劉恩華，王澤瑞，丁曉惠

（天津工業(yè)大學 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室，天津 300387）

隨著我國城市污水和工業(yè)廢水處理率不斷提高[1]，處理工藝日益成熟，而污泥處理的重要性卻被忽略，相應的產(chǎn)生大量污泥，其中污泥處理的費用占污水處理的25%～50%[2]，嚴重限制廢水處理的有效性和環(huán)境的改善，所以剩余污泥有效處理越發(fā)成為生化處理工藝重要問題[3].由于現(xiàn)存技術主要采取填埋、焚燒、投海等實用性方法，這會造成嚴重的二次污染，污泥的最終處置變得越來越困難，所以對剩余污泥資源化提出了更高的要求[4].由于污泥本身也是一種資源，其中含有豐富的N、P、K、有機物及熱量，可以利用污泥自身所包含的各種微生物消耗污泥以達到污泥減量的目的，這同時也降低了現(xiàn)有污泥處理處置的運行費用.剩余污泥的處理是廢水生物處理法面臨的一個嚴峻的挑戰(zhàn)，迫切需要探索和研究污泥減量的技術方法，膜生物反應器和污泥減量技術的發(fā)展為以上難題提供了可行的方法.

膜生物反應器（membrane bioreactor，MBR）是膜技術與生物處理技術組合的廢水處理新工藝[5]，相比于傳統(tǒng)活性污泥法具有穩(wěn)定的高水通量、出水水質(zhì)好[6]、抗污染和低能耗等優(yōu)點，MBR處理工藝使生化池中水力停留時間與污泥停留時間沒有相關性，這有利于更加靈活的控制操作參數(shù)[7].并且MBR處理工藝有較高的污泥停留時間，使得出水水質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定、可以使污水達到徹底分離，并使MBR內(nèi)保持很高的生物量、SRT延長增殖硝化菌穩(wěn)定的生長環(huán)境、容積負荷小、剩余污泥產(chǎn)量小[8]和運行方便等特點，利用膜生物反應器的這些特點，可應用于污泥減量化，也就是將剩余污泥代替污水，加入膜生物反應器中，在微生物作用下，使剩余污泥逐漸消化、降解.

本文利用外置式膜生物反應器考察污泥減量效果.本實驗管式膜具有8 mm的內(nèi)徑，流道寬，由高強度的支撐層和高精度分離層組成，可以承受較高的湍流和高流速產(chǎn)生的強剪切力，并且由于管式膜膜壁薄，不易污染，易于拆卸和清洗.本文進行了管式膜MBR技術進行污泥減量化研究，考察了管式膜MBR技術的污泥減量化效果，并考察管式膜MBR出水COD、NH3-N等水質(zhì)指標.

1 實驗部分

1.1 實驗試劑與儀器

實驗試劑：葡萄糖、磷酸二氫鉀、硫酸亞鐵銨、氫氧化鈉、氯化銨、硫酸亞鐵，均為分析純，天津市風船科技有限公司產(chǎn)品；尿素、酒石酸鉀鈉，均為分析純，天津市光復科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品；重鉻酸鉀，分析純，天津市贏達稀貴化學試劑廠產(chǎn)品；1、10－菲啰啉，分析純，天津市天新精細化工開發(fā)中心產(chǎn)品；碘化汞，分析純，貴州省銅仁泰瑞爾化工廠產(chǎn)品.

實驗儀器:JPB-607A溶解氧測定儀、DDS-307電導率儀、732N紫外分光光度計、PHS-3C高壓隔膜泵，上海儀電科學儀器股份有限公司產(chǎn)品；1 000 W電子萬用爐，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司產(chǎn)品；ACO-003空氣泵，浙江森森水族股份有限公司產(chǎn)品；PG10000水陸兩棲潛水泵，廣東日生集團產(chǎn)品；超濾管式膜組件，天津海普爾膜科技有限公司產(chǎn)品.

膜材料：聚偏氟乙烯（PVDF），基本參數(shù)如表1所示.

1.2 實驗流程及實驗方法

MBR工藝流程如圖1所示.首先通過培養(yǎng)馴化，提高管式膜MBR池中污泥濃度，達到5 000 mg/L后，MBR池中不再添加營養(yǎng)物質(zhì)，每天只添加一定量的活性污泥，同時產(chǎn)出同等體積的水，并測試MBR反應池污泥濃度、污泥形態(tài)、膜通量以及出水水質(zhì)，反應池有效容積45 L.實驗中所添加污泥為實驗室培養(yǎng)的活性污泥，污泥質(zhì)量濃度為7 000 mg/L.

圖1 MBR工藝流程圖Fig．1 Schematic diagram of MBR process

1.3 水質(zhì)檢測項目及檢測方法

水質(zhì)檢測項目以及檢測方法如表2所示.

表2 水質(zhì)檢測項目及檢測方法Tab.2 Analytical methods of water quality

2 污泥消減量評價

2.1 MBR反應器中污泥濃度變化量

每階段MBR反應器中污泥濃度變化量用ΔC表示，計算公式如下；

式中：C起為每階段污泥起始濃度；C終為每階段污泥最終濃度；ΔC為每階段MBR反應器中污泥濃度變化量.

2.2污泥消減量

每天MBR反應器污泥加入量用W加表示，計算公式如下所示：

式中：C為加入活性污泥濃度；V加為加入活性污泥體積.

每階段MBR反應池污泥總的減少量用ΔW表示，計算公式如下所示：

式中：ΔC為每階段污泥濃度變化量；V為反應器中活性污泥體積.

每階段污泥總消減量用W總表示，計算公式為：

式中：n為每階段實驗天數(shù).

反應器污泥消減速率用S表示，計算公式為：

3 結(jié)果與討論

3.1 管式膜MBR反應池污泥濃度變化情況

本實驗將活性污泥投加到MBR反應池中，同時進行曝氣，利用微生物作用，將活性污泥逐漸消化、降解，達到污泥減量的目的.實驗在MBR反應池污泥培養(yǎng)馴化完成后，分3個階段進行，每階段向MBR生化池中投入不同量的活性污泥，分別為1 L、2 L、4 L的污泥.實驗檢測反應池中的污泥濃度和出水水質(zhì).

反應池污泥濃度變化情況如圖2所示.

圖2 活性污泥含量隨時間變化曲線Fig.2 Concentration of sludge of MBR tank

圖2顯示，在只投加活性污泥的條件下，管式MBR生化池污泥質(zhì)量濃度總體呈減少趨勢，由初始的9 500 mg/L，逐漸減少到后期的7 500 mg/L，說明部分活性污泥在反應池被逐漸氧化消解.在每天分別投加1 L、2 L、4 L活性污泥的情況下，MBR反應池污泥濃度沒有增加，基本呈減小趨勢.本實驗采用階段性的加入新鮮污泥后初始污泥濃度和污泥消化一段時間后污泥濃度的變化，分為第1階段、第2階段、第3階段這3種情況來考察.

污泥減量化評價如表3所示.

表3 污泥減量化評價Tab.3 Evaluation of sludge reduction

由表3可以看出，第1階段、第2階段MBR反應池中污泥平均濃度有較多降低，第3階段變化較小.隨著反應器中加入污泥量的增加，反應池污泥消減量也增加，在第3階段，污泥添加量達到4 L（折合28 g活性污泥）時，反應器的污泥消減量達到了596 g/（m3·d），這說明MBR反應器中活性污泥量隨著加入污泥量的增加，污泥每段時間的減少量逐漸降低，加入量增加到一定量后，反應器中污泥濃度可以達到平衡.

由表3中反應器污泥消減速率可以看出，隨著反應器中加入污泥量的增加，反應池污泥消減量也增加，在第3階段，污泥添加量達到4 L（折合28 g活性污泥）時，反應器的污泥消減量達到了596 g/（m3·d），從圖2中可以看出，污泥濃度的減量化基本維持在一定程度范圍內(nèi).一方面當污泥濃度增加時，隨著活性污泥在生化池中停留的時間增長，必然會導致污泥老化，進而會引起后生生物的生長，使污泥濃度減少[9]；另一方面在貧氧（不提供營養(yǎng)物質(zhì)情況下）污泥可通過內(nèi)源呼吸作用而實現(xiàn)減量化，污泥濃度起初下降顯著，之后則緩慢降低，說明這方面的污泥減量化是有限度的[10].由于污泥有機負荷很低而泥齡極長，污泥負荷降低，使剩余污泥的產(chǎn)量大大減少.所以相對于其他污泥減量技術，管式膜生物反應器有較大的優(yōu)勢.

3.2 污泥中微生物含量以及種類的變化

為了分析MBR反應器對活性污泥消減機理，對反應器中進行了污泥的形態(tài)觀察和研究，在1 600倍的光學顯微鏡下觀察膜生物反應器中的微生物.實驗初期觀察到污泥上的微生物主要有鐘蟲，在實驗后期，可以在光學顯微鏡下看到有蠕蟲游動，還有較大紅斑瓢體蟲和輪蟲，表明實驗期間膜生物反應器中的污泥形狀良好.MBR內(nèi)的污泥減量效果與微型動物的種類和數(shù)量有關[11].

圖3所示為污泥微生物含量以及種類變化的光學顯微鏡圖片.

圖3 污泥微生物含量及種類的變化情況Fig.3 Change of sludge microbial content and species

從圖3中可以看出，在污泥前期單位面積下后生微生物的量較少，在污泥后期，單位面積下后生微生物增多.微生物是污水處理中的作用主體，后生微生物是其中重要組成部分，它們可以通過生理代謝過程對廢水起到直接的凈化作[12]，而且在污泥減量化過程中起到更大作用.

3.3MBR反應池出水水質(zhì)

3.3.1 化學需氧量（COD）

生物反應器中COD的去除率主要與反應器對有機物分解能力以及代謝產(chǎn)物在反應器中積累有關，截留作用主要是由在膜表面形成凝膠層產(chǎn)生的.在考察MBR反應器進行污泥消減的過程中，對MBR出水進行了水質(zhì)檢測，圖4所示為出水COD隨時間的變化曲線.

圖4 COD隨時間的變化曲線Fig.4 COD changes in effluent with time MBR

由圖4可以看出，MBR出水COD基本在40 mg/L以下，這證明了膜生物反應器不但對COD有較強的去除能力，而且同時又有較強的抗沖擊能力，可以穩(wěn)定達到國家的排放標準.這說明在活性污泥減量消解過程產(chǎn)生的有機物、COD等基本被微生物利用并分解.

3.3.2 氨氮

氨氮在生化池中利用微生物轉(zhuǎn)化，可以被看成是氨氮被氧化成硝酸鹽氮是由2種獨立的細菌（氨氧化菌和亞鹽氧化菌）催化完成的.利用反硝化細菌將氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣排出[13]，是通過NH4+-N到NO2--N再到N2這樣的步驟完成氨氮脫氮的過程[14].圖5所示為出水氨氮隨時間的變化曲線.

圖5 管式MBR出水氨氮變化曲線Fig.5 NH3-N changes in effluent with time of MBR tank

由圖5可以看出，MBR出水氨氮基本在5 mg/L以下，可以穩(wěn)定達到國家的排放標準.這說明在活性污泥減量消解過程產(chǎn)生的氨氮等基本全部被微生物利用并分解.

由以上結(jié)論可知，管式膜流道寬，膜內(nèi)流速快，耐污染能力強，可以在更高的污泥濃度下正常運行，由于污泥濃度比較高，管式MBR系統(tǒng)對污泥起到分離作用.

3.3.3 MBR出水電導率、溶解氧和pH

管式MBR出水電導率、溶解氧的變化曲線如圖6所示.

圖6 管式MBR的出水電導率、溶解氧變化曲線Fig.6 Effluents conductivity and dissolved oxygen change curves of MBR

由圖6可以看出，MBR出水電導率基本保持穩(wěn)定，由于生化系統(tǒng)幾乎對電導率沒有去除效果，出水電導率的降低僅依賴膜的分離[15].

由圖6還可以看出，當溶解氧不同時，污泥減量速率以及減量存在一定差異，一般隨著溶解氧值增大，污泥減量較快且量大.溶解氧在5.5～6 mg/L時，反應器中硝化活性高，再加上管式膜對硝化菌的截留作用，使得反應器中硝化菌含量較高，因此系統(tǒng)對氨氮的去除率較高.同時，污泥量的減少會影響溶解氧的傳遞，會提高硝化菌活性，導致污泥減量效果明顯[16].

管式MBR的pH值變化曲線如圖7所示.

圖7 管式MBR的pH值變化曲線Fig.7 pH value change curve of MBR

由圖7可以看出，微生物正常生長的pH值范圍大多在6.0～8.0之間，本實驗中pH值基本保持在7左右，在此范圍內(nèi)微生物的生長活性較好，如果超出此范圍微生物的代謝會受到限制，有機物的去除率會降低[17].而且生化池中酸堿度也是影響反應器中氨氮去除率的重要因素，因為反硝化菌最適宜的pH值也是在7.0～8.5之間.

以上結(jié)果說明，通過MBR反應池對活性污泥進行減量化處理，在不添加營養(yǎng)物質(zhì)并且滿足微生物活性所需的其他環(huán)境因素，例如溫度、pH值、溶解氧等，在不增加能耗和營養(yǎng)物質(zhì)的成本的前提下也可以有效降解活性污泥，實現(xiàn)污泥的減量化，同時出水可以達到國家排放標準.

3.4 膜污染

管式MBR出水通量變化曲線如圖8所示.

圖8 管式MBR出水通量變化Fig.8 Fluxes change curve of MBR

由圖8可以看出，在初期，管式膜通量有較明顯的減小，到后期膜通量基本不變，保持穩(wěn)定.在實驗期間，膜的污染可以歸結(jié)為以下幾個方面.首先是膜材質(zhì)的親疏水性，從延緩膜污染的背景下考慮，應選擇親水性的膜材料.由于本實驗采用聚偏氟乙烯作為膜材料，而聚偏氟乙烯的親水性較差，會使疏水性的污染物在膜表面吸附.再者活性污泥中具有和膜孔徑相近或者更小的溶質(zhì)和膠體顆粒時，在跨膜壓差的作用下，這部分物質(zhì)極易進入到膜孔道而產(chǎn)生吸附和堵塞，因此管式MBR膜污染主要被歸類于這兩方面[18].同時由于污泥質(zhì)量濃度比較高，達8 500 mg/L以上，也是易造成膜污染的原因.膜污染是限制MBR系統(tǒng)廣泛應用的瓶頸[19]，大幅度增加了MBR的投資和運行成本，是現(xiàn)在亟待解決的問題.

4 結(jié)論

在不添加任何營養(yǎng)物質(zhì)的情況下，通過向管式MBR生化池中投入污泥的方法以實現(xiàn)污泥減量化.對MBR反應池中污泥濃度變化情況分析顯示：

（1）管式MBR系統(tǒng)由于其流道寬、高強度的支撐層與高精度的分離層等特點，可以在較高流速下進行實驗，活性污泥的消解速率可以達到596 g/（m3·d），有較好的污泥減量效果，可以有效消解活性污泥.

（2）在實驗條件下，出水COD維持在40 mg/L以下，氨氮在5 mg/L以下，都達到了國家的排放標準.

（3）以管式MBR污泥減量技術所具有的顯著優(yōu)點，以及較好的處理效果，使其相對于其他傳統(tǒng)處理技術具有更簡單的操作條件和更小的運行成本.

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