DO对膜曝气生物反应器同步除碳脱氮的影响

董文艺，甘光华，王宏杰，张仲玲

(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院，518055广东深圳，dwy1967@yahoo.com.cn; 2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，150090哈尔滨)

膜曝气生物反应器(membrane aerated bioreactor，MABR)是针对传统膜分离生物反应器存在的氧利用率低、能耗大等缺陷而开发出来的一种新型污水处理工艺，该工艺采用透气性膜对生物反应器进行无泡充氧，可以大大提高氧利用率和降低能耗［1-3］.在MABR中，当采用的透气膜组件的比表面积较大时，不仅可以起到很好的曝气效果，同时也为微生物的附着提供了良好的载体，因此透气膜表面能迅速形成生物膜(membrane aerated biofilm，MAB)［4］.与传统生物膜中的基质扩散不同，在MABR中，由于透气膜的双重作用，氧将于生物膜的内侧(靠近载体即透气膜)向外侧(靠近混合液)扩散，而有机底物将由生物膜的外侧向内侧扩散，如能妥善控制供氧量，生物膜内可同时形成高氧低碳和低氧高碳区域［5］，因而有利于硝化菌与反硝化菌的共存，使得MABR不仅能够有效去除有机物和氨氮，而且还可进行反硝化去除硝态氮，达到同步除碳脱氮的目的［6-7］. MABR的供氧量对于同步除碳脱氮有较大的影响，供氧量通过混合液DO质量浓度来间接反应.控制DO可以优化除碳脱氮，提高出水水质.目前，国内外对于MABR的同步除碳脱氮已有较多的研究:Hibiya K等［8］研究了MABR中的同步硝化与反硝化作用;Matsumoto S等［9］通过建立MAB模型考察了MABR同步除碳脱氮的最佳碳氮比及生物膜厚度.其他一些研究者也探讨了MABR同步除碳脱氮的效果［10-11］，但 DO对MABR同步除碳脱氮的影响尚未得到系统研究.为此，本文采用聚丙烯中空纤维膜MABR，考察了混合液DO对模拟废水同步除碳脱氮的影响，以期获得最佳DO值.

1 实验

1.1 实验装置

实验装置如图1所示.人工配制的模拟生活污水贮存在高位水箱1中，依靠重力自流到平衡水箱2，由浮球阀4控制其液位.平衡水箱中的原水经虹吸进入MABR反应器3.反应器有效容积8 L，水力停留时间8 h，内置中空纤维膜组件6进行曝气充氧.气源为高压氧气瓶7提供质量分数为99.9%的氧气，经过减压阀8后输送给膜组件.采用气体流量计9控制曝气量，同时调节膜腔内气压，气压值由气压表10计量.MABR混合液DO质量浓度采用DO仪13同步监测.为使进水混合均匀，同时强化混合液中DO的均匀分布，在反应器底部放置潜水泵5强化混合液流动搅拌.反应器内的混合液由恒流泵11抽吸至沉淀槽12，沉淀后溢流排出.

图1 实验装置

1.2 实验材料

实验用的膜材料为亲水性聚丙烯中空纤维膜(PP)，膜丝内径约0.36 mm，外径0.40 mm，膜孔径为0.1～0.2 μm，开孔率40%～50%，膜面积为0.1 m2.实验原水为人工配水，由葡萄糖、淀粉、蛋白胨、氯化铵、磷酸氢二钾、氯化钙、氯化铁及硫酸镁配制而成，并加入碳酸氢钠调节pH值.配置的原水 COD约为370 mg/L，TN质量分数约为36 mg/L-N质量分数约为34 mg/L，pH值为7.0～7.5.实验用的污泥取自深圳市某污水处理厂脱水机房，并利用SBR反应器驯化.

1.3 检测方法

1.4 实验过程

MABR启动时，采用间歇运行方式进行挂膜，先按3 000 mg/L的污泥量向反应器内投加驯化后的污泥，并加入一定量的人工配水，使反应器内的初始COD为300～500 mg/L.开启潜水泵搅拌混合，24 h后停止搅拌，静沉后将上清液排空，重新加入人工配水重复上述过程，2 d后观察到反应器内的大部分污泥已附着在膜组件上，混合液中的污泥含量较低(SS质量浓度＜100 mg/L)，于是开始连续进水.整个挂膜过程，混合液DO质量浓度控制在4 mg/L左右.

MABR连续运行时，保持混合液DO质量浓度为4 mg/L，运行一段时间，待其对污染物的去除趋于稳定后，开始考察DO质量浓度分别为(4±0.2)mg/L、(2±0.2)mg/L、(0.5± 0.2)mg/L和(0.1±0.1)mg/L时，MABR对污染物的去除效果.整个实验期间，膜表面COD及TN负荷分别控制在3.7 g·m2·h-1(以COD计)和0.36 g·m2·h-1(以TN计)左右，反应器稳定运行80 d，对于不同的DO条件，各运行20 d.

1.5 膜腔内气压的变化

MABR混合液DO含量的变化可通过调节膜腔内气压的大小来实现［12-13］;对于同一DO条件，亦可通过调节膜腔内气压的大小使得混合液DO质量浓度维持在相对稳定的状态.本实验过程中，随着运行时间的延长，反应器内生物量逐渐增加(系统不排泥)，为使混合液DO质量浓度在连续20 d的时间内维持在相对恒定的状态，需要相应地提高膜腔内气压.不同DO条件下的膜腔内气压值见表1.

表1 不同DO条件下的膜腔内气压

2 结果与讨论

2.1 DO质量浓度对COD去除效果的影响

不同DO条件下，MABR对COD的去除效果如图2所示.可以看出，当混合液DO质量浓度分别为4 mg/L和2 mg/L左右时，MABR对于COD具有非常好的去除效果，出水COD分别维持在25 mg/L和40 mg/L左右，去除率分别为93.4%和88.8%;当混合液DO质量浓度降至0.5 mg/L时，COD去除效果下降，出水 COD平均为76.4 mg/L，去除率约为80%;当DO质量浓度降至0.1 mg/L时，MABR出水COD迅速上升，质量浓度为150 mg/L左右，去除率降低至60%.

图2 DO质量浓度对COD去除的影响

可见，混合液DO质量浓度为0.5 mg/L时，MABR对COD去除已经达到较好的效果，提高DO质量浓度可以相应提高COD去除率，但经济性欠佳，DO质量浓度分别提高到2 mg/L和4 mg/L时，COD去除率仅分别提高了8.8%和13.4%;而传统活性污泥法或生物膜法工艺中，混合液的DO质量浓度一般需控制在2 mg/L以上才能对COD有较好的去除效果［14-16］.其差别主要在于供氧方式的不同.对于MABR，当混合液DO质量浓度高于0.5 mg/L时，混合液SS质量浓度均低于100 mg/L，此时微生物大部分附着于膜丝表面，形成生物膜;而当混合液DO质量浓度在0.1 mg/L左右时，虽然混合液SS含量有所增加，但由于混合液中DO质量浓度较低，此时混合液中的活性污泥对污染物的去除作用仍然有限.因此，MABR中污染物的去除主要依靠附着在透气膜上的生物膜，氧从生物膜的内侧(靠近透气膜一侧)向外侧(靠近混合液一侧)传递，尽管混合液中DO质量浓度较低，但生长在生物膜中间层的异养氧化菌仍可获得较充足的氧进行异养氧化反应，因此COD去除效果较好;而在传统活性污泥法或生物膜法工艺中，氧是由菌胶团或生物膜的外侧(靠近混合液一侧)向内侧传递的，混合液DO质量浓度需控制在较高的水平，才能使异养氧化菌获得充足的氧来完成COD的降解.

2.2 DO质量浓度对－N去除效果的影响

图3 DO质量分数对－N去除的影响

2.3 DO质量浓度对TN去除效果的影响

不同DO条件下，MABR对TN的去除效果如图4所示.

可以看出，在不同的DO质量浓度下，MABR出水TN质量浓度出现了较大的波动.当混合液DO质量浓度为4 mg/L时，MABR对TN的去除甚微，去除率仅有10%左右;将DO质量浓度降至2 mg/L，TN的去除率升高到24%，出水TN质量浓度仍较高，平均约为26 mg/L;当DO质量浓度降至0.5 mg/L时，MABR对TN的去除效果明显，平均去除率为66.5%，出水TN质量浓度仅为12 mg/L左右;当DO质量浓度为0.1 mg/L时，出水TN质量浓度又升至19 mg/L，去除率降至46.8%.

图4 DO质量浓度对TN去除的影响

MABR中，TN的去除是同步硝化与反硝化的结果，由于硝化作用是在好氧条件下完成，反硝化作用在缺氧条件下完成，因此，DO质量浓度对于TN的去除影响很大.对不同DO质量浓度下出水中TN的各组分进行分析，可得表2所示结果(表中各形态N质量浓度均为试验期间的平均值).

由表2可知，在不同的DO条件下，MABR出水TN中各种形态氮的含量存在较大的差别.当DO质量浓度为4 mg/L和2 mg/L时，出水中氮以-N为主，同时含有少量的-N和-N，此时反应器硝化作用较强，但反硝化环境不易形成，TN的去除效果不佳.当DO质量浓度降至0.5 mg/L时，生物膜外层处于低氧环境，反硝化菌的数量开始增多，反硝化作用增强，此时反应器仍有较强的硝化作用(出水-N质量浓度低)，因此TN去除效果好.当DO质量浓度为0.1 mg/L时，出水中-N质量浓度非常低，反硝化作用较彻底，但硝化作用逐渐减弱(出水-N浓度升高)，对TN的去除效果变差.

表2 原水和不同DO质量浓度下MABR出水中各形态氮的含量 mg/L

在参考了表2所示的结果及文献［7，9］中关于MABR生物膜的分层和基质分布的阐述的基础上，示意了本实验中不同 DO质量浓度下，MABR生物膜的分层及基质的分布情况.如图5所示，在不同DO条件下，MABR生物膜上基质分布规律基本一致，DO及-N质量浓度均由生物膜内侧向外侧逐渐降低，而COD和-N的质量浓度由生物膜外侧向内侧逐渐降低.但由于DO含量的变化，导致生物膜上的分层现象及污染物的含量有所差别.当混合液DO质量浓度为4 mg/L和2 mg/L左右时，生物膜外侧的DO质量浓度已达到较高值，COD在生物膜外侧得到了有效的去除，从而在生物膜内侧形成了较大区域的高氧低碳环境，有利于硝化菌的生存，因此反应器对COD和-N有很好的去除效果.但由于缺氧区及厌氧区的缺乏，难以实现反硝化作用，此时TN的去除主要依靠微生物的同化作用，效果不佳.

图5 不同DO条件下生物膜及基质的分布

当混合液中DO质量浓度降至0.5 mg/L时，生物膜外侧的DO降低，使异养氧化层向生物膜内侧靠近，硝化层有所压缩，导致出水的-N含量略有上升.但由于生物膜外侧缺氧区域的存在，同时在该区域存在较高的COD和由生物膜内侧扩散至此的-N，有利于进行反硝化作用.因此，此时MABR虽然对COD和-N的去除效果略有下降，但对TN的去除率显著上升.

当混合液中DO质量浓度降至0.1 mg/L时，生物膜外侧的缺氧厌氧区域进一步加大，异养氧化层逐渐向生物膜内侧迁移，硝化层进一步压缩，导致COD和-N的去除效果显著下降.生物膜外侧的缺氧厌氧区域的增加，使反应器能达到很好的反硝化效果，出水TN中以-N为主.

2.4 DO质量浓度对出水SS含量的影响

图6显示的是不同DO条件下，MABR出水SS含量的变化情况.

图6 不同DO条件下出水SS质量浓度的变化

从图6中可看出，当混合液DO质量浓度分别为4 mg/L和2 mg/L时，MABR出水SS质量浓度均较低，沉淀前维持在35 mg/L左右，经过沉淀后，出水SS质量浓度降到5 mg/L左右.将DO质量浓度降至0.5 mg/L时，出水SS含量有所升高，沉淀前平均为 84 mg/L左右，沉淀后约为14 mg/L.当DO质量浓度将至0.1 mg/L时，出水SS含量急剧上升，沉淀前最高达到了781 mg/L，沉淀后达107 mg/L.通过观察发现，在DO质量浓度为0.1 mg/L的20 d的运行时间内，附着在膜组件上的污泥量明显比前60 d少，混合液较浑浊，这主要是由于厌氧状态下，外层生物膜逐渐脱落至混合液中，造成了出水SS含量偏高、附着在膜组件上的污泥量减少，同时也导致污染物的去除效果下降.

3 结论

1)通过考察不同DO质量浓度下MABR对模拟生活污水的处理效果，确定了较优的DO条件，以达到同步除碳脱氮的效果.当混合液DO质量浓度高于2 mg/L时，MABR对COD和具有很好的去除效果，COD和-N去除率分别高于88.8%和94.5%，但对于TN的去除效果较差，去除率低于24%.

2)当混合液DO质量浓度为0.5mg/L左右时，MABR具有很好的同步除碳脱氮效果，COD、-N和TN的去除率分别为80%、86.4%和66.5%.

3)当混合液DO质量浓度降为0.1 mg/L左右时，MABR对COD、-N及TN的去除率均降低，分别为60%、57.4%和46.8%，此时出水SS含量大幅度上升，水质逐渐恶化.

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