BMBR工艺试验研究及参数确定.pdf

BMBR 工艺试验研究及参数确定 陈 霞 1,2 王三反 2 葛 敬 3 张贡意 4 1. 聊城大学建筑工程学院, 山东 聊城 252059; 2. 兰州交通大学环境与市政工程学院, 兰州 730070; 3. 北京科净源环宇科技发展有限公司, 北京 100044; 4.济南市城市计划节约用水办公室, 济南 250002 摘要 针对传统的膜生物反应器 MBR 的缺陷进行了如下改进 以生物膜替代传统的高分子滤膜, 作为出水端膜分离 部件; 以固定化微生物系统替代传统的 MBR 工艺中悬浮性微生物系统, 形成了生物膜膜生物反应器 BMBR 。 试验 结果表明, 系统稳定后, 在气水比 8∶ 1～ 10∶ 1, HRT 3～ 4 h的条件下 , COD、NH3-N 的去除率分别达到 85、90以上, 同 时膜污染得到了有效控制。 与MBR相比具有良好的经济性能, 具有较好的推广应用前景。 关键词 BMBR工艺; 膜污染; 固定化微生物; 生物膜 EXPERIMENTAL RESEARCH ON BMBR PROCESS AND DETERMINATION OF ITS PARAMETERS Chen Xia1, 2 Wang Sanfan2 Ge Jing3 Zhang Gongyi4 1. School of Architecture 2. School of Environmental andMunicipal Engineering , Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 3. Beijing Kejingyuan Huanyu Technology Development Co. , Ltd. , Beijing 100044, China; 4.Jinan Urban Planning Water -Saving Office, Jinan 250002, China Abstract The following improvements were made, which was directed against the defects of the traditional membrane bioreactor MBR The traditional macromolecule strain membrane was substitutedwith biomembrane as the separate part of water terminal; the suspended microorganism in traditional MBR was substituded with immobilized microorganism; and a biofilm-membrane bioreactor BMBR was ed. The test results showed that during the steady operation period, under the conditions of gas-water ratio 8∶ 1 to 10∶ 1 and HR T 34 h, the removal efficiency of COD andNH3-N was 85 and 90, respectively. Meanwhile, membrane fouling has been effectively controlled. As compared with the MBR, BMBR has better economic perance and has a bright future. KeywordsBMBR process; membrane fouling; immobilizedmicroorganism; biomembrane 0 引言 膜生物反应器 membrane bioreactor, 简称MBR 利 用膜分离装置将生化反应池中的活性污泥和大分子 有机物质有效截留 ,替代二沉池, 使生化反应池中的 活性污泥浓度 生物量 有较大提高 [ 1] ; 实现水力停留 时间 HRT 和污泥停留时间 SRT 分离 ,将难降解的 大分子有机物质截留在反应池中不断反应 、降解。 MBR具有以下主要特点 处理效率高、出水水质好; 设备紧凑 、 占地面积小、 易实现自动控制 、 运行管理简 单。但由于整个装置中剩余污泥量大、膜污染严重等 缺点影响其推广应用 。 本试验的目的是在保留 MBR 的优点基础上, 针 对MBR工艺的不足之处进行改进 1 以生物膜替代 传统的高分子滤膜, 作为出水端的膜分离部件 。2 以 固定化微生物系统替代传统的 MBR工艺中悬浮性微 生物系统 , 组成了生物膜 -膜生物反应器 BMBR 。 BMBR中由于载体的加入 , 使系统中微生物总量比 MBR大 , 容积负荷高, 且生成了完整的生物链、污泥 产量低。取消了高分子滤膜, 解决了膜污染。 1 试验 1. 1 水质 以兰州交通大学教学楼化粪池的生活污水为研 究对象,其 SS 已经大量沉降 ,水质见表 1。 试验水质分析方法根据水和废水监测分析 方法 [ 2] 。 33 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 表 1 试验用水水质 参数 ρ COD mgL- 1 ρ NH3-N mgL- 1 ρ SS mgL - 1 pH 温度 ℃ 原水水质 102. 5～ 412. 3 6 . 75～ 428. 348 . 1～ 98. 37 . 3～ 7. 6 16～ 25 平均值254. 926. 279. 27 . 5 1. 2 试验装置 试验装置 如图 1 主要由气水混合器、微生物固 定床和多孔微生物滤膜组成 。该装置长、宽 、 高分别 为1. 1, 0. 9, 1. 8 m, 载体高度为1 m , 出口膜的长、宽、 高分别为 0. 84, 0. 04, 1. 8 m 。其中溢流板的高度为 1. 5 m 。生活污水经化粪池 、细格栅、调节池、气水混 合器进入处理装置底部, 混合均匀的气和水从下而上 经过微生物固定床 ,翻过溢流板, 通过多孔微生物滤 膜,在静压的作用下出水 。 1气水混合器; 2布气管; 3微生物固定床; 4多孔微生物滤膜。 图 1 试验装置 载体物理参数 材质为聚氨酯发泡软性塑料; 密 度 12 ～ 18 kg m 3 ; 堆积密度 10. 5 ～ 15. 2 kg m 3 ; 孔隙 率≥ 90; 单个载体尺寸2 cm 1. 5 cm 2 cm 。 所选载体具有优越的物理性状、优良的稳定性、 足够的机械强度 、 良好的表面带电特性 、无毒性或抑 制性 、 价格便宜等特点。 1. 3 试验运行工况 本试验初期采用每天空曝气24 h ,3 d后连续出水 的运行方式 。试验从第 8 天开始采样 ,以后平均每 2 天取一次样 。从试验数据分析可知 ,在30 d左右出水 趋于稳定, 主要原因在于暑假学生放假 , 污水的浓度 较低造成的。在2006年 7月 1日 2007年 4月 20 日 运行期间 , 未进行排泥 ,且运行正常。 2 试验结果及分析 2. 1 气水比对 COD、 NH3-N 去除的影响 当HRT 一定的条件下, 气水比与 COD、 NH3-N 的 关系 ,结果见图 2、 图 3。 从图 2、 图 3 可以看出 ,随着气水比的增加 ,COD、 1进水 COD ; 2出水 COD; 3COD 去除率。 图2 气水比与 COD 的关系 1进水 NH3-N; 2出水NH3-N ; 3NH3-N 去除率。 图 3 气水比与NH3-N 的关系 NH3-N 的去除率先增后减 。因为气水比太大, 一方面 抑制厌氧菌 、 反硝化菌的生长, 造成大量剩余污泥产 生和氨氮去除率下降 ; 另一方面过强的湍气流将载体 吹起造成水中溶解氧的解析及填料上的生物膜脱落, 降低了固定化微生物的浓度, 使 COD、 NH3-N 去除率 下降。反之 ,气水比太小 ,一方面不能满足好氧微生 物的正常生活, 造成 COD 去除率下降和影响硝化过 程进行; 另一方面厌氧菌大量繁殖, 会发出难闻气味, 影响周围环境。故气水比为 8∶ 1～ 10∶ 1 最为适宜 。 2. 2 HRT 对 COD、 NH3-N 去除的影响 HRT 的大小直接反映了污水在 BMBR系统中处 理时间的长短, 决定了处理的效率。 在气水比为 8∶ 1 的条件下,HRT 与 COD、 NH3- N 的关系,结果见图 4、 图 5。 由图 4、图 5 可以看出, 整个反应器的处理情况 还是很稳定的, 水力停留时间越长 ,COD、 NH3- N 去除 率越高,处理水质越好。过短的水力停留时间, 污染 物和反应器中的微生物接触时间短 ,没有充分氧化分 解; 过长的 HRT 会造成系统容积庞大 , 基建投资增 加。从水质达标和经济因素考虑,HRT 为 3 ～ 4 h 较 适宜 。 1进水 COD ; 2出水 COD; 3COD 去除率。 图4 HRT 与 COD 之间的关系 34 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 载体上生长的生物膜 , 生物相较活性污泥系统 更为丰富 , 且生物膜的强吸附作用将混合液中的有 机物、溶解氧等吸附在自己的表面 , 增加了微生物、 有机物、 溶解氧三者接触的机会, 强化了生化反应过 程。又因为水力停留时间与生物降解并不同步,难降 解的有机物截留在系统内, 增加了生物降解时间, 提 高了 COD 的去除率 。 1进水NH3- N ; 2出水 NH3-N; 3去除率。 图 5 HRT 与NH3- N 的关系 由于溶解氧的穿透能力有限 , 在生物带的断面 上由外及里形成了好氧、兼氧和厌氧3 个反应区 。在 好氧区, 好氧菌把小分子有机物转化为 CO2和 H2O, 同时硝化菌通过硝化反应将氨氮转化为硝基氮 ; 在 厌氧区, 反硝化菌将硝基氮转化为氮气和氧气 , 同 时厌氧菌把难降解的大分子有机物分解为可降解的 小分子有机物。由于生物带上厌氧 -好氧交替微环 境的形成 , 在 BMBR 系统内实现了同步硝化反硝化, 提高了系统的NH3- N 去除能力。 2. 3 电镜分析 试验稳定运行时, 分别在距池底 0. 5, 0. 8, 1. 2 m 和池顶等处取一小块载体, 刮去表面粘附的生物膜, 发现上部填料内的附着物多呈淡黄色, 下部填料内多 呈黑色。取小块载体 ,在蒸馏水中轻轻挤压、洗脱 ,对 其进行电镜分析 ,结果如图 6～ 图 9 所示 。 图6 距池底 0 . 5 m 处的球状菌 从图中可以看出, 在 BMBR 中随水流流动方向, 微生物由底端的单纯性细菌逐渐演变为中部的细菌、 真菌共生系统到上端的细菌、真菌 、 原生动物 、 后生动 物等多个营养级在内的复杂生态系统 。其中每个营 图7 距池底 0 . 8 m 处的丝状菌和球状菌 图8 距池底 1 . 2 m 处的原生动物 图 9 池顶的后生动物 养级的生物量都受到环境和其他营养级的制约,最终 达到动态平衡, 组成了完整的生物链和形成丰富的生 物相,在装置的中、上部繁殖原生动物 、 后生动物, 以 随水流上移的细菌为食物 , 控制细菌总量 , 减少排 泥量 。 2. 4 出口生物膜的作用 图10、图11 分别为出口端生物膜对 COD、 NH3- N 浓度的影响 。从图中可看出, 水经过出口端的生物膜 时,COD 和 NH3-N 的含量都有所下降, 使出水水质进 一步提高。用生物膜替代传统 MBR中高分子滤膜作 为出水控制膜, 既保留了膜的截留作用 , 增加难降解 有机物在出口处的水力停留时间,还增加了其生物吸 附降解功能 ,消除了膜污染,起到双层功效。 3 总结 1 以生物膜替代传统的 MBR中高分子滤膜作为 出水控制膜 ,既保留了膜的截留作用, 还增加了其生 35 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 图 10 出口生物膜与COD 的关系 图11 出口生物膜与 NH3-N 的关系 物吸附降解功能 ,消除了膜污染, 进一步提高了出水 水质 。 2 以固定化微生物系统替代传统MBR工艺中悬 浮性微生物系统 ,为微生物的生存与增殖提供一个附 着体, 使系统中微生物总量比MBR 大, 容积负荷高; 且生成了完整的生物链、增殖的微生物自然死亡之后 作为厌氧菌的营养物被消化或被生物链的高一级消 化或吞食, 系统污泥产量低。 3 试验结果表明 ,系统稳定后, 在气水比 8∶ 1 ～ 10∶ 1,HRT 3～ 4 h 的条件下 ,COD、 NH3- N 的去除效率 分别达到 85、 90以上 。 4 该系统具有对 COD、 NH3-N 去除率高、水质水 量适应性强 、 基本不排泥 、无异味 、工艺流程简单、易 管理 、 投资省、 解决了膜污染、可实现自动控制等技术 特点 。 参考文献 [ 1] 刘茉娥. 膜技术分离应用手册[ M] . 北京 化学工业出版社, 2001 404. [ 2] 国家环保局水和废水监测分析方法委员会. 水和废水监测 分析方法[ M] . 3 版. 北京 中国环境科学出版社, 1989. 作者通信处 陈霞 252059 山东聊城大学东校区建筑工程学院 E -mail chenxia4910197163. com 2008- 02-01 收稿 上接第 19页 5 结论 采用该工艺承建的废水处理工程, 在运行中取得 了良好的效果, 与以往其他同类废水处理所采用的工 艺相比,有以下优点 1 预处理严格 。考虑到废水温度和碱性较强的 特点, 在曝气调节池内进行酸碱平衡, 采用冷却塔降 温作为综合废水的预处理工序 ,有效地保证了后续工 艺的正常运行, 并减轻了后续生化处理的负荷 ,降低 了废水处理成本的费用。 2 生化处理中生物接触氧化混合液回流至水解 酸化池有着良好的难降解物质去除效果 ,运行管理方 便,脱色效果好 。 3 废水中的污染物去除率高 ,根据实际运行过程 中监测的数据, 气浮系统最终排水水质为 ρ COD ≤ 90 mg L, ρ SS ≤50 mg L 。 参考文献 [ 1] 杨书铭, 黄长盾. 纺织印染工业废水治理技术[ M] . 北京 化学 工业出版社, 2002, 4. [ 2] 北京水环境技术与设备研究中心, 北京市环境保护科学研究 院, 国家城市环境污染控制工程技术研究中心. 三废处理工程 技术手册[ M] . 北京 化学工业出版社, 2001 122 -136. 作者通信处 杜芬 250101 济南市高新开发区齐鲁软件园 E 座 A406 电话 0531 86515626 E -mail dufen88163. com 2008- 01-29 收稿 36 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期