黃正文， 謝澤宇

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610106； 2.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 四川 綿陽 621000)

一體式A/O-MBR反應(yīng)裝置處理農(nóng)村生活污水研究

黃正文1， 謝澤宇2

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610106； 2.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 四川 綿陽 621000)

采用連續(xù)曝氣預(yù)啟動(dòng)逐步延長(zhǎng)停曝時(shí)間的方式啟動(dòng)一體式A/O-MBR反應(yīng)裝置處理農(nóng)村生活污水.試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置的污泥馴化時(shí)間和工藝運(yùn)行穩(wěn)定后出水CODcr、氨氮、SS平均值分別為17.13、1.38、3.31 mg/L，均能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)的排放，因受污泥泥齡等因素影響，裝置對(duì)總磷的去除效果不太明顯.

一體式反應(yīng)裝置；農(nóng)村生活污水；膜生物反應(yīng)器；污水處理

0 引 言

近年來，由于各大、中型城市污水處理廠及附屬設(shè)施的建設(shè)，城市地區(qū)的水環(huán)境污染情況已得到極大的緩解與控制.而農(nóng)村地區(qū)的生活污水一般未經(jīng)處理，就直接排入附近小溝渠道并最終進(jìn)入江河等受納水體，導(dǎo)致整個(gè)地區(qū)的水環(huán)境污染呈現(xiàn)不斷加劇的趨勢(shì)[1-2].膜分離技術(shù)與污泥生物處理法有機(jī)結(jié)合的生物化學(xué)反應(yīng)(membrane biological reactor，MBR)[3]系統(tǒng)，是一種新型的污水處理工藝技術(shù).其中，膜分離用于截留微生物，由于它用膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥處理法工序中的二次沉淀池，大大提高了反應(yīng)裝置的固液分離的能力[4].目前，基于MBR工藝技術(shù)的研究取得大量的成果，并廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的污水處理工程中[5-8].在此基礎(chǔ)上，本研究利用“厭氧+好氧+MBR”組合工藝為一體的膜生物反應(yīng)裝置來處理農(nóng)村生活污水，分析了該一體化反應(yīng)裝置的啟動(dòng)條件及穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)對(duì)農(nóng)村生活污水的處理效果，對(duì)該裝置部分運(yùn)行工況的參數(shù)做了優(yōu)化，擬為MBR工藝技術(shù)處理類似的農(nóng)村生活污水提供一種有益的參考.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置工藝流程

本試驗(yàn)裝置處理農(nóng)村生活污水的工藝流程如圖1所示.

圖1生活污水處理工藝流程示意圖

1.2 試驗(yàn)用水

本試驗(yàn)所用的污水以成都市溫江區(qū)某CASS污水廠調(diào)節(jié)池出水為研究對(duì)象，根據(jù)該水廠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其BOD5/COD>0.3，污水的可生物降解性良好，污水實(shí)測(cè)水質(zhì)如表1所示.

表1 進(jìn)水水質(zhì)實(shí)測(cè)指標(biāo)

1.3 水質(zhì)分析方法

本研究對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析采用的方法如表2所示.其中，

CODcr的標(biāo)準(zhǔn)曲線：y=0.0004x-0.0004，R2=0.9997；

氨氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線：y=0.171x+0.004，R2=0.999；

表2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)與分析方法

總磷的標(biāo)準(zhǔn)曲線：y=0.077x+0.005，R2=0.999.

1.4 污泥馴化

本A/O-MBR膜生物反應(yīng)裝置試驗(yàn)所采用的接種污泥全都取自成都市溫江區(qū)某CASS污水處理廠二沉池的排放污泥，該污水處理廠采用CASS生物處理工藝達(dá)到有機(jī)物和氮磷的去除，因此污泥微生物相豐富，接種污泥的SVI值在58.3～65.7 mL/g之間.

污泥馴化的流程為：悶曝24 h之后，風(fēng)機(jī)停止曝氣，靜置1 h，排去好氧池上清液直至顯現(xiàn)膜支架1/2處；然后重新補(bǔ)滿原水進(jìn)行污泥馴化.重復(fù)進(jìn)行2 d之后，開始進(jìn)行小通量測(cè)量的進(jìn)、出水各項(xiàng)指標(biāo).

2 結(jié)果與分析

2.1 CODcr去除效果分析

在A/O-MBR膜生物反應(yīng)裝置啟動(dòng)運(yùn)行過程中，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，反應(yīng)裝置進(jìn)出水的CODcr濃度及其去除率的變化如圖2、圖3所示.

圖2 CODcr濃度隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線

從圖2可以看出，A/O-MBR反應(yīng)裝置的進(jìn)水CODcr濃度波動(dòng)比較小，濃度范圍在168～192 mg/L之間，平均濃度值為176 mg/L.反應(yīng)裝置運(yùn)行10 d后，出水CODcr濃度范圍在13～26 mg/L之間，平均濃度在16.8 mg/L，雖然有輕微波動(dòng)，但整個(gè)曲線趨于平緩，這說明反應(yīng)裝置內(nèi)的生物相成長(zhǎng)已接近成熟，菌膠團(tuán)逐步增大，大顆粒污泥正在形成，生物相對(duì)反應(yīng)裝置內(nèi)的污染物已經(jīng)逐漸適應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)供試污水進(jìn)行處理，達(dá)到降低污染物的作用.

圖3 CODcr去除效率隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線

從圖3可以看出，在污泥馴化開始的3 d中，對(duì)CODcr還是有60%以上的去除率，對(duì)CODcr去除效果可以驗(yàn)證膜對(duì)懸浮有機(jī)物的截留.隨著反應(yīng)裝置經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行馴化，活性污泥中原有微生物在新的工況環(huán)境中慢慢地適應(yīng)調(diào)整，開始改變轉(zhuǎn)好活性污泥的性狀，污泥沉降比(SV%)在40%～50%，污泥濃度SVI逐步提高，穩(wěn)定在5 000～6 000 mg/L左右.此階段，膜生物反應(yīng)裝置對(duì)有機(jī)污染物去除效果起作用，開始從膜組件對(duì)有機(jī)污染物的截留作用向微生物對(duì)有機(jī)污染物的分解、合成代謝作用轉(zhuǎn)變.經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，本膜生物反應(yīng)器裝置啟動(dòng)10 d之后，對(duì)有機(jī)污染物的去除效率可達(dá)到90%以上.

2.1.1 膜對(duì)CODcr去除的影響.

在A/O-MBR運(yùn)行工藝中，由于膜組件在出水時(shí)對(duì)混合液中的污泥起到截留作用：一方面，反應(yīng)裝置的污泥濃度得以提高，進(jìn)而增加單位體積下的微生物總量；另一方面，增長(zhǎng)其有機(jī)污染物與活性污泥的接觸時(shí)間.此外，由于膜元件的截留作用，膜生物反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的去除能力在很大程度上得到強(qiáng)化.

2.1.2 溶解氧濃度與CODcr去除率的關(guān)系.

溶解氧濃度是膜生物反應(yīng)器運(yùn)行的重要參數(shù)，其不僅向反應(yīng)器中的活性污泥中的微生物種群提供氧氣，而且曝氣使得反應(yīng)器中的水流產(chǎn)生攪動(dòng)，加劇了反應(yīng)器中的紊流程度，產(chǎn)生水力剪切力.曝氣還能使膜元件表面產(chǎn)生一定程度上的震動(dòng)，剔除附著在膜元件表面上的污染物，延長(zhǎng)膜元件清洗的周期.

A/O-MBR反應(yīng)裝置穩(wěn)定運(yùn)行期間，好氧曝氣區(qū)DO濃度的不同，反應(yīng)裝置對(duì)CODcr的去除效果可能存在差異.不同溶解氧濃度下，反應(yīng)器CODcr去除率的變化情況如圖4所示.

由圖4可以看出：在保持好膜生物反應(yīng)裝置中缺氧區(qū)間的溶解氧濃度在0～0.5 mg/L的條件下，通過調(diào)節(jié)曝氣的強(qiáng)度，改變好氧區(qū)間的溶解氧濃度，從1.5～2.5 mg/L升至2.5～3.5 mg/L，再升至3.5～4.5 mg/L，整個(gè)污水處理系統(tǒng)對(duì)CODcr的去除效率在85.47%～92.65%范圍內(nèi)，去除效率隨著溶解氧濃度的變化，先升高再降低，平均去除效率為90.26%.

圖4溶解氧濃度對(duì)CODcr去除效率的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將反應(yīng)裝置好氧區(qū)間溶解氧濃度控制在1.5～4.5 mg/L范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除沒有很大的影響.所以，從節(jié)省能源的角度上來看，反應(yīng)裝置可以考慮在低溶氧濃度范圍下的工況下運(yùn)行.相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，并不是增加溶解氧濃度就有利于提高反應(yīng)裝置的處理效果，溶解氧濃度的選定有一個(gè)最佳值，低于此數(shù)值時(shí)，不利于硝化反應(yīng)進(jìn)行，抑制反應(yīng)裝置內(nèi)生物活性，高于此數(shù)值時(shí)，不利于在反應(yīng)裝置內(nèi)形成粒徑較大的大顆粒污泥，這就使得反應(yīng)裝置內(nèi)生化反應(yīng)進(jìn)行緩慢，不利于其他污染物的去除[9].

2.2 氨氮去除效果分析

在A/O-MBR膜生物反應(yīng)裝置啟動(dòng)運(yùn)行過程中，隨著運(yùn)行天數(shù)的增加，反應(yīng)裝置進(jìn)、出水氨氮濃度及其去除率的變化如圖5、圖6所示.

圖5隨運(yùn)行時(shí)間變化氨氮去除效果

從圖5可以看出，反應(yīng)裝置運(yùn)行30 d后，其進(jìn)水氨氮濃度一直穩(wěn)定在16.6～18.6 mg/L的范圍之內(nèi)，平均值為17.7 mg/L，培養(yǎng)系統(tǒng)運(yùn)行13 d后，出水氨氮濃度范圍在1.16～1.58 mg/L之間，平均濃度為1.38 mg/L.可見，反應(yīng)裝置在運(yùn)行一段時(shí)間之后，對(duì)氨氮的去除效果比較穩(wěn)定.

從圖6可以分析得出，系統(tǒng)運(yùn)行13 d后， 反應(yīng)裝置的氨氮平均去除率91.29%，最高為93.17%，出水水質(zhì)穩(wěn)定.其中氨氮已達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918-2002一級(jí)A標(biāo)，可滿足污水排放的要求.

圖6隨運(yùn)行時(shí)間變化氨氮去除效率曲線

為了探究膜生物反應(yīng)器中含氮有機(jī)物的分布情況，通過檢測(cè)，好氧池中的上清液中氨氮平均含量為1.47 mg/L，與出水中的氨氮平均含量1.38 mg/L相比，整個(gè)污水處理系統(tǒng)總?cè)コ屎蜕锓磻?yīng)器的去除率沒有很大的差別.可見，平板膜的分離、截留作用對(duì)氨氮的去除并無太大的貢獻(xiàn)，對(duì)含氮有機(jī)物的去除主要是微生物新陳代謝的作用.

針對(duì)本試驗(yàn)對(duì)象屬于低有機(jī)負(fù)荷的生活污水，A/O-MBR工藝與傳統(tǒng)活性曝氣污泥法相比，具有更強(qiáng)的硝化效果.這是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)活性曝氣污泥法中，有機(jī)負(fù)荷是影響硝化效果一個(gè)很重要的因素.在低濃度的有機(jī)負(fù)荷的條件下，相比于其他類細(xì)菌，硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)不占據(jù)優(yōu)勢(shì)，硝化菌的比增長(zhǎng)速度較小，并且由于排泥的需要，硝化細(xì)菌來不及生長(zhǎng)就排出系統(tǒng).而在A/O-MBR運(yùn)行工藝中，由于膜組件在出水時(shí)對(duì)混合液中的污泥起到截留作用：一方面，反應(yīng)器的污泥濃度得以提高，進(jìn)而增加單位體積下的微生物總量，并且，可以促進(jìn)繁殖生長(zhǎng)世代周期較長(zhǎng)的硝化細(xì)菌，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)好氧硝化菌的富集；另一方面，增長(zhǎng)了氨氮與活性污泥中的微生物的接觸時(shí)間，從而，提高了污水中氨氮的去除效率[10].

2.3 總磷去除效果分析

在A/O-MBR膜生物反應(yīng)裝置啟動(dòng)運(yùn)行過程中，反應(yīng)裝置采取無排泥狀態(tài)運(yùn)行，隨著運(yùn)行天數(shù)的增加，反應(yīng)裝置進(jìn)、出水總磷濃度及其去除率的變化如圖7、圖8所示.

從圖7、圖8可以看出，反應(yīng)裝置的進(jìn)水總磷濃度波動(dòng)比較小，濃度范圍在2.23～2.57 mg/L之間，平均濃度值為2.37 mg/L.在啟動(dòng)初期，反應(yīng)裝置運(yùn)行的17 d內(nèi)，總磷的去除效率呈上升的趨勢(shì)，因?yàn)樵诜磻?yīng)裝置的運(yùn)行初始階段，活性污泥的生長(zhǎng)需要吸收一部分磷，隨著系統(tǒng)的馴化穩(wěn)定，細(xì)胞對(duì)磷需求量的減少，加之沒有排出剩余富磷污泥的原因，造成系統(tǒng)中磷的不斷積累，總磷去除率隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，運(yùn)行25 d后，總磷的去除效率為23.81%～29.91%.

圖7隨運(yùn)行時(shí)間變化總磷去除效率曲線

圖8隨運(yùn)行時(shí)間變化總磷去除效率曲線

試驗(yàn)表明，反應(yīng)裝置在無排泥條件下連續(xù)運(yùn)行，總磷的去除效率不穩(wěn)定，磷在反應(yīng)裝置中有明顯的累積現(xiàn)象.試驗(yàn)中除每天取泥樣外無排泥，從理論上講，反應(yīng)裝置不能滿足生物除磷條件，總體來說，對(duì)磷的去除效果不佳.

由于在本次試驗(yàn)研究中，反應(yīng)器在運(yùn)行17 d時(shí)，總磷的去除效果呈上升態(tài)勢(shì)，所以，針對(duì)類似生活污水，可以將污泥齡的控制在17 d左右.在具體工程的運(yùn)行中應(yīng)經(jīng)過試驗(yàn)來確定其數(shù)值，并且探究排泥量對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.

2.4 SS去除效果分析

在反應(yīng)裝置啟動(dòng)運(yùn)行過程中，隨著運(yùn)行天數(shù)的增加，反應(yīng)裝置進(jìn)、出水SS濃度及其去除率的變化如圖9所示.

從圖9可以看出，從反應(yīng)裝置開始啟動(dòng)運(yùn)行的30 d內(nèi)，反應(yīng)裝置的SS進(jìn)水濃度范圍為119～132 mg/L，平均濃度為126.5 mg/L，SS出水的濃度范圍在3.0～3.6 mg/L，平均濃度為3.31 mg/L，進(jìn)、出水的SS濃度波動(dòng)不大.SS的處理效率為97.14%～97.63%.可見，在膜的截留作用下，SS的去除效果良好，并且穩(wěn)定.

由于農(nóng)村生物污水的自身的有機(jī)物含量就比較低，用傳統(tǒng)活性污泥處理有著很大的局限性，而在本次試驗(yàn)所使用的A/O-MBR工藝中膜的截留作用保證了反應(yīng)裝置內(nèi)的微生物量，從而得到了穩(wěn)定良好的出水水質(zhì).

圖9 SS的處理效率

3 結(jié) 論

本研究采用一體式A/O-MBR反應(yīng)裝置對(duì)污染物(CODcr、NH3-H、總磷、SS)進(jìn)行處理，得到以下結(jié)論：

1)A/O-MBR反應(yīng)裝置對(duì)CODcr、氨氮、SS的去除效果比較理想，裝置運(yùn)行穩(wěn)定性較好，其出水的CODcr、氨氮、SS平均值分別為17.13、1.38、3.31 mg/L，均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918-2002一級(jí)A標(biāo)的排放.

2)反應(yīng)裝置的氨氮去除率均達(dá)到90%以上時(shí)僅用了13 d時(shí)間，可見本反應(yīng)裝置啟動(dòng)迅速，馴化污泥的時(shí)間比較短.

3)在試驗(yàn)中，進(jìn)水有機(jī)物濃度較低，為了保證反應(yīng)裝置中足夠的微生物量，采用無排泥方式運(yùn)行，這樣對(duì)磷的去除幾乎無法實(shí)現(xiàn).對(duì)此，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，反應(yīng)裝置存在一個(gè)較為合適的污泥齡，當(dāng)污泥齡控制在17 d時(shí)，選擇排掉一部分污泥，可以使得富磷污泥能夠排出系統(tǒng)之外，從而達(dá)到除磷的目的.

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Abstract：The pre-boot of continuous aeration is adopted to gradually extend aeration on/off time and in the same way,the integrated device of A/O-MBR is activated.When the research on the sludge acclimatization time of this process is done and the process runs stably for some time,the average effluent chemical oxygen demand ammonia nitrogen,suspended solids are 17.13,1.38,3.31 mg/L.All can meet the criteria of the Grade A,Level 1 emission according to the sandards for pollutant discharge of urban sewage treatment plants issued by the ministry of environmental protection.The effect of the system on the removal of total phosphorus is poor due to the influence of the sludge age and some other factors.

Keywords:integrated device；rural sewage；membrane bioreactor；sewage treatment

RuralSewageTreatmentbyIntegratedDeviceofA/O-MBR

HUANGZhengwen1,XIEZeyu2

(1.School of Architecture and Civil engineering, Chengdu university, Chengdu 610106, China；2.School of Environment and Resource, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621000, China)

X703

A

1004-5422(2017)03-0328-05

2017-06-02.

黃正文(1969 — )， 男， 博士， 教授， 從事污染控制關(guān)鍵技術(shù)研究.