污泥停留时间对SMBR净化受污染水源水的影响

田家宇，徐勇鹏，张 艳，潘志辉，韩正双，李圭白

(哈尔滨工业大学市政环境工程学院城市水资源与水环境国家重点实验室，150090哈尔滨，tjy800112@163．com)

污泥停留时间对SMBR净化受污染水源水的影响

田家宇，徐勇鹏，张 艳，潘志辉，韩正双，李圭白

(哈尔滨工业大学市政环境工程学院城市水资源与水环境国家重点实验室，150090哈尔滨，tjy800112@163．com)

为考察用于饮用水处理的浸没式膜生物反应器(SMBR)中适宜的污泥停留时间(SRT)，在平行运行的条件下对比研究了80 d和20 d两种SRT下SMBR净化受污染水源水的效能．结果表明，在80 d的SRT下，SMBR对DOC、UV254、TOC、CODMn的去除率分别为 19.6%、13.4%、27.7%和30.7%;而当 SRT为 20 d时，SMBR的平均去除率为21.2%、13.2%、29.2%和32.7%，去除能力基本相同．此外，80 d和20 d两种SRT下SMBR对NH3－N的去除率均高于96%．而采用20 d的SRT时，SMBR的跨膜压增长速率略低于80 d的情况．可见，将SRT由80 d缩短至20 d，不仅不会对SMBR净化受污染水源水的效能产生影响，还有助于减缓膜污染．这样，就可以考虑在SMBR中直接投加粉末炭以强化对有机物的去除，并及时排泥，使反应器中的污泥浓度维持在适宜的范围内．

膜生物反应器;污泥停留时间;受污染水源水;粉末炭

浸没式膜生物反应器(SMBR)将膜滤作用［1］和生物降解作用有机结合，是一项新型高效的水处理技术，在污水处理中得到广泛研究和应用［1－2］．在饮用水处理中，SMBR 一般置于混凝沉淀之后，由于进水浊度低，SMBR可保持较长的污泥停留时间(SRT，50～100 d，甚至更长)．研究结果表明［3］，在80 d的 SRT下，SMBR 能够强化去除受污染水源水中的氨氮、亚硝酸盐氮以及颗粒性物质．然而，由于地表水源中的有机物可生化性较差，加之用于饮用水处理的SMBR水力停留时间较短，SMBR对有机物的去除能力较低［4］．于是，不少学者将粉末炭(PAC)吸附与SMBR组合，在SMBR中连续或定期投加PAC，以强化对有机污染物的去除［5－7］．为了使反应器内的污泥浓度不致过高，保持在适宜的范围内，须及时进行排泥．而过频的排泥势必会缩短SMBR中污泥的停留时间，影响微生物群落的生长与繁殖．因此，确定SMBR中适宜的污泥停留时间具有重要意义，在适宜的SRT下，既可最大限度地投加PAC强化去除有机物，又不致影响SMBR中微生物对氨氮、亚硝酸盐氮的生物降解．

本实验在平行运行的条件下，对比研究了80 d和20 d两种SRT下SMBR净化受污染水源水的效能，考察了SRT对SMBR的影响，以期为饮用水处理中SMBR组合工艺的进一步研究和工程应用提供基础．

1 实验

1.1 实验装置

试验装置见图 1，主要由两组平行的SMBR组成．其中的膜组件为束状中空纤维超滤膜，由海南立升净水科技实业有限公司提供，聚氯乙烯(PVC)材质，膜孔径0.01 μm，膜面积0.4 m2．反应器有效容积为2.0 L，原水通过恒位水箱进入到SMBR的反应器，出水通过抽吸泵直接由膜组件抽出．跨膜压力(TMP)由设置在膜组件和抽吸泵之间的真空表进行监测．空气泵连续向反应器内曝气以提供溶解氧、进行搅拌混合并清洗膜丝表面．

1.2 运行条件

本试验中膜通量控制在10 L/(m2·h)，相应的水力停留时间(HRT)为0.5 h．运行方式为抽吸8 min、停抽2 min．空气泵连续向反应器内曝气，气水比为 20∶1．

本试验开始之前，两组SMBR已经稳定运行数月，SRT均为80 d．本试验中，一组 SMBR的SRT仍维持在80 d，另一组则采用较短的SRT:20 d，对比研究SRT对SMBR处理受污染水源水效能的影响．SMBR的污泥停留时间通过排放反应器内的混合液进行控制．

1.3 受污染原水

通过以下方式模拟受污染原水:按30∶1的比例将当地(哈尔滨)自来水与生活污水混合，同时加入1 mg/L的腐殖酸;并投加氯化铵(NH4Cl)将氨氮浓度维持在3～4 mg/L．该模拟水源水先在室温下稳定2 d后再供给两组SMBR使用．

1.4 分析方法

本实验中，水中溶解性有机物以溶解性有机碳(DOC)和254 nm下的紫外吸光度(UV254)表示;总体有机物以总有机碳(TOC)和高锰酸钾指数(CODMn)表示．对于溶解性有机物，水样首先经0.45 μm滤膜过滤后，再进行测定．

图1 试验装置示意图

2 结果与讨论

2.1 SRT对溶解性有机物去除效能的影响

如图2(a)所示，试验期间原水中的DOC质量浓度平均为(5.959±0.287)mg/L．当SRT为80 d时，SMBR的出水质量浓度为(4.782±0.268)mg/L，平均去除率为(19.6±5.9)%;当SRT为20 d时，SMBR的出水质量浓度为(4.687±0.497)mg/L，平均去除率为(21.2±8.5)%．

不同SRT下SMBR对另一个溶解性有机污染指标UV254的去除情况如图2(b)所示．可见，当SRT为80 d时，SMBR将进水中的 UV254由(0.074±0.004)cm－1降至(0.064 ±0.003)cm－1，平均去除率为(13.4±4.2)%;而当SRT为20 d时，SMBR出水中的UV254平均也为(0.064±0.003)cm－1，平均去除率为(13.2±4.0)%．

80 d和20 d这两种不同的SRT对SMBR去除水源水中溶解性有机物的能力几乎不产生影响．原因可能如下:当采用较长的污泥停留时间时，反应器内可以产生并积累一定量的慢速生长微生物，这些微生物能够降解水中的某些通常情况下难于生物降解的有机物;而采用较短的污泥停留时间时，水中的难生物降解有机物被膜及其表面污泥层截留于反应器中［8］，可通过污泥排放而及时排出反应器．结果造成不同的污泥停留时间下两组SMBR对水中溶解性有机物的去除效能基本相同．

图2 SRT对SMBR去除DOC、UV254效能的影响

2.2 SRT对总体有机物去除效能的影响

不同污泥停留时间下SMBR对水中总体有机物的去除情况如图3所示．试验期间原水中TOC和CODMn的质量浓度分别为(6.646±0.456)mg/L和(4.25±0.54)mg/L．SRT为80 d时，SMBR 出水中的质量浓度平均为(4.782±0.268)mg/L和(2.92±0.41)mg/L，平均去除率分别是(27.7±6.8)%和(30.7±10.2)%;当SRT为20 d时，SMBR出水中TOC和CODMn的质量浓度分别为(4.687±0.497)mg/L和(2.84±0.39)mg/L，平均去除率为(29.2±8.6)%和(32.7±8.4)%．

可见，与对溶解性有机物的去除情况类似，在80 d和20 d两种SRT下，SMBR对水中总体有机物的去除能力基本相同．水中的总体有机物大体上可以分为颗粒性有机物和溶解性有机物两类．对于颗粒性有机物，无论SRT是80 d还是20 d，SMBR中的超滤膜都可以有效地将其截留于反应器中，通过生物降解或污泥排放将其去除．而对于溶解性有机物，由2.1中的讨论可知，SMBR对其的去除能力也几乎不受SRT的影响．因此，80 d和20 d两种污泥停留时间下SMBR对水中总体有机物表现出几乎相同的去除能力．

图3 SRT对SMBR除TOC、CODMn效能的影响

2.3 SRT对NH3－N、NO2－－N去除效能的影响

试验期间水源水中的NH3－N和NO2－－N质量浓度分别为(3.66±0.41)mg/L和(0.084±0.094)mg/L．如图4所示，80 d和20 d两种SRT下SMBR对氨氮的去除效率均高于96%，在将近一个月的运行时间内，出水中平均NH3－N质量浓度低于0.15 mg/L．当SRT为80 d时，SMBR对NO2－－N的去除效率为(86.4±18.2)%，出水中NO2－－N质量浓度为(0.007±0.009)mg/L;SRT为20 d时，对NO2－－N的去除率为(75.7±31.0)%，出水平均质量浓度为(0.011±0.011)mg/L．

可以看出，80 d和20 d两种污泥停留时间下SMBR均保持了对氨氮和亚硝酸盐氮优良的去除效能．虽然硝化细菌的世代时间较长(亚硝酸菌为8～36 h，硝酸菌为12～59 h)，属慢速生长细菌，但20 d的污泥停留时间也足以使其维持一定的生物量，加之反应器内溶解氧充足(平均7 mg/L以上)，可以满足净化受污染水源水中NH3－N和NO2－－N的要求．

2.4SRT对SMBR中TMP增长的影响

如图5所示，80 d和20 d两种污泥停留时间下两组SMBR中超滤膜跨膜压增长趋势基本相同．两组 SMBR的初始 TMP均为16 kPa，经过28 d的运行，SRT为80 d的SMBR中超滤膜TMP增长至33 kPa;而SRT为20 d的SMBR增长至30 kPa，略低于SRT为80 d的情况．已有文献表明［9－11］，膜生物反应器中多糖、蛋白质等微生物代谢产物是造成膜污染的主要物质．当采用短污泥停留时间时，截留于反应器中的微生物代谢产物可及时排放至反应器外，因而膜污染势较小;而较长的污泥停留时间会造成膜污染物质在反应器中的积累，因而TMP略高．

图4 SRT对SMBR除NH3－N、NO2－－N效能的影响

图5 SRT对SMBR中TMP增长的影响

3 结论

1)将污泥停留时间由80 d缩短至20 d，不仅不会对SMBR去除受污染水源水中有机物、氨氮、亚硝酸盐氮的效能产生影响，而且还有助于减缓SMBR中超滤膜的污染．

2)在实践中，可考虑采用较短的污泥停留时间(20 d，甚至更低)，同时在SMBR中连续或定期投加粉末炭强化对有机物的去除，以充分发挥浸没式膜生物反应器的集成化优势，深度净化受污染水源水．

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Influence of sludge retention time on submerged membrane bioreactor for treating polluted raw water

TIAN Jia-yu，XU Yong-peng，ZHANG Yan，PAN Zhi-hui，HAN Zheng-shuang，LI Gui-bai

(State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，tjy800112@163．com)

To evaluate the suitable sludge retention time(SRT)in submerged membrane bioreactor(SMBR)for drinking water treatment，two SMBRs under the SRT of 80 d and 20 d were run in parallel and compared in terms of the effectiveness for treating polluted raw water．The results showed that under the SRT of 80 d，the removal efficiencies of SMBR for DOC，UV254，TOC，CODMnwere 19.6%，13.4%，27.7%and 30.7%，while those under the SRT of 20 d were 21.2%，13.2%，29.2%and 32.7%，respectively．Furthermore，both of the SMBRs achieved over 96%of removal for influent NH3－N．However，when the short SRT(20 d)was employed，the development rate of trans－membrane pressure in SMBR was lower than that under long SRT(80 d)．Therefore，the reduction of SRT from 80 d to 20 d would not affect the effectiveness of SMBR for treating polluted raw water，but mitigate the membrane fouling in SMBR．With the short SRT，it would be possible to dose powdered activated carbon directly in the SMBR，in which the sludge withdrawal could be performed periodically，to maintain the sludge concentration in suitable range．

membrane bioreactor;sludge retention time;polluted surface water;powdered activated carbon

TU991.2

A

0367－6234(2011)08－0035－04

2010－04－15．

中国博士后科学基金面上项目(20100471074);哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室开放基金项目(QA201017)．

田家宇(1979—)，男，博士，讲师;

李圭白(1931—)，男，博士生导师，中国工程院院士．

(编辑 刘 彤)