表面污染物的成分Table 1　Amounts of organic components of the membrane foulants

3　結(jié)論

3.1構(gòu)建了 ABR-MBR一體化工藝,增大間歇曝氣時(shí)間有利于提高氮磷的去除效果,對(duì)COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分別為91%、95%、84%和92%,而添加顆粒填料對(duì)氮磷的去除沒有顯著影響.

3.2雙重好氧-缺氧交替環(huán)境強(qiáng)化了工藝對(duì)磷的去除.曝氣周期為30min時(shí),曝氣時(shí)間和停止曝氣的時(shí)間會(huì)影響出水 TN濃度而不會(huì)影響出水TP濃度.

3.3添加顆粒填料比間歇曝氣更能有效延緩膜污染,同時(shí)不會(huì)對(duì)膜組件本身構(gòu)成危害,增強(qiáng)了MBR反應(yīng)器的實(shí)際應(yīng)用性能.添加顆粒填料改變了膜污染的形成過程,膜內(nèi)部污染物含量顯著增多,與泥餅層相比,多糖成為了膜污染的主要因素.

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Nutrient removal from domestic sewage with coupled process of ABR and intermittent aeration MBR.

WU Peng1,2, LU Shuang-jun1, XU Yue-zhong1,2, LIU Jie1, SHEN Yao-liang1,2,3*（1.School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China；2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Technology and Material of Water Treatment, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China；3.Jiangsu Key Laboratory of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China）.

China Environmental Science, 2015,35（9）：2658～2663

In order to reduce energy consumption and delay the process of membrane fouling, the process of anaerobic baffled reactor （ABR） -membrane bioreactor （MBR） was used to treat domestic sewage. The conditions of nitrogen and phosphorus removal and membrane fouling were optimized through intermittent aeration and particulate media in this study. The results show that the efficiencies of nitrogen and phosphorus removal were improved by increasing the intermittent aeration time. As mean while, the process achieved a high level of COD, NH4+-N, TN and TP removal, with the average removal efficiencies of 91%, 95%, 84% and 92% （run 4）, respectively. And the added particulate media would not significantly affect the efficiencies of nitrogen and phosphorus removal. The double aerobic-anoxic alternating environment strengthened phosphorus removal of the process. In addition, the added particulate media could more effectively delay membrane fouling than intermittent aeration, while the formation process of membrane fouling was changed. The extracted amount of membrane fouling material significantly increased. Compared with cake layer, carbohydrate became the main factors of membrane fouling. However, it would not pose a hazard to membrane. Finally, the potential was enhanced for the practical application of MBR.

anaerobic baffled reactor；membrane bioreactor；domestic sewage；nutrient removal；intermittent aeration；particulate media

X703.1

A

1000-6923（2015）09-2658-06

2015-01-25

江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目（12KJA610002）；蘇州市環(huán)保科技項(xiàng)目（B20130502）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目；環(huán)境工程江蘇省重點(diǎn)專業(yè)類項(xiàng)目

*責(zé)任作者, 教授, ylshen@mail.usts.edu.cn

吳 鵬（1985-）,男,浙江金華人,講師,博士,主要研究方向?yàn)閺U水生物處理.發(fā)表論文15篇.