王　盼，鄒偉國，王志偉

（1.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092；2.同濟大學(xué)，上海市200092）

反應(yīng)器構(gòu)型對MBR運行性能的影響研究

王盼1，鄒偉國1，王志偉2

（1.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092；2.同濟大學(xué)，上海市200092）

為提高出水水質(zhì)，降低MBR能耗，開發(fā)具有相同體積的雙層膜支架A/A/O-MBR及單層膜支架A/A/O-MBR處理實際生活污水。在相同曝氣量工況下長期運行結(jié)果表明：雙層MBR的污染速率遠低于單層MBR，其運行周期可延長一倍，運行費用降低。主要原因為雙層MBR系統(tǒng)內(nèi)具有更高的上升流速及傳氧系數(shù)。另外，雙層MBR系統(tǒng)對COD、NH3-N、TN的去除能力高于單層MBR系統(tǒng)，但其對TP的去除能力較低。微生物分析表明兩套反應(yīng)器內(nèi)的微生物優(yōu)勢種群類似，主要以變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）為主，但群落分布比例不同，Proteobacteria細(xì)菌在單層MBR內(nèi)微生物中所占比例更大，Bacteroidetes細(xì)菌在雙層MBR內(nèi)微生物中所占比例更大。

雙層膜-生物反應(yīng)器；微生物分析；污水處理

0　引言

膜-生物反應(yīng)器（MBR）作為一種新型、高效的污水處理技術(shù)，具有諸多傳統(tǒng)生物處理工藝所無法比擬的優(yōu)點：出水水質(zhì)好、污泥產(chǎn)率低、運行穩(wěn)定、流程簡短、布置緊湊、管理方便、自動化程度高等特點［1-3］。但是，與傳統(tǒng)活性污泥法相比，其噸水運行電耗較高，而其中鼓風(fēng)曝氣的電耗占了絕大部分，曝氣除了提供維持微生物生長代謝必需的氧氣外，還需提供一定的錯流速率沖刷膜表面以控制膜污染。因此，為了提高膜-生物反應(yīng)器技術(shù)的競爭力，可以通過改進反應(yīng)器構(gòu)型、曝氣方式等手段進一步降低該工藝的運行電耗。

本文通過改變膜組件布置形式（膜組件分為上下兩層布置），改變反應(yīng)器構(gòu)型，建立雙層A/A/O-MBR裝置。該裝置好氧段分上下兩層膜支架，曝氣管位于下支架的底部，上支架位于下支架的正上方，兩個支架共用同一曝氣系統(tǒng)。同時，建立一套與雙層MBR裝置具有相同體積的單層MBR裝置，兩套裝置同步長期穩(wěn)定運行，比較兩者在相同曝氣量下的運行情況，通過監(jiān)測兩套MBR的膜過濾性能變化、兩套MBR的傳質(zhì)系數(shù)及上升流速、污染物去除效果、反應(yīng)器內(nèi)微生物多樣性等，研究反應(yīng)器構(gòu)型對MBR運行性能的影響。

1　試驗裝置與方法

1.1試驗裝置

單層、雙層A/A/O-MBR裝置如圖1所示。兩套反應(yīng)器有效總?cè)莘e均為188.3 L，包括厭氧段（19.7 L）、缺氧段I（42.0 L）、缺氧段II（42.3 L）、好氧MBR段（84.3 L）。單層、雙層A/A/O-MBR的厭氧段與缺氧段完全相同。兩套反應(yīng)器最大的不同在于好氧MBR段，單層MBR的尺寸為長×寬×高=44 cm×26 cm×75 cm，而雙層MBR的尺寸為長×寬×高=44 cm×14 cm×140 cm，僅就好氧段來講，雙層MBR的占地面積為單層MBR的1/2。

另外，好氧段內(nèi)同時放置4片相同的PVDF平板膜組件（平均孔徑0.15 μm），單層MBR內(nèi)4片組件并排放置，雙層MBR內(nèi)4片膜組件分為上下兩層放置，每層2片膜組件，通過膜支架固定。單片膜的有效過濾面積均為0.24 m2，膜下安裝曝氣管，空氣經(jīng)曝氣管向MBR段供氧，為微生物降解污染物提供氧氣，同時在膜表面形成錯流，控制膜面泥餅層的形成。曝氣量的大小通過氣體流量計來調(diào)節(jié)控制。相同曝氣量工況下控制氣水比為30∶1。

在試驗運行過程中，反應(yīng)器內(nèi)水位通過止回閥保證，運行通量為20 L/（m2·h），水力停留時間為11 h，污泥齡SRT選用60 d。采取抽吸10 min，停2 min的方式，恒流運行，跨膜壓差TMP通過水銀壓力計讀數(shù)記錄.當(dāng)TMP達到一定值時，用0.5% NaClO（V/V）溶液對膜進行化學(xué)清洗2 h。

圖1　單、雙層A/A/O-MBR裝置示意圖

1.2試驗方法

1.2.1反應(yīng)器內(nèi)上升流速的測定

上升流速的測定在單層、雙層MBR中進行，測試儀器選用渦輪式流速儀（FP111-S，Global Water公司，美國）。試驗測定了兩套裝置在相同曝氣量下（0.4 m3/h、1.0 m3/h、1.6 m3/h、2.2 m3/h）污泥濃度為6 g/L時反應(yīng)器的上升流速。

1.2.2反應(yīng)器內(nèi)氧的總傳遞系數(shù)（KLa）的測定

氧傳遞系數(shù)在不穩(wěn)定狀態(tài)下進行，直接利用MBR內(nèi)的活性污泥測定［4］。具體測試步驟如下：

（1）取曝氣池污泥注入兩個反應(yīng)器，調(diào)至一定濃度，正常進出水運行半天，待污泥性狀穩(wěn)定后關(guān)閉膜出水；

（2）在反應(yīng)器內(nèi)放入溶解氧探頭，固定在1/2水深處，預(yù)熱30 min；

（3）以極低的曝氣量（保證污泥不沉）將污泥攪拌一段時間，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或極低時，調(diào)至所需曝氣量開始曝氣，記錄溶解氧隨時間的變化數(shù)據(jù)，溶解氧達到穩(wěn)定常數(shù)時停止試驗；

（5）水中溶解氧的變化可用下式表示：

式中：Csw為試驗條件下污水的飽和溶解氧濃度，mg/L；C為某一時刻t的溶解氧濃度，mg/L。

根據(jù)所記錄的不同時間下所得溶解氧的值，上式積分后，得到ln（Csw-C）與t的關(guān)系圖，其斜率為-KLa。

1.2.3污染物濃度的測定方法

污染物濃度的測定方法采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法。

1.2.4微生物指標(biāo)

采用454-高通量焦磷酸DNA測序技術(shù)對MBR內(nèi)微生物多樣性進行分析［5］。該技術(shù)測序流程包括三個步驟：樣品DNA提取及PCR擴增；454-高通量16S rRNA基因焦磷酸測序；生物多樣性及系統(tǒng)分類分析。測試的樣品取自單、雙層MBR在相同曝氣量工況下運行到第130 d時的各自好氧段的污泥，此時，兩套反應(yīng)器均處于正常穩(wěn)定運行狀態(tài)，其樣品具有代表性。

樣品采用Fast DNA Spin Kit for Soil試劑盒（MP Biomedicals公司，美國）提取。提取后的DNA經(jīng)純化收集后，利用16S rRNA基因V1-V3區(qū)域的通用引物8F（5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3'）及533R（5'-TTACCGCGGCTG-CTGGCAC-3'）進行PCR擴增。PCR擴增后，其擴增產(chǎn)物利用UNIQ-10 PCR Purification Kit儀器（Sangon公司，中國）進行純化以及利用TBS-380儀器（Turner BioSystem公司，美國）進行定量，純化定量后的DNA產(chǎn)物經(jīng)Roche 454高通量測序平臺進行序列測試，利用相關(guān)軟件對有效序列進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并分析樣品多樣性及系統(tǒng)分類。

2　結(jié)果與討論

2.1單、雙層A/A/O-MBR膜污染速率

圖2為單、雙層MBR同時運行200 d的污染速率變化情況，氣水比為30∶1。當(dāng)單、雙層MBR在同一曝氣量下運行時，由于裝置本身的差異，雙層MBR內(nèi)溶解氧濃度一般在2～3 mg/L，而單層MBR內(nèi)溶解氧濃度一般在0.5～1 mg/L。

圖2　相同氣水比下單、雙層MBR污染速率

從圖2中可以看到，兩套反應(yīng)器表現(xiàn)出明顯不同的污染增長趨勢。在最初的3個周期內(nèi)，兩套裝置均表現(xiàn)出快速增長的壓力變化，兩者之間的污染速率差異并不明顯，平均周期為7 d，主要原因是反應(yīng)器處于啟動初期，MBR內(nèi)的微生物生長代謝并不穩(wěn)定，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。

當(dāng)反應(yīng)器運行超過30 d后，兩套反應(yīng)器的膜污染速率均出現(xiàn)大幅度下降，尤其是雙層MBR反應(yīng)器。在后續(xù)的160 d運行中（圖2中為30～190 d），雙層MBR系統(tǒng)運行3個周期，每個周期為50～60 d，而單層MBR系統(tǒng)則運行6個周期，每個周期為10～30 d，表明雙層MBR系統(tǒng)的污染速率遠低于單層MBR系統(tǒng)的污染速率，雙層MBR的運行周期可延長1倍。

2.2反應(yīng)器內(nèi)上升流速的測定

圖3為單、雙層MBR在不同曝氣量下反應(yīng)器內(nèi)的上升流速。試驗過程中，兩套MBR污泥濃度均為6 g/L。從圖3中可以看出，在該污泥濃度下，隨著曝氣強度的增大，兩個反應(yīng)器內(nèi)的上升流速逐漸升高。對比兩個反應(yīng)器來看，相同曝氣量下，雙層MBR具有更高的上升流速，因此，其內(nèi)膜污染速率更慢［6］。

圖3　不同曝氣量下單、雙層MBR內(nèi)的上升流速

2.3反應(yīng)器內(nèi)傳氧系數(shù)的測定

在相同曝氣量0.6 m3/h下，兩套反應(yīng)器的氧傳質(zhì)情況如圖4所示。測試時水溫為15℃，此時飽和溶解氧Csw為10.08 mg/L。圖4中直線斜率的負(fù)數(shù)為氧傳質(zhì)系數(shù)KLa。從圖4中可以看出，在污泥濃度6.0 g/L下，雙層MBR的傳質(zhì)系數(shù)為0.042，高于單層MBR的傳質(zhì)系數(shù)0.019，相同曝氣量下雙層MBR的傳氧能力更強。

2.4污染物的去除效果

表1為相同氣水比工況下單雙層MBR對污染物的去除效果?？梢钥吹?，兩套裝置出水COD均在30 mg/L以下，遠低于一級A水質(zhì)COD標(biāo)準(zhǔn)，且雙層MBR系統(tǒng)對COD的去除效果好于單層MBR系統(tǒng)。單、雙層MBR對N的去除效果有明顯不同，單層MBR的出水NH3-N濃度約為8.0 mg/L，達不到一級A水質(zhì)NH3-N標(biāo)準(zhǔn)，而雙層MBR在整個運行過程中，出水NH3-N僅為0.3 mg/L，且出水TN約為8.1 mg/L，說明雙層MBR具有更好的硝化反硝化效果。此外，兩套MBR對TP的去除效果亦存在明顯差異，單層MBR的TP去除效果高于雙層MBR。單、雙層MBR系統(tǒng)對氮、磷的去除效果的明顯差異主要取決于由反應(yīng)器本身構(gòu)型引起的溶解氧和微生物特性的不同。由3.3節(jié)知，相同曝氣量下雙層MBR具有更高的氧傳質(zhì)系數(shù)，反應(yīng)器內(nèi)DO含量更高，適宜硝化菌的生長。據(jù)相關(guān)文獻報道，溶解氧較低時可提高微生物除磷能力［7，8］。

圖4　氧傳質(zhì)測定情況（a）單層MBR；（b）雙層MBR

表1　相同氣水比工況下單雙層MBR的污染物去除效果

2.5反應(yīng)器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)分析

為了更好地解釋反應(yīng)器構(gòu)型引起的微生物差異，了解單、雙層MBR內(nèi)活性污泥微生物種群的差異，對兩套裝置中好氧段的污泥進行DNA序列分析。采用454-高通量焦磷酸基因測序技術(shù)，該技術(shù)是近幾年新發(fā)展的DNA序列分析技術(shù)，能夠通過高通量的測序平臺獲得數(shù)以千計的DNA片段序列，經(jīng)數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析后，能定義環(huán)境微生物在不同分類水平上的群落結(jié)構(gòu)。

圖5為單、雙層MBR內(nèi)微生物在門（phylum）水平的群落分布。從圖5中可以看出，單、雙層MBR內(nèi)的微生物均主要以變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）為主，這兩者所占比例達 80%［9，10］。其次為綠彎菌門（Chloroflexi）、綠細(xì)菌門（Chlorobi）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae）。Proteobacteria被認(rèn)為是污水處理系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌群之一，因為這類細(xì)菌涵蓋的范圍很廣，包括污水處理過程中多數(shù)的種屬，如好氧或兼性細(xì)菌、嚴(yán)格厭氧菌（硫酸鹽還原菌）等。Bacteroidetes也廣泛存在于污水處理系統(tǒng)內(nèi)，它們可以降解蛋白質(zhì)、碳水化合物等許多復(fù)雜的有機大分子化合物。Nitrospirae是一類革蘭氏陰性細(xì)菌，其中的硝化螺旋菌屬作為硝化細(xì)菌可將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。

圖5　單、雙層MBR內(nèi)微生物在門（phylum）水平的群落分布

雖然兩套反應(yīng)器內(nèi)微生物的優(yōu)勢種群類似，但是在數(shù)量比例上仍有一定差異。Proteobacteria細(xì)菌在單層MBR內(nèi)微生物中所占比例更大。同時，Bacteroidetes在雙層MBR內(nèi)微生物的比例高于其在單層MBR內(nèi)的微生物，這也是雙層MBR內(nèi)具有更高COD去除能力的原因。另外，雖然Nitrospirae在單層MBR內(nèi)微生物中的比例高于其在雙層MBR內(nèi)微生物的比例，但實際運行的結(jié)果表明DO濃度更高的雙層MBR具有更好的氮的去除效果，這說明在實際運行中，DO對污染物的去除具有更顯著的影響。

3　結(jié)　論

本文對已構(gòu)建的具有相同體積的雙層A/A/O-MBR及單層A/A/O-MBR進行研究，得出主要結(jié)論如下：

（1）在相同曝氣量工況下，雙層MBR的污染速率遠低于單層MBR，雙層MBR的運行周期可延長一倍，運行費用更低。雙層MBR具有更高的反應(yīng)器上升流速及氧傳質(zhì)系數(shù)。

（2）在整個運行過程中，雙層MBR系統(tǒng)對COD、NH3-N、TN的去除能力高于單層MBR系統(tǒng)，但其對TP的去除能力較低，主要由反應(yīng)器本身構(gòu)型引起的溶解氧和微生物特性引起。

（3）微生物分析表明兩套反應(yīng)器內(nèi)的微生物優(yōu)勢種群類似，主要以變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）為主，但群落分布比例不同，Proteobacteria細(xì)菌在單層MBR內(nèi)微生物中所占比例更大；Bacteroidetes細(xì)菌在雙層MBR內(nèi)微生物中所占比例更大。

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1009-7716（2016）01-0164-04

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2015-08-26

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2013ZX07314-003）

王盼（1987-），山東泰安人，博士后，研究方向為污水處理。