反应器构型对MBR运行性能的影响研究

王　盼，邹伟国，王志伟

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092；2.同济大学，上海市200092）

反应器构型对MBR运行性能的影响研究

王盼1，邹伟国1，王志伟2

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092；2.同济大学，上海市200092）

为提高出水水质，降低MBR能耗，开发具有相同体积的双层膜支架A/A/O-MBR及单层膜支架A/A/O-MBR处理实际生活污水。在相同曝气量工况下长期运行结果表明：双层MBR的污染速率远低于单层MBR，其运行周期可延长一倍，运行费用降低。主要原因为双层MBR系统内具有更高的上升流速及传氧系数。另外，双层MBR系统对COD、NH3-N、TN的去除能力高于单层MBR系统，但其对TP的去除能力较低。微生物分析表明两套反应器内的微生物优势种群类似，主要以变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）为主，但群落分布比例不同，Proteobacteria细菌在单层MBR内微生物中所占比例更大，Bacteroidetes细菌在双层MBR内微生物中所占比例更大。

双层膜-生物反应器；微生物分析；污水处理

0　引言

膜-生物反应器（MBR）作为一种新型、高效的污水处理技术，具有诸多传统生物处理工艺所无法比拟的优点：出水水质好、污泥产率低、运行稳定、流程简短、布置紧凑、管理方便、自动化程度高等特点［1-3］。但是，与传统活性污泥法相比，其吨水运行电耗较高，而其中鼓风曝气的电耗占了绝大部分，曝气除了提供维持微生物生长代谢必需的氧气外，还需提供一定的错流速率冲刷膜表面以控制膜污染。因此，为了提高膜-生物反应器技术的竞争力，可以通过改进反应器构型、曝气方式等手段进一步降低该工艺的运行电耗。

本文通过改变膜组件布置形式（膜组件分为上下两层布置），改变反应器构型，建立双层A/A/O-MBR装置。该装置好氧段分上下两层膜支架，曝气管位于下支架的底部，上支架位于下支架的正上方，两个支架共用同一曝气系统。同时，建立一套与双层MBR装置具有相同体积的单层MBR装置，两套装置同步长期稳定运行，比较两者在相同曝气量下的运行情况，通过监测两套MBR的膜过滤性能变化、两套MBR的传质系数及上升流速、污染物去除效果、反应器内微生物多样性等，研究反应器构型对MBR运行性能的影响。

1　试验装置与方法

1.1试验装置

单层、双层A/A/O-MBR装置如图1所示。两套反应器有效总容积均为188.3 L，包括厌氧段（19.7 L）、缺氧段I（42.0 L）、缺氧段II（42.3 L）、好氧MBR段（84.3 L）。单层、双层A/A/O-MBR的厌氧段与缺氧段完全相同。两套反应器最大的不同在于好氧MBR段，单层MBR的尺寸为长×宽×高=44 cm×26 cm×75 cm，而双层MBR的尺寸为长×宽×高=44 cm×14 cm×140 cm，仅就好氧段来讲，双层MBR的占地面积为单层MBR的1/2。

另外，好氧段内同时放置4片相同的PVDF平板膜组件（平均孔径0.15 μm），单层MBR内4片组件并排放置，双层MBR内4片膜组件分为上下两层放置，每层2片膜组件，通过膜支架固定。单片膜的有效过滤面积均为0.24 m2，膜下安装曝气管，空气经曝气管向MBR段供氧，为微生物降解污染物提供氧气，同时在膜表面形成错流，控制膜面泥饼层的形成。曝气量的大小通过气体流量计来调节控制。相同曝气量工况下控制气水比为30∶1。

在试验运行过程中，反应器内水位通过止回阀保证，运行通量为20 L/（m2·h），水力停留时间为11 h，污泥龄SRT选用60 d。采取抽吸10 min，停2 min的方式，恒流运行，跨膜压差TMP通过水银压力计读数记录.当TMP达到一定值时，用0.5% NaClO（V/V）溶液对膜进行化学清洗2 h。

图1　单、双层A/A/O-MBR装置示意图

1.2试验方法

1.2.1反应器内上升流速的测定

上升流速的测定在单层、双层MBR中进行，测试仪器选用涡轮式流速仪（FP111-S，Global Water公司，美国）。试验测定了两套装置在相同曝气量下（0.4 m3/h、1.0 m3/h、1.6 m3/h、2.2 m3/h）污泥浓度为6 g/L时反应器的上升流速。

1.2.2反应器内氧的总传递系数（KLa）的测定

氧传递系数在不稳定状态下进行，直接利用MBR内的活性污泥测定［4］。具体测试步骤如下：

（1）取曝气池污泥注入两个反应器，调至一定浓度，正常进出水运行半天，待污泥性状稳定后关闭膜出水；

（2）在反应器内放入溶解氧探头，固定在1/2水深处，预热30 min；

（3）以极低的曝气量（保证污泥不沉）将污泥搅拌一段时间，利用污泥自身的耗氧完成混合液的消氧；

（4）待溶解氧降至0或极低时，调至所需曝气量开始曝气，记录溶解氧随时间的变化数据，溶解氧达到稳定常数时停止试验；

（5）水中溶解氧的变化可用下式表示：

式中：Csw为试验条件下污水的饱和溶解氧浓度，mg/L；C为某一时刻t的溶解氧浓度，mg/L。

根据所记录的不同时间下所得溶解氧的值，上式积分后，得到ln（Csw-C）与t的关系图，其斜率为-KLa。

1.2.3污染物浓度的测定方法

污染物浓度的测定方法采用国家标准方法。

1.2.4微生物指标

采用454-高通量焦磷酸DNA测序技术对MBR内微生物多样性进行分析［5］。该技术测序流程包括三个步骤：样品DNA提取及PCR扩增；454-高通量16S rRNA基因焦磷酸测序；生物多样性及系统分类分析。测试的样品取自单、双层MBR在相同曝气量工况下运行到第130 d时的各自好氧段的污泥，此时，两套反应器均处于正常稳定运行状态，其样品具有代表性。

样品采用Fast DNA Spin Kit for Soil试剂盒（MP Biomedicals公司，美国）提取。提取后的DNA经纯化收集后，利用16S rRNA基因V1-V3区域的通用引物8F（5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3'）及533R（5'-TTACCGCGGCTG-CTGGCAC-3'）进行PCR扩增。PCR扩增后，其扩增产物利用UNIQ-10 PCR Purification Kit仪器（Sangon公司，中国）进行纯化以及利用TBS-380仪器（Turner BioSystem公司，美国）进行定量，纯化定量后的DNA产物经Roche 454高通量测序平台进行序列测试，利用相关软件对有效序列进行数据统计，并分析样品多样性及系统分类。

2　结果与讨论

2.1单、双层A/A/O-MBR膜污染速率

图2为单、双层MBR同时运行200 d的污染速率变化情况，气水比为30∶1。当单、双层MBR在同一曝气量下运行时，由于装置本身的差异，双层MBR内溶解氧浓度一般在2～3 mg/L，而单层MBR内溶解氧浓度一般在0.5～1 mg/L。

图2　相同气水比下单、双层MBR污染速率

从图2中可以看到，两套反应器表现出明显不同的污染增长趋势。在最初的3个周期内，两套装置均表现出快速增长的压力变化，两者之间的污染速率差异并不明显，平均周期为7 d，主要原因是反应器处于启动初期，MBR内的微生物生长代谢并不稳定，系统运行不稳定。

当反应器运行超过30 d后，两套反应器的膜污染速率均出现大幅度下降，尤其是双层MBR反应器。在后续的160 d运行中（图2中为30～190 d），双层MBR系统运行3个周期，每个周期为50～60 d，而单层MBR系统则运行6个周期，每个周期为10～30 d，表明双层MBR系统的污染速率远低于单层MBR系统的污染速率，双层MBR的运行周期可延长1倍。

2.2反应器内上升流速的测定

图3为单、双层MBR在不同曝气量下反应器内的上升流速。试验过程中，两套MBR污泥浓度均为6 g/L。从图3中可以看出，在该污泥浓度下，随着曝气强度的增大，两个反应器内的上升流速逐渐升高。对比两个反应器来看，相同曝气量下，双层MBR具有更高的上升流速，因此，其内膜污染速率更慢［6］。

图3　不同曝气量下单、双层MBR内的上升流速

2.3反应器内传氧系数的测定

在相同曝气量0.6 m3/h下，两套反应器的氧传质情况如图4所示。测试时水温为15℃，此时饱和溶解氧Csw为10.08 mg/L。图4中直线斜率的负数为氧传质系数KLa。从图4中可以看出，在污泥浓度6.0 g/L下，双层MBR的传质系数为0.042，高于单层MBR的传质系数0.019，相同曝气量下双层MBR的传氧能力更强。

2.4污染物的去除效果

表1为相同气水比工况下单双层MBR对污染物的去除效果。可以看到，两套装置出水COD均在30 mg/L以下，远低于一级A水质COD标准，且双层MBR系统对COD的去除效果好于单层MBR系统。单、双层MBR对N的去除效果有明显不同，单层MBR的出水NH3-N浓度约为8.0 mg/L，达不到一级A水质NH3-N标准，而双层MBR在整个运行过程中，出水NH3-N仅为0.3 mg/L，且出水TN约为8.1 mg/L，说明双层MBR具有更好的硝化反硝化效果。此外，两套MBR对TP的去除效果亦存在明显差异，单层MBR的TP去除效果高于双层MBR。单、双层MBR系统对氮、磷的去除效果的明显差异主要取决于由反应器本身构型引起的溶解氧和微生物特性的不同。由3.3节知，相同曝气量下双层MBR具有更高的氧传质系数，反应器内DO含量更高，适宜硝化菌的生长。据相关文献报道，溶解氧较低时可提高微生物除磷能力［7，8］。

图4　氧传质测定情况（a）单层MBR；（b）双层MBR

表1　相同气水比工况下单双层MBR的污染物去除效果

2.5反应器内微生物群落结构分析

为了更好地解释反应器构型引起的微生物差异，了解单、双层MBR内活性污泥微生物种群的差异，对两套装置中好氧段的污泥进行DNA序列分析。采用454-高通量焦磷酸基因测序技术，该技术是近几年新发展的DNA序列分析技术，能够通过高通量的测序平台获得数以千计的DNA片段序列，经数学统计分析后，能定义环境微生物在不同分类水平上的群落结构。

图5为单、双层MBR内微生物在门（phylum）水平的群落分布。从图5中可以看出，单、双层MBR内的微生物均主要以变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）为主，这两者所占比例达 80%［9，10］。其次为绿弯菌门（Chloroflexi）、绿细菌门（Chlorobi）、硝化螺旋菌门（Nitrospirae）。Proteobacteria被认为是污水处理系统中的优势菌群之一，因为这类细菌涵盖的范围很广，包括污水处理过程中多数的种属，如好氧或兼性细菌、严格厌氧菌（硫酸盐还原菌）等。Bacteroidetes也广泛存在于污水处理系统内，它们可以降解蛋白质、碳水化合物等许多复杂的有机大分子化合物。Nitrospirae是一类革兰氏阴性细菌，其中的硝化螺旋菌属作为硝化细菌可将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。

图5　单、双层MBR内微生物在门（phylum）水平的群落分布

虽然两套反应器内微生物的优势种群类似，但是在数量比例上仍有一定差异。Proteobacteria细菌在单层MBR内微生物中所占比例更大。同时，Bacteroidetes在双层MBR内微生物的比例高于其在单层MBR内的微生物，这也是双层MBR内具有更高COD去除能力的原因。另外，虽然Nitrospirae在单层MBR内微生物中的比例高于其在双层MBR内微生物的比例，但实际运行的结果表明DO浓度更高的双层MBR具有更好的氮的去除效果，这说明在实际运行中，DO对污染物的去除具有更显著的影响。

3　结　论

本文对已构建的具有相同体积的双层A/A/O-MBR及单层A/A/O-MBR进行研究，得出主要结论如下：

（1）在相同曝气量工况下，双层MBR的污染速率远低于单层MBR，双层MBR的运行周期可延长一倍，运行费用更低。双层MBR具有更高的反应器上升流速及氧传质系数。

（2）在整个运行过程中，双层MBR系统对COD、NH3-N、TN的去除能力高于单层MBR系统，但其对TP的去除能力较低，主要由反应器本身构型引起的溶解氧和微生物特性引起。

（3）微生物分析表明两套反应器内的微生物优势种群类似，主要以变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）为主，但群落分布比例不同，Proteobacteria细菌在单层MBR内微生物中所占比例更大；Bacteroidetes细菌在双层MBR内微生物中所占比例更大。

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X703

A

1009-7716（2016）01-0164-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.047

2015-08-26

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2013ZX07314-003）

王盼（1987-），山东泰安人，博士后，研究方向为污水处理。