一体式膜-生物反应器同步硝化反硝化中试试验.pdf

一体式膜-生物反应器同步硝化反硝化中试试验 ＊ 刘江锋 王志伟 吴志超 王文标 顾国维 同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092 摘要 当污泥浓度维持在 19～ 20 g L 时, 一体式平板膜-生物反应器运行 112 d, 通量稳定在 25. 2～ 25. 7 L m2h, 运行 过程除正常曝气以保持对膜进行水力冲刷外没有进行任何物理和化学清洗。 试验考察不同 DO 浓度对同步硝化反硝 化效果的影响, 结果表明, 反应器内有较好的硝化反硝化效应, 当温度在 18～ 12 ℃变动时, 膜生物反应器的硝化反硝 化效果基本不受温度的影响。 关键词 一体式膜-生物反应器 平板膜 同步硝化反硝化 污水处理 ＊国家高技术发展计划“863”项目 2002AA601220 ; 教育部科学技术 研究重点 重大 项目资助 03070 0 引言 常规生物脱氮工艺是基于硝化-反硝化机理, 利 用好氧硝化、缺氧反硝化来达到脱氮目的。膜-生物 反应器 MBR 由于其高效截留作用,反应器内可以维 持较高的污泥浓度 ,在控制适宜 DO 的情况下, 可以 实现同 步硝 化和 反硝 化 simultaneous nitrification denitrification, SND 效应 。MBR 布置紧凑、占地面积 小,如果一级好氧 MBR 同时具有良好的 SND 效应, 将会使MBR 技术具有很好的应用前景 [ 1,2] 。本研究 采用中试规模的一体式平板膜- 生物反应器处理实际 生活污水 ,利用平板膜高通量 、 抗污染能力强的优点, 在维持MBR高污泥浓度 、 高通量长期运行时, 研究其 同步硝化反硝化作用 ,为工程实际应用提供依据。 1 试验装置与方法 1. 1 试验装置 试验装置如图1 所示。MBR有效容积1. 1m 3 ,平 板膜材质为聚醚砜, 膜孔径为0. 23 μ m, 膜组件有效膜 面积为21 m 2 。 图 1 MBR 装置示意图 试验进水为上海市某生活污水处理厂的沉砂池 出水 ,经过进水泵提升进入MBR 配水槽 ,配水槽内设 有0. 9 mm 的格网 ,通过液位控制器控制进水泵的启 闭以维持反应器内水位恒定。时间控制器控制出水 泵的启闭, 采用抽 10 min、停 2 min 的模式运行 ,鼓风 机通过穿孔曝气管向 MBR 内供氧并对膜面进行冲 刷,由气体流量计计量曝气量 。 1. 2 试验方法 MBR采用恒通量的运行模式 。MBR水力停留时 间2. 2 h ,污泥龄 40 d, 污泥浓度稳定在 19 ～ 20 g L。 试验过程中 MBR的 pH 值在 7. 4～ 7. 8 之间波动。试 验期间的曝气量在 22 ～ 30 m 3 h 波动, 膜面流速在 0. 2～ 0. 4 m s 之间变动 。 2 试验结果 2. 1 MBR运行状况 MBR运行 112 d,抽吸 10 min 时流量始终稳定在 530～ 540 L h ,即膜通量在25. 2～ 25. 7 L m 2h ; 停抽 2 min 过程中 ,MBR由于重力自流作用 ,流量在 130～ 140 L h ,将停抽通量计算在内, 得到实际膜通量为 22. 1～ 22. 5 L m 2h ,处理流量为 11. 1～ 11. 3 m3 d。 运行过程除正常曝气以保持对膜进行水力冲刷外没 有进行任何物理和化学清洗。过膜压力 TMP 平稳 上升 ,从 4 kPa 变化到 21 kPa , 其变化状况如图 2 所 示。第 90 d 时 ,MBR 曝气管由于意外断裂导致曝气 停止 ,而出水泵仍运转,使运行压力跳升 3 kPa。 图2 MBR 运行 TMP 变化 13 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 2. 2 DO 浓度对 TN 的去除影响 1 当 MBR 曝气量为 30 m 3 h 时 , 反应器内 DO 浓度为 0. 4～ 0. 5 mg L 。进水 C N 比值在 6 ～ 8 之间 波动, 反应器内水温为 17 ～ 18 ℃ 下同 。MBR处理 效果见表 1 [ 3,4] 。 表 1 DO 浓度为 0. 4～ 0. 5 mg L 时的处理效果mg L 项目 CODCr NH 4- N NO- 3- N NO- 2- N TN 进水223. 0～495. 226. 5～ 50. 00. 0～ 3. 50. 04～ 0. 2037. 0～ 61. 0 出水10. 0～28. 11. 3～ 6. 011. 6～ 24. 00. 11～ 0. 1818. 6～ 29. 2 去除率 94. 0～98. 081. 1～ 93. 749. 7～ 52. 0 2 当 MBR 曝气量为 26 m 3 h 时 , 反应器内 DO 浓度为0. 2～ 0. 3 mg L。其处理效果见表 2。 表 2 DO 浓度为 0. 2～ 0. 3 mg L 时的处理效果mg L 项目 CODCr NH 4- N NO- 3- N NO- 2- N TN 进水230. 8～499. 228. 9～ 51. 40. 0～ 1. 90. 04～ 0. 1838. 8～ 70. 0 出水10. 0～30. 63. 5～ 7. 82. 8～ 9. 60. 10～ 0. 4013. 2～ 19. 2 去除率 93. 9～98. 082. 5～ 87. 966. 0～ 72. 6 3 当 MBR 曝气量为 24 m 3 h 时 , 反应器内 DO 浓度为0. 15～ 0. 2 mg L 。此时MBR处理效果见表 3。 表 3 DO 浓度为 0. 15～ 0. 2 mg L 时的处理效果mg L 项目CODCrNH 4 - NNO- 3 - NNO- 2 - NTN 进水229. 5～550. 329. 9～ 56. 90. 4～ 1. 80. 0～ 0. 236. 4～ 67. 8 出水10. 0～35. 012. 6～ 16. 11. 4～ 5. 50. 10～ 0. 215. 8～ 23. 0 去除率 93. 6～98. 246. 2～ 77. 951. 9～ 71. 9 2. 3 温度对TN 去除的影响 从实际运行的情况看 ,反应器内温度从 18 ℃降 至12 ℃,SND 的效果基本不受影响, 其主要原因可能 为反应器内污泥浓度较高 19～ 20 g L , 污泥絮体内 部细菌仍能保持较好的活性。表 4为当反应器内 DO 浓度为 0. 2～ 0. 3 mg L 时,TN 去除效果随温度的变化 情况 数据均为 4 次监测值的平均值 。 表 4 温度对 TN去除率的影响 温度 ℃TN 去除率 17. 969. 2 16. 868. 7 14. 568. 2 13. 269. 8 12. 067. 7 3 SND 机理探讨 影响 SND 效果因素有污泥絮体大小 、污泥浓度、 DO 、 C N 以及 pH 值等; 但是最基本、最重要因素有 3 个 C N、 DO 和絮体大小 [ 5] 。对于 C N 影响 SND 效 果的研究较多, 如齐唯 [ 1] 研究了 C N 对 TN 去除率的 影响 ,当 DO 浓度为 1. 0 mg L ,C N 值为 10 和 15 时, TN 去除率分别为 52. 8和 83. 6; 邹联沛 [ 2] 研究结 果表明 ,当 DO 浓度为 1. 0 mg L ,C N 值为 5、 9. 7、 20. 6 和31. 5 时, TN 去除率分别为 20. 6、71. 7、 88. 8 和95. 9。这些研究表明 C N 的比值越大 , 相应的 TN 去除率越高 。本试验进水是实际生活污水 ,其 C N 值始终在 6～ 8 之间, pH 值在 7. 4～ 7. 8 之间 ,因而 影响其SND效果的主要因素归结为絮体大小与 DO 浓度 。 对MBR稳定运行时的絮体粒径进行分析, 结果 如图 3 所示, 其平均粒径为 84. 50 μ m 。测定结果与 Klangduen [ 5] 等人测定的结果近似, 如此大小的絮体为 产生 SND 效应提供了良好的条件。Klangduen [ 6] 等人 对絮体粒径大小与 SND 关系进行了研究, 在进水 NH 4- N 浓度 140 mg L, 进水 CODCr为1 450 mg L , DO 浓度控制在 0. 3～ 2. 5 mg L 之间时, 平均粒径为80 μ m 污泥的 SND 效果可以达到 52; 而同等条件下平均 粒径为 40～ 50 μ m 污泥的 SND 效果仅为 21, 这一 结果证实了絮体粒径是影响SND的一个重要因素 。 图 3 MBR 污泥颗粒粒径分布 在一体式平板 MBR 中 ,由于其污泥浓度比传统 活性污泥法高出 3～ 5 倍甚至更多 ,对氧的传递具有 一定的限制 。传氧速率系数 α 其值为活性污泥中氧 的传递系数 KLam与清水中氧的传递系数 KLa w之比 可 以表征混合液的性质对氧气传质的影响 [ 4,7] , 本试验 测定了10～ 11 ℃ 时 ,MLSS 浓度为 6. 5 、 16. 5 和 20 g L 的 α 值分别为 0. 54、0. 24 和 0. 16。其主要机理可以 通过气液反应器的传质特性进行分析 [ 8 -10] ,传质系数 随污泥固体浓度的增加 增大了比相界面 ,粘度的增 大 降低了表观气速和气含率 而减小 。本试验污泥 浓度为 19～ 20 g L ,由于污泥浓度较大, 粘度较大 高 污泥浓度导致流体粘度增加 ,污泥浓度20 g L时的粘 度为 4. 5 mPas 12 ℃ 致使传氧速率系数低, 所以 当曝气强度满足MBR膜正常水力清洗的条件下, 反 应器内依然可以维持较低的 DO 浓度 , 为 MBR 工艺 的SND效应提供了有利条件 。 14 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 同时,在菌胶团内也存在 DO 梯度分布, 如图 4 所示 [ 11] 。在维持适当的 DO 浓度下,菌胶团同时具有 缺氧区和好氧区 ; 当 DO 浓度太高时 , 氧的穿透能力 增强 ,菌胶团内部难以形成缺氧区从而降低了反硝化 能力; 同时 DO 浓度较高的情况下 , 微生物对底物的 消耗增加, 以至于碳源难以扩散进入菌胶团的缺氧 区,因而也会造成由于碳源不足而影响反硝化效果。 本试验中当 DO 浓度为 0. 4 ～ 0. 5 mg L , CODCr和 NH 4- N的去 除率均 较好, 但 出水 NO - 3-N 浓 度为 11. 6～ 24. 0 mg L ,说明反硝化效果欠佳 ,TN 去除率不 高。当 DO 浓度为 0. 2～ 0. 3 mg L ,CODCr去除效率变 化不大, NH 4- N 去除率略有下降, 但是出水 NO - 3- N 大幅度下降 ,反硝化效果变好,TN 去除率得以提高。 当DO 浓度为 0. 15 ～ 0. 12 mg L ,CODCr去除率变化不 大,但 NH 4- N 的去除率下降 , 原因为 DO 太低, 硝化 效果变差; 与DO 浓度 0. 2～ 0. 3 mg L 时相比 TN 的去 除率变差且不太稳定 。 图 4 絮体内 DO 及基质浓度分布示意图 4 结论 1 当MBR 污泥浓度在 19～ 20 g L 左右时 ,MBR 运行 112 d ,通量稳定在25. 2～ 25. 7 L m 2 h ,压力从 4 kPa 上升至 21 kPa。 2 当反应器内 DO 浓度为 0. 4～ 0. 5 mg L ,MBR 对 CODCr、 NH 4-N 和 TN 的去除率分别为 94. 0～ 98. 0、81. 1～ 93. 7、49. 7～ 52. 0, 此时的硝 化效果较好,但反硝化效果欠佳。 3 当反应器内 DO 浓度为 0. 2～ 0. 3 mg L ,MBR 对 CODCr、 NH 4-N 和 TN 的去除率分别为 93. 9～ 98. 0、82. 5～ 87. 9、66. 0～ 72. 6。此时 TN 的去除率较高, 说明反应器内有较好的 SND 效应, 这 一条件是本中试运行的适宜条件。 4 当反应器内 DO 浓度为 0. 15～ 0. 2 mg L ,MBR 对 CODCr、NH 4-N 和 TN 的去除率分别为 93. 6～ 98. 2、46. 2～ 77. 9、51. 9～ 71. 9, 此时的硝 化效果不好 ,出水NH 4- N 值偏高 。 5 在MBR 正常运行期间 , 当水温从 18 ℃变化 至12 ℃ 时 ,SND 的效果基本不受影响 ,体现了一体式 平板MBR的优点。 参考文献 [ 1] 齐唯, 李春杰, 何义亮. 浸没式膜生物反应器的同步硝化反硝化 效应. 中国给水排水, 2003, 19 7 8 -11. [ 2] 邹联沛, 刘旭东, 王宝贞等. MBR 中影响同步硝化反硝化的生态 因子. 环境科学, 2001, 22 4 51-55. [ 3] 国家环保局. 水和废水监测分析方法. 北京 中国环境科学出版 社, 1989. [ 4] Berthold Gǜnder,KarlheinzKrauth.Repalcementofsecondary clarification by membrane separationResults with tubular, plate and hollow fiber modules. Wat. Sci. Tech. , 1999,40 4 -5 311 -320. [ 5] Klangduen Pochana, Jǜrg Keller. Study on factors affecting simultaneous nitrification and denitrification SND . Wat . Sci. Tech. , 1999, 39 6 61 -68. [ 6] Klangduen Pochana, Jǜrg Keller. Model development for simultaneous nitrification and denitrification. Wat. Sci. Tech. , 1999, 39 1 235 -243. [ 7] 章非娟. 水污染控制实验. 北京 高等教育出版社, 1988. [ 8] 张成芳. 气液反应和反应器. 北京 化学工业出版社, 1985. [ 9] 姜信真. 气液反应理论与应用基础. 北京 轻工业出版社, 1989. [ 10] E. L. 柯斯乐. 王宇新, 姜忠义译. 扩散 -流体系统中的传质 第二 版 . 北京 化学工业出版社, 2002. [ 11] 高廷耀, 周增炎. 生物脱氮工艺中反硝化现象. 城市给排水, 1998,24 12 6 -9. 作者通讯处 吴志超 200092 上海市同济大学环境科学与工程学 院污染控制与资源化研究国家重点实验室 电话 021 65980400 E -mail wittyfht 126. com 2006- 04-08 收稿 声 明 为适应我国信息化建设,扩大本刊及作者知识信息交流渠道, 本刊已加入“中国期刊全文数据库” , 其作者 著作权使用费与本刊稿酬一次性付给。如作者不同意将文章编入该数据库 ,请在来稿时声明 ,本刊将做适当处 理,如不声明视为同意。 15 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 STUDY ON PERANCE OF TREATING POLLUTED RIVER WATER IN SEEPAGE BIOLOGICAL BEDLin Yanqing He Miao Hu Hongying et al7 Abstract The seepage biological bed SBBis the advisable technique for the treatment of heavily polluted water in small -river, and has good prospect in the application of the polluted river management in the north of China. The poor operation perance inwinter due to low water temperature, is one of main difficulties that affecting polluted river water treatment in the north of China. Based on the field pilot-scale experiment for the whole year, the effect of water temperature on polluted river water treatment by SBB is studied. The study shows that SBB has a good effect of removing CODCr, NH3-N and turbidity in river water; the removal rate and loaging are affected greatly by water temperature. Keywords seepage biological bed, polluted river water treatment, water temperature and operation perance THE EXPERIMENT ON INFLUENCE OF DENSITY FLOW ON COAGULATING PRECIPITATION IN THE SEDIMENTARY BASINZhanYong DongJieshuang Zhu Xuedan 10 Abstract Density flow is extremely unfavourable to the precipitation process in horizontal -flow sedimentation basin, in order to raise precipitation effect, forestall the influence of density flow onflocculation basin, reasons for ing the density flow andthe characteristicsof density flow movement are discussed. Test results show that controlling the stability of the pattern of flow is the main measure to control the density flow in the sedimentary basin. Keywords density flow, pattern of flow, sedimentation basin and coagulating precipitation PILOT-SCALE TEST OF SIMULTANEOUS NITRIFICATION AND DENITRIFICATION SNDOF AN INTEGRATED MEMBRANE BIOREACTORLiu Jiangfeng Wang Zhiwei Wu Zhichao et al 13 Abstract The integratedflat plate MBR was operated at membrane flux 25. 2～ 25. 7 L m2hfor 112 dayswithMLSS concentration 19～ 20 g L. During the operation,MBRwas not cleaned physically or chemically except normal aeration which was used to scour membrane surface. The effectof DO concentration on simultaneous nitrification anddenitrification SNDin the MBR was investigated. Test results indicated that there was a good SND effect in MBR; and SND effectwas not affected by temperature variations in range of 18～ 12 ℃. Keywords integrated membrane bioreactor, flat plate membrane, simultaneous nitrification denitrification and wastewater treatment NITROGEN AND PHOSPHORUS REMOVAL PERANCE OF A2 O PROGESS AS A FUNCTION OF THE SLUDGE AGEWang Jianlong Peng Yongzhen Wang Shuying 16 Abstract Sludge Retention Time SRT, which was an important parameter in activated sludge process design and operation, has shown more effect than other parameters. CODCr, nitrogen NH 4-N, TNand phosphate PO 3 - 4-P removal from sewage by anaerobic -anoxic -oxic A 2 O processwere studied at different SR T ,which were 5, 10, 15, 20, 25 and 30 d, respectively . During experiment other parameters kept constant. The result shown that a sludge age of 15 days was found to be optimal resulting in maximum organic substances removal efficiencies, during which the removal rate of CODCr, NH 4-N, TN and PO 3 - 4 -P was 93, 98, 81and 82, respectively , at the same time the profiles of organic substances concentration in A2 O processwere also analyzed. Keywords sludge retention time, A2 O process, nitrogen removal and phosphate removal A RELATION BETWEEN BLASTING AERATION PERANCE AND SUBMERSION DEPTH OF AERATORFeng Junsheng Wan Yushan 19 Abstract Using resemblance principle, a mathematical model was established of aerator clear water aeration perance and aerator with the immersion depth in operating ,which provides the dependable parameters for scientifically estimating aeration perance and design of aeration technique. Keywords resemblance principle, aeration perance and math model DESIGNAND COMMISSIONING OF COSMETIC WASTEWATER TREATMENT SYSTEM Wang Wei Wang Xiaojun Zhou Xiangwu 21 Abstract The high concentration cosmetic wastewater can be treated by means of hydrolytic acidification-biological contacting oxidation system, and biological aeratedfilter BAFfor advanced treatment, so that the removal rate can be improved. Through the operation of thisproject, the CODCrof effluent can fall below 80 mg L from about 4 000mg L of influent, and BOD5of effluent can fall below 20 mg L from about 1 100mg L of influent, and also the removal rate can both reach 98. Quality of effluent is up to the integrated wastewater discharge standard of Guangzhou GB4437 -90. It is indicated by the plant operation of this project for a long time that this process has a high efficiency of treatment with a stable water quality of the effluent. Keywords consmetic, wastewater treatment, hydrolytic acidification, biological contacting oxidation and biological aerated filter 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 1,Feb. , 2007