膜生物反应器处理低温生活污水的中试研究

关键词： 活性污泥

膜生物反应器 (MBR) 是由膜分离技术与传统生物处理技术相结合而形成的一种新型高效水处理技术, 它采用膜分离过程代替了传统活性污泥法的固液分离过程[1]。MBR工艺与传统的活性污泥法工艺相比具有处理效率高、出水水质好、占地面积小、易实现自动控制、运行管理简单等特点[2]。近来对于该工艺研究的热点主要趋向于膜污染的控制和节能降耗[3]。通过分析该工艺过程中的各种影响因素对于反应过程的影响, 来优化和量化MBR工艺。国内部分学者通过絮凝、PAC-活性污泥法等方式进行对于低温低浊水的研究, 取得了一定的科研成果, 而对于非正常条件下MBR工艺的运行情况及影响因素之间的相关关系的研究则相对较少。为此, 笔者考察了AO-MBR在较低温度 (5℃～15℃) 下的中试运行特性, 以期获得该工艺在低温下的优化操作条件。

1 实验设备与方法

1.1 实验设备

试验设备采用AO-MBR中试反应器, 反应器由西门子自动控制系统进行自动控制。反应器设计流量2m3/h, 水力停留时间7h, 缺氧池有效容积6m3, 好氧池有效容积8m3, 膜组件采用中空纤维超滤膜, 膜孔径0.01µm, 截留分子量1×105, 膜面积200m2, 膜组件安装在好氧池穿孔曝气管上方, 活性污泥通过气升作用达到完全混合, 同时高速上升的气液流形成的剪切力对于膜表面形成了良好的冲刷作用。反应器进出水以及回流混合液采用电子液体流量计进行计量, 同时采用真空压力表对于抽吸负压进行测量。

1.2 试验水质及试验方法

试验用水为生活污水, 水质指标, 见表1。

其中, TOC和TN采用日本岛津TOC-VCPH测定, COD和TP采用HACH DR2800水质分析仪测定。多糖的测定采用葱酮比色法, 蛋白质采用考马斯亮蓝染色法[4]。硝酸盐氮采用紫外分光光度法, 亚硝酸盐氮采用N- (1-萘基) -乙二胺光度法测定。

试验过程在5℃～15℃的低温条件下进行, 由于温度较低, 硝化菌和反硝化菌的活性受到抑制, 试验通过延长污水停留时间、降低污泥负荷、增加污泥回流量以及曝气量来分析低温下膜生物反应器对于低温环境条件的适应性能, 通过分析不同条件下的出水水质以及混合液、上清液的EPS等参数的变化情况得到最优运行条件。试验共分为三个阶段 (在图标中以G1、G2、G3表示) , 第一阶段为1月15日至2月1日期间, 中试运行条件为:进出水量2m3/h、混合液回流量为6m3/h、曝气量为35m3/h;第二阶段为2月2日至2月15日期间根据温度变化, 运行条件设置为:进出水量1m3/h、混合液回流量1m3/h、曝气量30m3/h;第三阶段为2月16日至3月5日, 运行条件为:进出水量1m3/h、混合液回流量4m3/h、曝气量25m3/h。试验过程中为了减缓膜污染, 自吸泵采用间歇方式运行 (抽吸10min, 停止2min) 。

2 结果与讨论

2.1 对COD和TOC的去除效果

1月15日至2月1日期间, 进水CO D为240mg/L～354mg/L、TOC为15.98mg/L～26.9mg/L, 由于气温低、混合液回流量较高等因素影响, 出水COD与第二、三阶段相比较高, 为38mg/L～74mg/L, 去除率为69%～87%, 而出水TOC则相对稳定。在试验的第二阶段, 进水COD有了大幅下降, 在对于中试装置的运行条件进行了调整后, COD和TOC的去除率有所提高, 出水COD和TO C分别为1 1m g/L～5 1m g/L、6 mg/L～10mg/L, 去除率分别为63%～92%、40%～60%。第三阶段的进水水质稳定, 适当提高了混合液的回流量, 出水水质也较稳定, 出水COD稳定在30mg/L以下, TOC的去除率有了大幅提高, 为47%～83%, 相关文献[5]也对这些变化给出了一定的解释。值得提出的是在2月11日左右, 由于气温有所升高, 反应器对于有机物的去除也维持在较高的水平, 说明温度对于生物法处理城市污水的影响还是比较大的。

与传统活性污泥法工艺相比, MBR工艺对于COD和TOC的去除还是具有很好的优势, 分析其原因[6]:虽然随温度的下降, 微生物的活性降低, 但是反应器中的污泥浓度高, 污泥的整体活性仍然较高;另外, 超滤膜的筛滤、吸附作用可截留部分溶解性高分子物质 (见图1、2) 。

2.2 对TN和氨氮的去除效果

试验的第一阶段, 水温低于7℃, 在低温下, 硝化菌反硝化菌的活性受到严重抑制, 在这一时期, 进水的总氮和氨氮浓度也较高, 分别为132mg/L～143mg/L、123.6mg/L～143mg/L, 从而导致出水的水质较差, 总氮和氨氮几乎未得到任何有效去除。在这种情况下进行了中试运行条件的调整, 降低了进出水量、混合液的回流量和曝气量, 延长水力停留时间, 降低反应器的污泥负荷, 同时由于生态楼这一时期用水量的增加, 原水水质有所改善, 各项水质参数均有所下降, 由图3和图4可见, 总氮和氨氮的去除率 (去除率最佳时分别为58%、96%) 有了大幅提高, 出水总氮和氨氮值趋于稳定, 但是对于水力负荷变化的适应性依然较差。中试设备在5～8月的常温条件下运行的总氮去除率为70%以上, 氨氮去除率稳定在95%以上, 可见, 在低温下, 由于微生物的生长受到抑制等因素的影响, 设备的脱氮能力受到了限制, 需要进一步研究适合低温条件的中试运行条件。在第三阶段, 进一步降低了曝气量, 提高了混合液回流量, 总氮和氨氮的去除率有了提高, 且趋于稳定, 可见与前两阶段的操作运行条件相比, 第三阶段的运行则较为合理 (见图3、4) 。

2.3 对TP的去除效果

如图5所示, 与对总氮和氨氮的去除情况类似, 在极低的温度下, 中试反应器对于总磷的去除效果也较差, 而对于总磷有限的去除主要为活性污泥的吸附和膜组件的截留作用, 与第一阶段相比, 中试运行条件进行了调整, 同时, 环境温度平均提高了2℃左右, 从而第二三阶段的总磷去除率有了一定程度的提高, 特别是第三阶段, 出水总磷的去除率较为稳定。在第二阶段的2月11日左右, 由于室外温度达到20℃左右, 中试系统内微生物的活性得到一定的恢复, 系统对于总磷的去除率达到60%以上, 该变化也再次证明了温度对于微生物系统的影响。就出水水质参数的去除率而言, 与其他研究成果[6]有一定差异, 分析其原因可知, 由于中试设备处于室外, 环境温度的变化较大, 昼夜温差可达到10℃以上, 这对于混合液中微生物的生长极为不利, 从而导致处理效果与其他研究的小试效果相比有一定的差距。

3 结语

(1) 极端温度条件下, MBR中试反应器的效率受到一定的影响, 但是通过调节运行条件可以使运行效率得到一定的恢复;

(2) 反应器对于COD和TOC的去除率在低温下与常规活性污泥法工艺相比仍然较高, 经过优化后出水COD在30mg/L以下, 对于TOC的去除率达到47%～83%。由于昼夜温差等温度因素的影响, 污泥活性受到抑制, 导致出水氨氮、总氮和总磷的去除率受到了影响。

摘要：膜生物处理器是一种新型高效的水处理技术。MBR工艺与传统的活性污泥法工艺相比优点显著。本文重点考察AO-MBR在较低温度 (5℃～15℃) 下的中试运行特性, 分析了低温条件对于膜生物反应器运行性能的影响, 研究该工艺在低温下的操作优化条件。

关键词：AO-MBR,膜生物处理器,低温

参考文献

[1] How Y.N G, Teck weetan, Say leong ong.Membrane Fouling of Submerged Membrane Bioreactors:Impact of Mean Cell Residence Time and the Contrib-uting Factors.Environ.Sci.Technol.2006, 40:2706～2713.

[2] Stephenson, T.Judd, S.Jefferson, B.Brindle, K.Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment;IWA publishing, London, 2000.

[3] Gauder, M.Jefferson, B.and Judd, S.Aerobic MBRs for domestic wastewa-ter treatment:a review with cost consideration.Separation and Purifi-cation Technology, 2000, 18:119～130.

[4] 李建武, 等.生物化学实验原理和方法[M].北京:北京大学出版社, 1994:.-t-.:131～132, 174～176.

[5] 水春雨, 侯世全.一体式膜生物反应器处理青藏铁路站区低温生活污水的试验研究[J].中国铁道科学, 2008, 29 (3) :133～136.

[6] 金建华, 刘建广, 孙书洪, 等.低温下一体式膜生物反应器处理城市污水研究[J].中国给水排水, 2008, 24 (17) :28～35.