无纺布动态膜生物反应器对生活污水的处理

龙飞　刘康怀等

摘要：采用无纺布动态膜生物反应器处理模拟生活污水。结果表明，无纺布动态膜快速形成，反应器稳定运行期间，系统对ＳＳ的去除效果良好，大部分情况下在出水中未检测出ＳＳ；系统对ＴＯＣ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＰ的平均去除率分别为９１．９％、９３．４％和６３．５％；无纺布动态膜在污水处理中主要起到了泥水分离的作用，其对ＴＯＣ、ＴＰ具有一定的去除作用，但效果并不明显，对ＮＨ３－Ｎ则基本无去除作用，混合液活性污泥中的微生物起到了主要的除污作用。

关键词：无纺布动态膜；生物反应器；生活污水处理

中图分类号：Ｘ５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：0439－８114（２０12）24－5638-03

膜生物反应器（ＭＢＲ）是一种将膜分离技术和传统活性污泥法相结合的水处理工艺，在污水处理及其再生回用中得到广泛应用。具有处理效率高、出水水质好、流程简单、设备紧凑、占地面积小、易实现自动控制、运行管理简单等突出特点［１］，但是传统的膜生物反应器存在两大缺陷：膜材料昂贵和膜污染严重。动态膜生物反应器（ＤＭＢＲ）是一种能有效解决两大问题的新方法［２，３］。动态膜（Ｄｙｎａｍｉｃｍｅｍｂｒａｎｅ，ＤＭ）是指通过预涂剂或活性污泥在膜表面形成的新膜，也称为次生膜。采用价格低廉的大孔径（相对于超滤、微滤）材料来制作膜组件，通过预涂剂或微生物及其代谢产物在膜材料表面形成动态膜，这种ＭＢＲ工艺被称为动态膜生物反应器（ＤＭＢＲ）。该工艺的优势在于有良好的泥水分离特性；出水水质好；膜组件的成本低，微网基材廉价易得，可大幅降低ＭＢＲ的造价；重力自流出水，能耗小；出水通量大；膜污染问题易解决［４］；相关研究受到关注［５］。以无纺布等微网为基材的动态膜生物反应器（ＤＭＢＲ）是一种新型的污水处理工艺，国内已有部分高校和科研机构开展了动态膜生物反应器处理生活污水的试验研究［６，７］，但对其稳定性和处理效果仍然缺乏深入研究。

采用较廉价的无纺布作为膜材料构建动态膜生物反应器（ＤＭＢＲ），用其处理生活污水，考查了其处理模拟生活污水的效果，以期为ＤＭＢＲ技术的发展和实际应用提供参考。

１ 材料与方法

１．１ 试验装置

无纺布动态膜生物反应器（ＮＷ－ＤＭＢＲ）是由无纺布膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理工艺（图１）。反应器材料为聚乙烯圆筒，容积约为５０Ｌ，内部放置膜组件。动态膜组件由不锈钢架、无纺布制作而成，滤膜片由孔径为５０μｍ的无纺布包裹形成，内腔由钢架支撑，不易变形。每片膜的有效过滤面积为０．１ｍ２，共设４个无纺布滤膜片，嵌套固定于不锈钢架内，置于反应器中部，以防止膜组件受到曝气冲刷发生位移。内腔出水管连接在一根出水总管上，出水总管从反应器内通出。膜组件固定于反应器中部，原水通过蠕动泵软管进入反应器底部，出水水量可自行调节，反应器底部设有分布均匀的曝气管，反应器开始运行采用１．５ｍ３／ｈ曝气量，除了供氧之外还可通过气泡的运动强化反应器内的混合状态。

１．２ 试验水质与运行参数

试验采用葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾、硫酸镁、氯化钙、碳酸氢钠等配制人工模拟生活污水，按照ＣＯＤ∶Ｎ∶Ｐ∶Ｆｅ＝１００.0∶５.0∶１.0∶０．１的比例进行配置。原水水质见表１。试验从２０１０年７月开始，２０１１年１月结束，试验运行了１６５ｄ，整个过程可以分为４个阶段：膜组件制作阶段，不同运行参数的试验阶段，长期稳定运行阶段，膜污染控制试验阶段。系统刚启动的第一天分时段对进、出水ＳＳ和浊度进行测试，确定动态膜形成所需的时间；待动态膜形成后，进入不同运行参数的试验阶段，分别选取在不同的容积负荷、污泥负荷、溶解氧、水力停留时间、ｐＨ等参数条件下运行反应器，每２ｄ测定进、出水和上清液的ＣＯＤ，确定最佳运行参数，参数性试验持续了８５ｄ；稳定运行阶段，每天对进、出水和上清液的ＴＯＣ、氨氮、ＴＰ进行测定，每天测定反应器混合液的温度、ｐＨ与溶解氧，运行时间为３０ｄ，重点考查ＮＷ－ＤＭＢＲ的长期运行效果。

此次试验的接种污泥采用桂林七里店污水厂回流活性污泥。反应器配水方式采用连续进水。有机负荷约为１．２ｋｇＣＯＤ／（ｍ３·ｄ），曝气量为１．２ｍ３／ｈ，ＤＯ为２．０ｍｇ／Ｌ，ＭＬＳＳ为３２５０ｍｇ／Ｌ。反应器的ＨＲＴ为５ｈ。水温保持在１７～２０℃。试验过程中除每天取适量混合液测定ＭＬＳＳ外，未专门排泥。

１．３ 测试项目与方法

ＴＯＣ采用紫外法测定；ＮＨ３－Ｎ采用纳氏试剂分光光度法测定；ＴＰ采用钼锑抗分光光度法测定；ＳＳ采用重量法测定。

２ 结果与分析

２．１ ＮＷ－ＤＭＢＲ对ＳＳ的去除效果

试验中发现，在反应器运行初期，由于无纺布表面动态膜还未形成，混合液仅靠无纺布自身孔径进行过滤，此时膜的孔径较大，固液分离的效果并不理想，出水ＳＳ浓度高达１０７ｍｇ／Ｌ，出水浊度为８９ＮＴＵ。但当系统运行至４５ｍｉｎ时，出水ＳＳ急剧下降到１７ｍｇ／Ｌ，系统运行２ｈ后，浊度降到１０ＮＴＵ，此后浊度仍缓慢下降。当连续运行１２ｈ后，此时取出无纺布组件，发现无纺布表面堆积的污泥较厚，但是泥层很容易脱落，经过水冲洗后只有少量污泥还吸附在载体上。当系统连续运行２４ｈ后，浊度降为５ＮＴＵ，ＳＳ几乎检测不到。取出膜组件，观察无纺布表面，可以明显发现无纺布表面约有５ｍｍ厚的生物质层。由此可推断，动态膜能够在短时间内形成，且无纺布能够快速有效地截留混合液中的ＳＳ，并可使其沉积在无纺布表面。动态膜的结构从外向内可分为滤饼层和凝胶层，滤饼层结构较松散而凝胶层则结构紧密［８，９］。凝胶层的存在使得动态膜的实际孔径远小于无纺布的孔径，因此所形成的动态膜不但可以去除粒径较大的ＳＳ，而且还可以滤除部分小粒径物质。随着动态膜的形成，ＳＳ被截留。

２．２ ＮＷ－ＤＭＢＲ对ＴＯＣ的去除效果

２．３ ＮＷ－ＤＭＢＲ对ＮＨ３－Ｎ的去除效果

试验的ＮＷ－ＤＭＢＲ系统中，进、出水及上清液中ＮＨ３－Ｎ浓度随运行时间的变化如图３所示。由图３可见，无纺布动态膜形成后，污泥被截留，世代时间较长的硝化菌在反应器内得以增殖，系统对ＮＨ３－Ｎ的去除率较高。稳定运行期间出水ＮＨ３－Ｎ＜１０ｍｇ／Ｌ，其中绝大多数情况下小于７ｍｇ／Ｌ。系统对ＮＨ３－Ｎ的平均去除率为９１．８％，其中无纺布动态膜的平均贡献率仅为１．０％，活性污泥的平均贡献率为９０．８％，可见无纺布动态膜对ＮＨ３－Ｎ的去除效果基本为零。无纺布动态膜对ＮＨ３－Ｎ的平均去除贡献率相对于ＴＯＣ要低得多，经分析认为这是由于混合液中含ＮＨ３－Ｎ的颗粒物数量远低于含ＴＯＣ的颗粒物数量［１０］。

另一方面，从图３可以看出，ＮＷ－ＤＭＢＲ的上清液氨氮浓度与膜出水氨氮浓度差异并不明显，这是因为氨氮在废水中是以水和氨离子的形式存在，属于无机小分子，其大小要比无纺布动态膜孔径小的多，也有资料显示，动态膜和固定膜都没有分离无机小分子能力［１１］，因此，动态膜的拦截作用本身对氨氮的去除效果没有多大影响［１２］，而系统出水中氨氮要比上清液中氨氮略低的原因主要是无纺布动态膜的凝胶层和滤饼层对氨氮有一定程度的吸附作用。

２．４ ＮＷ－ＤＭＢＲ对ＴＰ的去除效果

３ 结论

１）无纺布动态膜生物反应器对ＳＳ具有很好的去除效果，随着系统运行时间的增加，出水ＳＳ浓度不断下降，运行至２ｈ后，ＳＳ的浓度已可忽略不计，当系统运行２４ｈ后，ＳＳ的浓度几乎检测不出。

２）反应器稳定运行期间，系统对ＴＯＣ及ＮＨ３－Ｎ的去除效果较好，对ＴＰ的去除效果一般，其中系统对ＴＯＣ平均去除率达９１．９％，对ＮＨ３－Ｎ的平均去除率为９1．8％，对ＴＰ的平均去除率仅为６３．５％。

３）以无纺布为基材的动态膜对ＴＯＣ、ＴＰ具有一定的去除作用，但效果并不明显，平均去除率分别为３．２％和５．３％，对ＮＨ３－Ｎ则基本无去除作用，去除率仅为１．０％。系统活性污泥中的微生物对ＴＯＣ、ＮＨ３－Ｎ的去除起到了主要作用。动态膜在污水处理中主要起到了泥水分离的作用。

参考文献：

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