一体化膜生物反应器处理低C_N污水试验研究.pdf

一体化膜生物反应器处理低 C N 污水试验研究 ＊ 陆谢娟 章北平 李永生 刘礼祥 毛 敏 华中科技大学环境科学与工程学院, 武汉 430074 摘要 研究一体化连续流间歇曝气膜生物反应器 IMBR 处理低 C N 城市污水的工艺效能。 试验结果表明 反应器在 曝气2 h、搅拌 2 h的运行模式下, 对 COD、NH 4-N、TN 和 SS 的平均去除率分别达到了 87, 83. 4, 75. 4和 97. 81, 各出水质量浓度平均值分别为 17. 5, 4. 59, 7. 63和2 mg L, 出水水质达到了GB T18920 -2002城市污水再生利用城市杂用 水水质标准。 关键词 一体化膜生物反应器; 低 C N 污水; 回用 STUDY ON THE INTEGRATED INTERMITTENT-AERATION MEMBRANE BIOLOGICAL REACTOR TO TREAT URBAN WASTEWATER WITH LOW C N RATIO Lu Xiejuan Zhang Beiping Li Yongsheng Liu Lixiang Mao Min School of Environmental Science and Engineering , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074, China Abstract The integrated intermittent -aeration membrane biological reactor IMBR was investigated to treat the low C N ratio urban sewage.Pollutants removal efficiency of IMBR under the condition of aeration 2 h and agitation 2 h were researched.The results showed that the average removal rates of COD, NH 4-N, TN and SS were 87, 83 . 4, 75. 4 and 97. 81 respectively.The average concentrations of COD, NH 4-N,TN and SS in the effluent of IMBR system were 17. 5, 4. 59, 7. 63 and 2 mg L respectively.The effluent quality of IMBR could meet the standard of the requirement reclaimed water quality criterion GB T18920- 2002 . Keywords integrated membrane biological reactor;low C N ratio urban sewage; reuse ＊国家高技术研究发展计划“863”项目“城市污水生物 生态处理技 术与示范” 2003AA601110 ; 教育部 2008 年重点项目“城市污水湖库 补给生物 生态处理关键技术研究” 108161 ; 湖北省 2007 年科技计 划 项 目 “ 城 市 污 水 低 成 本 分 质 净 化 技 术 与 成 套 装 备” 2007AA301B50 。 0 引言 在我国 ,许多城市污水的 BOD、 COD 浓度都比较 低,普遍存在碳源不足的问题 ,尤其以南方地区为甚。 以武汉地区为例 , 城市污水典型水质如下 ρ BOD5 为40 ～ 80 mg L , ρ COD 为 120 ～ 230 mg L , ρ NH 4- N 为 20 ～ 35 mg L, ρ TN 为 25 ～ 40 mg L , ρ TP 为 2～ 4 mg L [ 1] 。由于低浓度污水有机物含量偏低 , 使 用常规脱氮工艺脱氮 ,污水本身所能提供的碳源不能 满足反硝化的要求 ,因此总氮去除率不高 ,这是采用 传统生物脱氮工艺处理低浓度污水时遇到的最大困 难。而已有的生物脱氮新工艺 ,如短程硝化-反硝化 SHARON 工艺 [ 2-3] 、厌氧氨氧化 anammox [ 4] 生物脱 氮技术虽可节约部分反硝化所需碳源甚至不需要外 加碳源 [ 5] ,但是其实现条件很难控制; 同时硝化反硝 化 SND [ 6] 生物脱氮工艺高效节能, 但其菌种的筛选 与驯化还有待深入研究, 而且它对于低浓度有机废水 脱氮也存在有机碳源的问题, 当进水有机物浓度过低 时,脱氮效率不高。 针对我国南方城市污水水质特点及现有污水回 用技术存在的问题, 本试验采用一体化连续流间歇曝 气膜 生 物 反 应 器 IMBR integrated intermittent- aeration membrane biological reactor 处理低 C N 城市污 水,IMBR以连续进水、间歇曝气的操作方式, 通过生 化反应区内曝气 、 搅拌反复交替创造好氧 、 缺氧环境, 实现恒水位 、 连续进出水 、 污泥自回流,使低C N 城市 污水经处理后能够达到直接回用的水质标准 。 49 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 1 试验 1. 1 试验装置 试验装置如图 1 所示。IMBR反应器由有机玻璃 制成 ,由生化主反应区、 三相分离区 、 沉淀区、膜组件、 排泥区等 5 部分组成 。反应器平面尺寸为688 mm 1 042 mm ,反应器高度为1 000 mm , 间歇曝气反应区 平面尺寸为608 mm 608 mm ,体积369. 7 L; 两侧沉淀 区平面尺寸各为137 mm 608 mm 。反应区和沉淀区 通过三相分离器有机结合形成一体化设备,通过池底 的三相分离器, 下滑回流污泥、上升分离气体 , 完成 泥、 水 、 气三相分离过程, 使沉淀区固液有效分离, 分 离后的污泥自行滑入生化反应区, 实现了污泥自回 流,节省了污泥回流费用 。间歇曝气反应区内部装有 组合搅拌器和 2 个小型曝气头, 试验过程中控制曝气 装置和搅拌装置交替运行, 实现好氧、缺 厌氧环境, 达到脱氮除磷目标。膜组件采用0. 2 μ m的聚丙烯中 空纤维膜 。 1配水箱; 2进水箱; 3进水管; 4排泥管; 5溢流管; 6搅拌器; 7溢流堰; 8排气孔; 9污泥回流孔; 10中空纤维膜组件; 11蠕动泵; 12抽吸泵; 13曝气头; 14空气压缩机; 15转子流量计; 16DO、ORP、pH 测定仪。 图 1 IMBR 试验装置示意 1. 2 试验方法 本试验装置持续运行了 6个多月 ,试验污泥取自 武汉市龙王嘴污水处理厂回流污泥 ,驯化2 周后进入 试验阶段, 试验期间水温为10～ 26 ℃, 反应器停留时 间为 8 h 时 ,进水流量为1 m 3 d,根据前期试验确定反 应器运行工况为2 h曝气、 2 h搅拌交替运行 [ 7] 。 试验所用原水为参照武汉市城市污水水质情况 进行人工配水模拟的城市污水 ,以葡萄糖、 蛋白胨 、 氯 化铵、磷酸二氢钾、氯化钙、硫酸镁、氯化铁和化粪池 污水配制而成, 并加入碳酸氢钠调节 pH 值 。试验原 水水质如表 1 所示。 表 1 试验原水水质 项目 ρ COD mgL- 1 ρ NH 4-N mgL- 1 ρ TN mgL- 1 ρ TP mgL- 1 ρ SS mgL- 1 pH ρ COD ρ TN 最大值278 . 4541 . 5447 . 154. 961367 . 636 . 43 最小值92 . 1022 . 1024 . 162. 67476 . 852 . 77 平均值145 . 9629 . 9932 . 373. 7482 . 337 . 114 . 25 2 结果与讨论 2. 1 有机物去除效果 IMBR对 COD的去除效果见图 2。图 2 中生物去 除率指 IMBR 生物单元的去除率, 即反应器沉淀区上 清液相对于进水的去除率 , 总去除率指 IMBR 工艺膜 组件出水相对于进水的去除率。膜的截留率指微滤 膜在沉淀区上清液的基础上对有机物去除的百分比, 即总去除率与生物去除率的差值。 图2 COD 去除效果 由图 2 可知 , 沉淀区上清液的 COD 去除率为 71. 43～ 91. 49, 平均去除率为 81. 70, 上清液 ρ COD浓 度 为 11. 40 ～ 30. 50 mg L , 平 均 值 为 23. 20 mg L ; 膜 出 水 COD 去 除 率 为 73. 47 ～ 97. 60, 平均去除率为 86. 35,膜出水 ρ COD 浓度 为2. 50～ 29. 70 mg L ,平均值为17. 50 mg L 。IMBR 出 水水质远低于 GB T18920 -2002城市污水再生利用 城市杂用水水质标准。 IMBR 对COD去除率非常高而且相对比较稳定。 反应器对有机物的去除效果有两方面 一是微生物对 有机物的降解作用 ; 二是微滤膜的截留作用 ,主要是 膜的机械过滤作用和膜表面胶质状滤饼层所起的作 用,滤饼层附着在膜表面具有复杂的微生物结构, 由 外至里依次为好氧层、兼氧层和厌氧层 , 对于有机物 的去除更加彻底 [ 8] 。膜出水与上清液 COD 去除率的 比较表明 膜出水 COD 去除率与反应器上清液 COD 去除率变化趋势基本相同 ,但膜出水 COD 变化较上 清液 COD 变化要平缓的多, 膜自身 COD 去除率贡献 为0. 56～ 16. 74,平均去除率为 4. 64, 说明膜能 有效截留生物反应器内的有机大分子物质 [ 9] , 强化了 50 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 系统对COD的去除效果 。 2. 2 脱氮效果 IMBR 对氨氮的去除效果见图 3。 图 3 NH 4-N 去除效果 由图 3 可知, 沉淀区上清液的氨氮去除率为 64. 57～ 94. 13,平均去除率为 82. 30,上清液中 ρ NH 4- N 为 1. 44～ 9. 63 mg L , 平均值为4. 88 mg L。 膜出水的氨氮去除率为 65. 50～ 93. 20,平均值为 83. 4, 膜出水中 ρ NH 4- N 为 1. 78 ～ 8. 55 mg L , 平 均值为4. 59 mg L 。IMBR 对氨氮有较高的去除率, 系 统出水的 ρ NH 4- N 稳定在10 mg L以下,大多数情况 下都低于5 mg L,完全满足GB T18920-2002 标准。膜 出水与沉淀区上清液的氨氮去除率几乎相等 , 说明 IMBR 系统中氨氮的去除主要靠生物的硝化和同化作 用来实现, 微滤膜对于 NH 4- N 的去除作用甚微 , 故 图3中膜的截留率几乎为 0。 IMBR 对TN 的去除效果见图 4。微滤膜对 TP 的 去除作用甚微。 图 4 TN 去除效果 2. 3 SS 的去除 IMBR 对SS 的去除效果见图 5。 图 5 SS 去除效果 由图 5可知, 沉淀区上清液中 ρ SS 为 3. 00 ～ 20. 00 mg L ,平均浓度为9. 95 mg L , 膜出水 ρ SS 为 0～ 5. 00 mg L, 平 均 浓 度 为 2. 00 mg L, 去 除 率 为 95～ 100,平均值为 97. 81,系统出水中 SS 浓度 完全优于 GB T18920 -2002 标准 。膜的截留率达到 1. 67～ 20. 00, 平均值为 10. 41,尽管进水 SS 值 有较大波动 ,但出水 ρ SS 一直都稳定在2. 00 mg L左 右,说明膜组件对反应器内的悬浮物和生物污泥具有 良好的截留作用 ,保证了系统稳定的出水水质 。 3 结论 1 IMBR工艺对 COD、 NH 4-N、 TN 和 SS 的去除率 分别达到了 87. 00、 83. 40、75. 40和 97. 81, 各 出水质量浓度平均值分别为 17. 50, 4. 59, 7. 63和 2. 00 mg L ,达到了 GB T18920-2002 标准 。 2 IMBR 系统中微滤膜组件能够截留微生物絮 体、 较大分子有机物和固体悬浮物, 其高效截留作用 强化了 IMBR 反应器对各类污染物的去除, 膜滤后出 水水质有比较大的提高。 3 IMBR 工艺通过设置三相分离器将反应区和膜 分离区有机结合, 通过间歇曝气实现良好的好氧、缺 厌氧环境。 参考文献 [ 1] 姜应和, 张发根, 叶舟, 等. 武汉市城市污水水质特征及其处 理对策[ J] . 武汉理工大学学报, 2002, 24 5 29-31. [ 2] 万金保, 王建永. 基于短程硝化反硝化的SHARON 工艺原理及 技术要点[ J] . 工业水处理, 2008, 28 4 13-15. [ 3] 袁林江, 彭党聪. 短程硝化反硝化生物脱氮[ J] . 中国给水排 水, 2000, 16 2 29-31. [ 4] 孙洪伟, 彭永臻, 王淑莹, 等. 厌氧氨氧化生物脱氮技术的演 变、机理及研究进展[ J] . 工业用水与废水, 2008, 39 1 7 -11. [ 5] 叶剑锋. 废水生物脱氮新技术[ M] . 北京 化学工业出版社, 2006. [ 6] 万金保, 王敬斌. 同步硝化反硝化脱氮机理分析及影响因素研 究[ J] . 江西科学, 2008, 26 2 345 -350. [ 7] 陆谢娟, 李双菊, 刘礼祥, 等. 一体化膜生物反应器的强化脱 氮除磷试验研究[ J] . 中国给水排水, 2008, 24 13 27 -30. [ 8] 陈玉霞. 小城镇污水膜生物反应器处理试验研究[ D] . 西安 西安建筑科技大学, 2005. [ 9] 高玉兰, 冯旭东, 汪苹. 膜-序批式生物反应器处理生活污水 [ J] . 环境工程, 2006, 24 2 14 -16. 作者通信处 陆谢娟 430074 湖北武汉 华中科技大学环境科学 与工程学院市政工程系 电话 027 87792155; 027 61238156 E -mail xiejuan-lu163. com 2008- 09-19 收稿 51 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期