复合式膜生物反应器处理城市污水最佳溶解氧试验分析*

李 泉，赵 明

（1.河南机电高等专科学校，河南 新乡 453000;2.中州大学实验管理中心，河南郑州 450044）

将常规的生物处理法与膜分离相结合，其意义不仅仅在于以膜分离取代二沉池，完全去除悬浮固体引起的污染物，还在于通过膜分离的作用，将二沉池无法截留的游离细菌和大分子有机物完全阻隔在反应池内。这必将改变常规生物处理中污染物的构成，使得大分子有机物和胶体明显上升，在短时间内促成专性微生物的积累。根据微生物生长模型理论，随着SRT(污泥龄)的增加，反应器中污泥浓度不断增加［1］，当污泥浓度增加到一定程度时，由于不能很好地供给微生物生长所需的物质和能量，微生物衰减率增加，死亡后的微生物会被降解，由于微生物的降解物中有一部分是难降解的残片和高分子物质，所以会使反应器的处理效果存在一定的波动性。

1 实验装置

本研究采用将多种污水处理工艺设计在极其简单的系统装置中，系统由复合反应区和好氧MBR(膜生物反应器)反应区组成。为了利于保持系统内混合液处于良好的紊动和悬浮状态，减小因剪切造成的污泥颗粒破解，提高曝气设备的充氧速率，经过综合比较，根据流体力学原理，自行设计，把反应器设计长方形。复合反应器内设有填料，为提高充氧效率和满足混合液所需的流态，复合反应器底部用穿孔曝气管进行曝气，有利于混合液旋转并防止死角，减小水头损失。微生物附着于填料表面和游移在废水中，除了具有降解有机物的作用以外，还同时具有促进系统反硝化的功能。为保证复合反应区内悬浮污泥量，通过回流泵将部分活性污泥回流至复合反应区。好氧MBR反应区是将中空纤维微滤膜直接放入反应器内，反应器底部安置了曝气器。反应器实际上兼具活性污泥法、生物膜法和膜分离三种处理过程。因此，该工艺是这三种处理方法的有效结合。

图1 复合式膜生物反应器工艺流程图

2 溶解氧的确定

DO对生物脱氮除磷微环境的形成有着直接的影响，生物反应器中主要存活的微生物都是好氧菌，因此生物反应器内维持一定的DO值，对于保证生物反应器的处理效果是至关重要［2］。但DO过高，必然要增加动力消耗，特别是在本反应器中，污泥浓度比较高，本来就需要较大供气量［3］。因此，在保证悬浮载体流动、满足供氧和水力剪切力要求的前提下，通过试验研究复合反应器中DO对各项污染指标去除效果的影响，从而确定合适的曝气量，对于节省系统运行费用，降低处理成本，具有非常重要意义。试验中采用两个带调节阀的转子流量计对复合反应区和膜分离区曝气量分别进行控制，为了研究方便，膜分离区曝气量控制在0.5m3/h保持不变，复合反应区的曝气量大小通过测定反应器内的DO来控制(取样时停止曝气，用溶解氧瓶立即从填料区的中间取样)，系统采用的运行条件为HRT(水力停留时间)为7小时，复合反应器内活性污泥浓度控制在7000mg/L，膜区污泥浓度控制在9000mg/L左右，pH值控制在7～8.5之间，水温约 20℃ 的情况下［4－6］，测定 DO 对有机物、NH3－N(氨氮)、TN(总氮)和 TP(总磷)去除效果的影响。

2.1 DO对CODcr(化学需氧量)去除效果的影响

复合膜反应器对有机物的去除来自两方面:一方面是反应器内附着生长和悬浮生长微生物的生物降解作用;另一方面是膜分离对污染物的截留［7，8］。为考察这两方面的作用，分别通过测定上清液(溢流液经滤纸过滤后的滤液)和膜出水水质来加以研究。DO对CODcr去除效果的影响如表1和图2。

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从图2可见，随着DO浓度的升高，总去除率和生物去除率均有增加的趋势，由于膜分离使污水中的难降解成分在体积有限的生物反应器中有足够的停留时间，即使在DO很低(0.5mg/L)的条件下，系统仍能获得非常可观的去除效果(生物去除率为81.39%，系统去除率为89.88%)，当DO≥2mg/L时，系统和生物去除率增长较为缓慢，系统去除率稳定在96%左右，由图2还可以看出，膜对总系统去除率的贡献随着DO的增大反而有所下降，这主要是由于曝气量越大对膜面产生的冲刷越强，从而膜表面的动态吸附层变薄，膜通过阻力降低，使更多的粒子得以通过引起的［9］。

2.2 DO对NH3－N去除效果的影响

DO对NH3－N去除效果的影响如表2和图3。

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图3 DO对NH3－N去除效果的影响

从图3可见，随着DO浓度的升高，生物去除率和总去除率均有增加的趋势，当DO为0.5mg/L时，反应器对的去除效果较差，生物去除率为54.11%，系统去除率为73.34%，出水均值为8.01mg/L，原因主要是系统中DO较低，微生物浓度较高，供氧不足，反应器内主要形成缺氧及厌氧环境，抑制了硝化菌的活性。当DO增加到1.5～2.0mg/L 时，生物去除率为75.03% ～91.17%，系统去除率为89.10% ～95.46%，说明反应器中硝化菌活性有所增强，硝化反应进行较为完全，当DO增加到2.5mg/L以上时，反应器生物平均去除率和系统平均去除率均可稳定可达到95%以上，系统出水基本稳定在0.74mg/L以下，说明反应器中硝化菌活性较强，硝化反应进行彻底。

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2.3 DO对TN去除效果的影响

DO对TN去除效果的影响如表3和图4。

从图4可见，随着DO浓度的升高，生物去除率和总去除率均有增加的趋势，当DO为0.5mg/L时，反应器的去除效果较差，生物去除率为35.18%，系统去除率为51.53%，出水均值为16.30mg/L，这是因为好氧硝化不充分影响了厌氧反硝化。当DO增加到1.5～2.0mg/L 时，生物去除率为 46.25% ～59.66%，系统去除率为61.22% ～72.30%，说明反应器中反硝化作用增强，当DO增加到2.5mg/L上时，反应器的生物平均去除率增加到64.42%，系统平均去除率稳定在75.44%左右，说明此时反应器内部的好氧和厌氧环境具有良好的比例，氧渗透进入污泥絮体和生物膜时呈递减的规律，有利于在其外部进行好氧硝化和内部的厌氧反硝化，所以在此时脱氮效果最好。但随着DO的继续升高，生物和系统去除率均出现不同程度的降低，原因在于当溶解氧达到3mg/L以上时，系统中主要是好氧环境，抑制了系统中反硝化作用，导致去除率下降［10］。

2.4 DO对TP去除效果的影响

DO对TP去除效果的影响如表4和图5。

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由图5可看出，随着DO的增加，系统对TP的去除先升高后有所降低，当DO为0.5mg/L时，反应器的去除效果较差，生物去除率为31.63%，系统去除率为45.86%，出水均值为2.2mg/L，原因主要是，在DO为0.5mg/L时，生物反应器中主要是缺氧或厌氧环境，聚磷菌在这种条件下主要是使其吸收的磷释放出来，或者说是聚磷菌失去了其吸磷的性质，导致系统除磷效率较低，在DO值为1.5～2.5 mg/L时，根据前面的分析，此时系统中存在好氧、缺氧和厌氧环境，达到了聚磷菌吸磷放磷的适宜条件，聚磷菌能积累较多的磷，在DO为2.5mg/L时，反应器的生物平均去除率和系统平均去除率均达到最高，分别为65.99%和74.46%。但随着DO的继续升高，反应器的生物和系统去除率均出现不同程度的降低，原因在于当溶解氧达到3mg/L以上时，系统中主要是好氧环境，系统中反硝化受到抑制。此时系统中有大量的硝酸盐和亚硝酸盐，从而影响了系统中聚磷菌的活性。

3 结论

综合脱氮除磷效果及经济因素，可以认为将DO控制在2.5mg/L左右为宜。此时反应器的系统总去除率为:CODcr≥96.5%、NH3－N≥97.55%、TN≥75.44%、TP≥74.46%，出水可以稳定保证在 CODcr≤13.5mg/L、NH3－ N≤0.74mg/L、TN≤9.01mg/L、TP≤1.07mg/L。

［1］顾国维编.膜生物反应器在污水处理中的研究和应用［M］.北京:化学工业出版社，2002.

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