序批分体式膜生物反应器脱氮除磷特性研究

摘要：采用序批分体式膜生物反应器处理模拟废水，考察了不同污泥负荷条件下系统对TN、TP的处理特性，并探讨了系统TN、TP容积负荷与去除速率间的相关性。结果表明，在0.22～0.63  kg COD/(kg MLSS˙d)污泥负荷范围内，系统TN、TP出水浓度均满足GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准(20  mg/L与1 mg/L)，其平均去除率分别为97.3%与96.8%，表明处理状况良好。在0.22～0.63 kg COD/(kg  MLSS˙d)污泥负荷范围内，系统TN、TP容积负荷与去除速率具有良好的相关性，在工程实践中有一定的指导意义。

关键词：序批分体式膜生物反应器;污泥负荷;去除速率

膜生物反应器(Membrane  Bioreactor，MBR)是将膜技术与生物处理技术相结合的一种水处理技术[1]。与传统活性污泥法相比，膜生物反应器的处理效率高，占地面积小，出水水质稳定，无污泥流失及污泥膨胀，受到人们的重视[2，3]，但高昂的膜造价成本与膜污染制约了膜生物反应器的大规模推广应用[4]。

目前，随经济的快速发展，水体富营养化问题日益严重，传统活性污泥法已无法满足氮、磷排放标准[5]。在此背景下，膜生物反应器在生物脱氮除磷领域备受关注。膜生物反应器通过膜对微生物的截留作用，在反应器内可维持较长污泥停留时间 (SRT)[6];同时，序批式的运行模式易在生物反应池内形成好氧、缺氧及厌氧等不同运行环境，有利于硝化、反硝化及除磷菌的生长[7]。此外，膜组件与生物反应池分置的分体式膜生物反应器，减轻了膜的污染，易于管理。综上所述，本研究采用序批分体式膜生物反应器处理模拟废水，考察系统对氮、磷等营养物质的处理特性，探讨系统氮、磷去除速率，为工艺优化与运行调控提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

如图1所示，试验装置由有机玻璃制造而成，主要由蓄水池、生物反应池与排水池构成。废水依次经蓄水池、生物反应池和排水池并最终排出。进入蓄水池的废水经初次沉淀后，在水位差的作用下流入生物反应池;在生物反应池进行生物降解后的处理水，在水位差的作用下流入排水池;处理水在排水池通过膜的过滤最终排出。生物反应池内设有曝气、搅拌装置及时间控制器，其有效容积为34  L。排水池内设有中空纤维帘式膜组件(5组)，膜购置于杭州凯宏膜技术有限公司，其主要材质为聚偏氟乙烯(PVDF)。每组膜面积为140 cm2(20 cm×7  cm)，截留孔径为0.4 μm。

1.2 试验材料

采用人工模拟废水，废水以葡萄糖为碳源，(NH4)2SO4与K2HPO4为氮源与磷源，外加CaCl2、FeSO4˙7H2O、MgSO4˙7H2O等部分微生物生长所需微量元素配制而成，此时，废水化学需氧量(COD)浓度为500  mg/L，根据不同试验要求调整其进水浓度。试验用污泥取自延吉市污水处理厂二沉池回流污泥。

1.3 试验方法

污染物生物降解主要在生物反应池内进行，而生物反应池结合生物脱氮除磷机理，采用曝气—搅拌—曝气相结合的序批式运行模式，具体操作如图2。序批式运行模式也减轻了系统对膜的污染，处理水在生物反应池内经沉淀后流入排水池，避免了污泥流入排水池，减轻了膜的负担。系统运行周期为12  h，日处理量为16 L。

试验以进水污泥负荷为变量，考察不同负荷条件下系统的生物脱氮除磷特性。污泥负荷从0.22依次调整到0.27、0.45、0.56、0.63 kg  COD/(kg  MLSS˙d)等不同负荷工况。水质分析参照国家环保局分析方法[8]，总氮(TN)、总磷(TP)、COD及混合液悬浮固体浓度(MLSS)分别采用过硫酸钾消解紫外分光光度法、过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法、重铬酸钾法与105  ℃干燥减重法。

2 结果与分析

2.1 TN处理效果

由图3可知，在0.22、0.27、0.45、0.56、0.63 kg COD/(kg  MLSS˙d)等不同污泥负荷工况下，TN平均出水浓度分别为0.95、1.36、1.33、1.74、2.95 mg/L，均低于一级B标准(20  mg/L)。在0.22～0.56 kg COD/(kg MLSS˙d)污泥负荷范围内，系统对TN的处理效果较为稳定，去除率变化幅度较小。但污泥负荷上升至0.63  kg COD/(kg  MLSS˙d)时，TN去除率相对有较大幅度下降。随污泥负荷的增加，系统中有机物量增多，硝化细菌在与异养型碳氧化细菌的竞争过程中处于劣势，生长繁殖受到抑制，故硝化作用减弱[9，10]，TN去除率也呈下降趋势。

整个运行期间，TN平均去除率为97.3%，系统对TN的去除状况良好。曝气—搅拌—曝气的序批式运行模式，为系统中硝化菌与反硝化菌的生长，以及生物脱氮过程中的好氧硝化与缺氧反硝化反应创造了良好的环境。同时，由于膜对微生物的截留作用，系统可维持较长的SRT，有利于生长速度缓慢的硝化菌的生长，故系统对TN的处理状况良好。

2.2 TP处理效果

由图4可知，在0.22、0.27、0.45、0.56、0.63 kg COD/(kg  MLSS˙d)不同污泥负荷工况下，TP平均出水浓度分别为0.64、0.28、0.22、0.43、0.45 mg/L，均低于一级B标准1  mg/L。在整个运行期间，0.22 kg COD/(kg  MLSS˙d)低污泥负荷条件下，系统对TP的去除率较低，为92.9%;而随污泥负荷的增加，在0.27～0.63 kg COD/(kg  MLSS˙d)污泥负荷范围内，系统对TP的处理效果逐渐趋于稳定，去除率变化幅度较小，在97.2%～98.1%范围内。据研究报道，硝酸盐对聚磷菌的厌氧释磷有抑制作用[11，12]。低污泥负荷条件下，硝化菌不受异养型碳氧化细菌影响而大量繁殖，硝化作用加强，而相反反硝化因碳源缺乏受到抑制，故在低污泥负荷环境下硝酸盐得到富集，厌氧释磷过程受到抑制[13]。

整个运行期间，TP平均去除率为96.8%，系统对TP的去除状况良好。曝气—搅拌—曝气的序批式运行模式为系统创造了良好厌氧释磷与好氧吸磷的生物除磷环境，故系统对TP的处理状况良好。

2.3 TN、TP容积负荷与去除速率的关系

在不同污泥负荷运行条件下，系统TN、TP容积负荷与TN、TP去除速率的关系见图5。在所有运行范围内，随TN、TP容积负荷的增加，系统TN、TP去除速率呈上升趋势。由图5、表1可得系统TN、TP容积负荷与TN、TP去除速率拟合结果可知，在17.7～40.1、4.3～11.1  g TN/(m3˙d)范围内，系统TN、TP容积负荷与去除速率具有很好的相关性。pH做为基本的污水指标，势必成为供求的热点，这对广大的E-1312 pH电极制造商，比如美国BroadleyJames来说是个重大利好。美国BroadleyJames做为老牌的E-1312 pH电极制造商，必将为中国的环保事业带来可观的经济效益。我们美国BroadleyJames生产的E-1312 pH电极经久耐用，质量可靠，测试准确，广泛应用于各级环保污水监测以及污水处理过程。

为进一步验证TN、TP拟合方程科学性，对系统TN、TP去除速率实测值与拟合方程预测值进行了比较，比较采用卡方(χ2)检验。结果表明，TN、TP的χ2值分别为0.003与0.006，χ2<χ20.05，4=9.49，p>0.05，实测值与预测值无显著差异，拟合方程可较好地对TN、TP去除速率进行预测，在工程中具有意义。但由于试验是在一定污泥负荷及TN、TP容积负荷条件下进行，故脱离此范围则拟合方程的预测值可能会与实测值出现一定偏差。

3 结论

1)0.22～0.63 kg COD/(kg  MLSS˙d)污泥负荷范围内，序批分体式膜生物反应器对TN的平均去除率为97.3%，对TP的平均去除率为96.8%，处理状况良好。且TN、TP出水浓度均达到GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准(TN  20 mg/L，TP 1 mg/L)。

2)试验结果表明，在17.7～40.1、4.3～11.1 g  TN/(m3˙d)范围内，系统TN、TP容积负荷(X)与TN、TP去除速率(Y)具有很好的相关性，其拟合结果分别为YTN=0.382 9+0.960  6XTN与YTP=-0.160 7+0.997  2XTP。通过对拟合方程验证发现，方程在一定负荷范围内，可较好地预测系统的TN、TP去除速率，在工程中具有一定意义。