膜生物反应器脱氮除碳环境的研究

宁桂兴,黄周满,吴 迪,王 凯,刘 宇,魏婧娟

(1.北京桑德环保集团有限公司研发中心,北京 101102;2.武汉科技大学中南分校生命科学院,武汉 430223)

目前国内城市垃圾填埋场的渗滤液处理工艺,多采用厌氧 -好氧生物处理方法。但据资料介绍,已建成的渗滤液污水处理场普遍存在运行效果差的现象[1,2]。其主要原因是常规工艺内工艺参数不适合复杂多变的渗滤液废水;渗滤液本身存在 C/N不协调的特点,采用一般的好氧活性污泥法处理工艺,污泥培养困难、污泥活性差。垃圾渗滤液不仅氨氮含量高,且多数情况下 C/N比均较低,含有极高浓度的氨氮 (500 mg/L以上,甚至达到几千mg/L)[3,4],水质成份极其复杂,处理难度大,采用常规的生物处理工艺往往无法达到满意的处理效果,而且由于游离氨氮的生物抑制作用或者成本等原因而使其应用受到限制。

复合膜生物反应器技术是将膜分离技术与传统的废水生物反应器有机组合形成的一种新型高效的污水处理系统,处理效率高,它可以大幅度提高生物反应器中混合液浓度,使泥龄增长、剩余污泥量减少、出水水质显著提高。而且对于难降解有机废水,由于膜生物反应器中泥龄长,富集了大量难降解有机物分解菌和硝化菌等增殖速度慢的微生物,从而大幅提高了难降解有机物的去除率[5～7]。特别在处理垃圾渗滤液中高浓度氨氮废水方面已得到较多的应用[8]。目前采用MBR工艺处理城市垃圾填埋场渗滤液的研究正在国内逐渐开展[9],但如何控制系统脱氨除碳环境成为研究的重要部分。因此采用系统研究脱氨除碳的环境条件以及变化过程将对工程建设和实施有重要的意义。

1 试验材料与方法

1.1 原水水质

试验用水取自某城市生活垃圾填埋场调节池内垃圾渗滤液,现场试验,每天定时取水。调节池内水质参数如表1所示。

表1 进水水质Tab.1 Quality of influent liquid

1.2 试验装置与设计

1.2.1 试验装置

试验装置如图 1所示。反应装置由进水区、A区、O区组成,反应器为 U-PVC材质。A区有效容积为 46.8 L;O区有效容积为 117L。O区内置 1片 PVDF中空纤维超滤膜,每片膜有效过滤面积为1m2,膜组件尺寸：a×b×c(mm)=300×210×450,纤维内外径 0.6/1.1(mm),膜孔径 0.1μm。

1.2.2 试验设计

(1)试验进水 2L/h,A区采用变频搅拌器强化了水流紊动性,以更好的保持缺氧状态,有效防止污泥淤积;O区采用微孔曝气方式提高氧向水中的转移速率,强化传质效果,保证反应器内有足够的溶解氧。

(2)中空纤维膜浸没 O池,运行方式是抽吸8min,停 2min;O区底部设有曝气装置,主要为生化系统提供充足的氧气和持续不断的冲刷膜表面减缓膜的污染。

(3)系统在开放环境下运行,环境温度 20℃～25℃。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic of experimental apparatus

1.3 检测方法

表2 试验分析指标及方法Tab.2 Indexes and methods of analyzation

2 试验结果与分析

2.1 MLSS对NH3-N,CODCr去除效果影响

2.1.1 启动阶段

接种污泥取自垃圾渗滤液处理站曝气池,其MLSS为 3000mg/L,与自来水混合后反应器内MLSS为 2000 mg/L。在启动初期先闷曝 3d,然后采用低负荷进出水,保持DO在 2～4 mg/L开始驯化。经过 40多天驯化,污泥基本成熟,MLSS= 3000mg/L,镜检发现污泥内有大量的菌胶菌和纤毛类原生动物,如钟虫,等枝虫、盖纤虫等、微生物丰富活跃,如图 2、图 3所示。

随着时间的推移,污泥浓度和污泥沉降比逐渐增长,稳定。如图 4、图 5所示,结果表明试验阶段 SV30稳定控制在12%～20%,NH3-N和CODCr的去除率随着污泥浓度的变化共分为 2个阶段：(1) NH3-N(1～15d)和 CODCr(1～30d)的去除率随污泥浓度的增长而逐渐升高;(2)NH3-N(15～44d)随污泥浓度增长,氨氮去除率保持稳定;而 CODCr(30～44d)去除率变化趋于平缓。

图2 启动阶段污泥浓度变化Fig.2 Change ofMLSS in the starting stage

特有的复合膜生物反应器系统,不仅具有高效的过滤精度,而且能够把截留下来的污泥回流到硝化池,提高污泥浓度,增加硝化菌数量。初始阶段污泥浓度 2500mg/L,氨氮负荷为 0.065～0.098 gN/g MLSS·d,此时氨氮去除效率仅 80%;随着污泥浓度增加,CODCr负荷 0.13～0.16 gCODCr/ g MLSS·d,此时去除率仅 46%～60%,主要是由于驯化后的生化系统处于初始阶段,微生物对于复杂多变的垃圾渗滤液没有形成较强的抗冲击能力;随着污泥浓度增长到 2600～3000mg/L,生化系统抗冲击能力增强,进水NH3-N和CODCr浓度逐渐增加,而氨氮去除效果明显上升,氨氮负荷 0.082～0.109gN/g MLSS·d,稳定在 95%～98%;CODCr负荷 0.136～0.192 kgCODCr/kg MLSS·d,CODCr去除率也逐渐升高到60%～70%。

2.1.2 稳定阶段

随着膜生物反应器运行稳定,生物系统抗冲击负荷能力提高,pH值变化稳定在O池pH值7.5～8.0,A池 pH值 8.0～8.6;溶解氧 O池维持 2～4mg/L,A池溶解氧 ＜0.5mg/L,进水碱度 3500～4000mg/L,A池碱度 1000～1500mg/L,曝气池碱度 500～1000mg/L,曝气池 HRT 50～60h,良好的环境条件是保证生化反应充分进行的必要条件。进水氨氮浓度升高达 600～800mg/L,膜出水 5～10mg/L,氨氮去除效率稳定在 95%以上。试验研究结果表明：CODCr/NH3-N比仅 1∶1的情况下,能够使氨氮高效的发生硝化反应,超滤膜良好的截留作用使世代时间长的硝化菌能在最短的时间富集并成为反应器中的优势菌种,从而缩短了 HRT,才使氨氮得以充分进行硝化反应,因此生物反应器内形成丰富的种群空间分布,保持氨氮高效的去除率达95%以上,如图6。

图6 稳定阶段NH3-N处理效果变化Fig.6 Treating effect ofNH3-N in steady stage

CODCr的去除效果随生物系统的稳定而逐渐趋于稳定。由图 7可以表明进水 CODCr范围 1000～1400mg/L,生物系统上清液出水的 CODCr随着系统稳定,去除效率逐渐稳定,最佳处理效率维持60%～80%。随着进水水质恶化,生化去除效率稍有下降,由于超滤膜较强的截留作用,工艺总的去除效率维持 70%,主要是由于小于 100KDA和大于 100KDA难降解的物质分别透过膜出水和被膜截留回曝气池。总去除效率高低主要决定于透过膜的难降解物质小分子物质,生化效果增强时,小于100KDA难降解物质降解完全,生成小分子难降解的物质减少,透过超滤膜小分子物质减少,总体去除效果增强。

图7 稳定阶段CODCr处理效果变化Fig.7 Treating effect of CODCrin steady stage

2.2 DO对NH3-N和 CODCr去除效果影响

生化系统耗氧量变化主要分为 3个阶段：(1)异养菌消耗氧,分解废水中有机物质,当难降解物质增多或可降解物质分解完全后,异养菌停止耗氧;(2)自养菌消耗氧,完成硝化反应;(3)自养菌、异养菌内源呼吸的耗氧速率与供氧速率相等时,DO浓度就又表现出新的平衡。硝化池硝化反应主要是自养菌消耗氧气完成脱氨过程,异氧菌消耗水中氧,完成脱碳过程。

试验结果如图 8、图 9所示,DO的变化影响化学需氧量和氨氮浓度的变化。进水的 CODCr逐渐呈现下降——上升——平稳的趋势,NH3-N呈现下降——平稳——上升的趋势,出水 CODCr呈现下降——上升——平稳,NH3-N呈现升高——下降——平稳趋势。主要是由于初始阶段异养菌与自养菌的竞生关系起主要作用,NH3-N的出水稍微升高,膜生物反应器的高效截留,促使污泥浓度逐渐增长和污泥浓度的成熟,世代硝化菌增多,增强了硝化反应;CODCr去除效果主要是进水和膜生物反应器生化污泥的活性决定的,随着污泥的活性增强, CODCr的去除效果逐渐趋于平稳;DO变化影响生化效果,主要经过升高、下降、平稳 3个阶段。(1)DO的升高阶段 (3.5～4.5mg/L),主要是由于进水的CODCr(800～1000mg/L)下降,使自养菌得到充分氧,完成硝化反应,脱氨的效率 (80%～90%)明显上升;(2)DO下降阶段 (2.0～3.5mg/L),原垃圾渗滤液 CODCr(1000～1400mg/L)增加导致硝化池 DO下降,但脱氨的效率保持 95%～98%范围,主要是由于出水 CODCr升高,污泥浓度的提高使得硝化菌富集,成为优势菌种,维持高效脱氨效率;(3)DO平缓阶段 (1.7～3.0mg/L),进水 CODCr(1000～1400mg/L)升高,硝化池 CODCr增幅加大,氨氮去除效率(90%～95%)下降,主要是难降解的物质积累,抑制硝化菌硝化速率造成的。

图8 NH3-N去除效果随DO的变化Fig.8 Removal ofNH3-N changingwith DO

图9 CODCr去除效果随DO变化Fig.9 Removal of CODCrcr changingwith DO

3 结 论

3.1 采用膜生物反应器处理填埋场垃圾渗滤液,对NH3-N去除率 95%以上,CODCr去除率 60%～70%;主要是由于膜生物反应器大量截留并使世代时间长的硝化菌能在最短的时间富集成为优势菌种,但较低的 C/N抑制了反硝化反应的彻底性。

3.2 试验结果表明 CODCr负荷 0.136～0.192gCODCr/g MLSS· d,氨氮负荷 0.082～0.109gNH3-N/g MLSS·d,DO 2.0～3.5mg/L条件下,膜生物反应器对垃圾渗滤液中 CODCr和NH3-N有高效的去除效率。

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[8] Yu-Dong Xu,Dong-Bei Yue,Yi Zhu,et al.Fractionation of dissolved organic matter in mature landfill leachate and its recycling by ultrafiltration and evaporation combined processes[J].Chemosphere,2006,64：903-911.

[9] 张宏忠,松全元,王淀佐.垃圾渗滤液膜处理技术[J].膜科学与技术,2004,24(5)：69-72.