强化A/O-MBR处理低C/N比生活污水及膜污染的影响研究

2022-04-20马东华

人民珠江 2022年4期

杨超，李杰*，马东华

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070；2.西安工业大学建筑工程学院，陕西西安 710032)

研究表明，中国城市污水普遍为低C/N比污水，传统污水处理技术由于缺乏进水碳源使得其对此类污水处理效果不佳[1-3]。普通A/O-MBR(CMBR)将传统的A/O活性污泥法和MBR膜工艺相结合的新型处理工艺，利用MBR膜组件将活性污泥拦截，实现水力停留时间(HRT)与污泥停留时间(SRT)的分离，同时实现了泥水分离和污泥浓缩。在满足出水水质的基础上，具有更好的脱氮性能，设备占地面积小，产泥量少。但长期运行发现CMBR存在微生物的生物活性降低、悬浮微生物淤积在膜表面现象，造成能耗高、氧利用率低、膜污染严重等问题[4-9]。

强化A/O-MBR(HMBR)将微生物固定化技术与A/O-MBR相结合，为微生物提供栖息和繁殖的稳定环境，从而降低反应器中悬浮生物浓度，不仅提高了出水水质，而且有效延长了膜的使用寿命[10-11]。宋乐元等[12]研究发现投加填料不仅强化了AnMBR的处理效果，且有效控制了膜污染。薛源等[13]对比普通MBR与投加磁性悬浮颗粒载体的MBR出水，发现后者COD、氨氮和硝态氮处理效果均优于前者，且投加复合载体的MBR膜污染较为缓慢。Santos Amaral等[14]通过对MBR反应器投加PAC填料，发现投加填料能有效缓解膜的污染速率，延长膜的使用寿命。A.Elif等[15]对比研究普通MBR与投加载体的MBR反应器，表明载体有助于有机污染物的去除。Jifeng Guo等[16]通过研究发现,投加多孔聚氯乙烯载体的MBR比普通MBR对于污染物的去除更优，且可以有效减缓膜污染问题。

以低C/N比生活污水为研究对象，通过将微生物固定化技术与CMBR结合，开发新型HMBR，主要考察了CMBR与HMBR污染物去除效果的对比及膜污染状况分析，以期为低C/N比的实际生活污水处理提供技术参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验水质及分析方法

试验用水取自某大学生活区生活污水，进水C/N比均值为4.59，属于典型的低C/N比生活污水，具体水质指标及检测方式见表1。

表1 原水水质及分析检测方法单位：mg/L

1.2 试验方法及设备

A/O-MBR设备简图见图1，总有效容积约为62 L，由前置反硝化区(20 L)和好氧硝化区(42 L)组成，且底部相通，平行开启；HMBR的好氧区中，投加由PUF(2 cm×2 cm×2 cm)填充的网孔塑料球载体(D=12 cm)，载体填充率为40%，其余均与CMBR相同。硝化液由离心泵回流到反硝化区，设备进水量与硝化液回流量均采用液体转子流量计进行控制。好氧硝化区上部设膜面积约为5 m2的聚丙烯中空纤维微滤膜，膜孔径为0.1～0.2 μm。采用间歇运行，记录在运行期间，两反应器膜组件的衰减情况及清洗方式，膜通量的恢复情况。

图1 A/O-MBR设备简图

2 结果及讨论

2.1 PUF载体强化效果的研究

2.1.1PUF载体特性分析

水中有机污染物的降解主要依靠附着在载体上生长的微生物的生物氧化作用，载体的性能直接影响和制约着水处理工艺的处理效率。PUF载体是具有海绵特性的新型载体材料，首先具有良好的物理特性，载体疏松多孔、孔壁粗糙，有益于微生物的附着、截留量增多，能够维持反应器内较高的污泥浓度；其次具有的良好机械强度能够抵御不同强度的水力剪切以及填料之间的摩擦碰撞，避免造成生物膜反应器中所持有的生物量降低，出水水质发生波动；同时较好的生物化学及热力学稳定性，使得PUF填料本身不参与系统内生物化学反应。

2.1.2强化效果的比较

控制两反应器在相同条件下平行运行，生化出水去除率、系统出水去除率及膜组件去除率均基于进水浓度进行计算，通过对比生化段出水与系统出水中的COD、NH3-N、TN，考察生物反应器生物降解作用和膜过滤作用对各指标的去除率贡献，结果见表2。

表2 不同反应器污染物去除的对比研究

HMBR的脱氮性能明显优于CMBR。对比生化段出水，CMBR对COD、氨氮及总氮的去除率分别为65.43%、52.88%及42.52%，低于HMBR的72.77%、60.20%及46.37%。一方面是由于投加载体填料后，对水流有强制性的紊动作用，水流在填料内部形成交叉流动，为污水和微生物的接触创造了良好的水力条件，对好氧反应器中的气泡有重复切割作用，增大了气水接触面积，提高了传质效果，使水中的溶解氧浓度提高，从而强化了微生物、有机物和溶解氧三者之间的传质关系，更加有益于水体中污染物的去除；同时由于PUF载体具有丰富的比表面积，为微生物提供栖息和繁殖的稳定环境，有利于反应器的微生物量保持在较高水平；菌种在填料区可依次分布好氧菌种、缺氧菌种、厌氧菌中，菌种的多元化有利于提高污水的处理效果，缩短处理时间，同时可承受的有机负荷也相对较高，这也与L.Rodríguez-Hernández等[18]研究结论相一致。另一方面由于膜分离的截留作用，很好地解决了污泥流失的问题，可以使污泥停留时间无限制延长，有利于硝化细菌在反应器中得到了有效积累；由于内部微观环境在较长时间内能够相对保持稳定，因此受外界环境变化影响也比较小，从而保证硝化反应充分进行，反应器表现出较良好的脱氮效果，出水水质更优。杨茗绅等[19]通过对于A/O-MBR处理生活污水的研究，发现投加的PAC载体成为硝化菌吸附生长的良好载体，有利于脱氮的进行。

尽管HMBR与CMBR在生化段出水水质有所差异，但是在系统出水，去除率差异不大，证明膜的过滤作用对系统的稳定出水起到了决定作用。HMBR膜对于COD去除贡献率为12.56%，低于CMBR膜的18.11%，这是由于HMBR前期生化段去除段去除了大量的污染物质，从而减缓了膜的负担，由于HMBR反应器中有填料的存在，使生化段出水中悬浮物的浓度大大减少，填料对水中的悬浮物有一定的截留作用，一定程度上避免了由于膜过滤过程中悬浮物在膜表面形成淤积，导致的膜过滤阻力增大，运行费用大大增加的问题，同时也延长了膜的操作周期。

2.2 膜污染的比较

2.2.1膜通量运行衰减状况

在新膜放入生物反应器之前，对两组膜组件的清水通量进行了测量。CMBR膜组件与HMBR膜组件的极限膜通量分别为1.31、1.27 L/(m2·h)。膜组件一经放入生物反应器中膜污染过程即开始，经过一段时间运行，膜阻力逐渐升高，膜通量逐渐下降。CMBR膜组件与HMBR膜组件的膜通量衰减状况见图2。

图2 膜通量随运行时间的衰减状况研究

将膜组件放入反应器的前21 d，2个膜的膜通量均出现急速下降，CMBR膜通量由1.31 L/(m2·h)降至0.31 L/(m2·h)，HMBR膜通量由1.27 L/(m2·h)降至0.40 L/(m2·h)，这是由于反应器中污泥浓度相对较低，污泥对溶解性有机物的吸附和降解能力弱，使得混合液中的溶解性有机物浓度增加，从而易被膜表面吸附形成凝胶层，导致过滤阻力增加，膜通量出现急剧下降；随反应器稳定运行，污泥浓度逐渐变高，污泥易在膜表面沉积，形成较厚的污泥层，导致过滤阻力增加，膜通量进一步降低，进而阻碍氧气的转换，污泥的流动性和分离性能不佳[20]。至46 d时，CMBR膜通量，仅为初始通量的14.5%，膜污染已比较严重，故对膜组件进行了物理清洗，将附着在膜表面的污泥层冲刷掉，再测定膜通量，膜通量恢复为0.44 L/(m2·h)。HMBR膜通量在运行至70 d时，下降至0.20 L/(m2·h)，仅为初始通量的15.7%，通过物理清洗后，可恢复至0.54 L/(m2·h)。与CMBR相比，投加PUF载体的HMBR膜通量衰减速度相对缓慢，有较长的运行时间，且对膜组件进行物理冲洗后，发现膜通量有更高的恢复，膜组件所受污染程度明显小于CMBR膜组件。这是由于通过PUF载体对于膜体的摩擦及胞外聚合物的吸附，有效减缓了膜的污染进程，延长膜组件的使用寿命，且物理清洗对此种污染有较好的效果[16-21]。

2.2.2膜的清洗与恢复状况

当MBR运行一段时间后，污染物开始在膜的微孔内附着，如果污染加剧，膜出水量会急剧下降。采用清洗的方法可以有效恢复膜通量，主要清洗方法有物理清洗、化学清洗、机械清洗、超声波清洗以及上述方法的组合使用。

原水水质为生活污水，膜污染性质主要为污泥的附着层污染及有机物和微生物污染，故选择采取了清水清洗、物理清洗及物理-化学清洗的方式，物理清洗是将膜用清水清洗后，再用0.1 MPa的压力反冲洗膜组件，化学清洗是分别用NaOH(1%)溶液与H2SO4(1%)溶液各浸泡1 h，最后用2%～5% NaClO溶液清洗膜组件，膜通量的恢复情况见图3。

图3 不同清洗方式对于膜通量的恢复影响研究

物理-化学清洗的方式对于2个膜的膜通量恢复均有较好结果，物理清洗方式使CMBR膜通量和HMBR膜通量分别恢复到初始膜通量的34.4%、46.5%，物理-化学清洗后CMBR膜通量和HMBR膜通量分别达到初始膜通量的87.7%和93.7%。与CMBR相比，HMBR反应器由于膜表面的污泥附着层厚度较薄，物理清洗效果明显优于CMBR，再加之膜内部的污染程度也较轻，物理-化学清洗后的膜通量可恢复至初始膜通量的93.7%。