聚氨酯填料复合式动态膜反应器脱氮性能研究.pdf

聚氨酯填料复合式动态膜反应器脱氮性能研究 * 马金霞1张堃2傅大放1洪凯1 1. 东南大学土木工程学院市政工程系， 南京 210018; 2. 镇江市规划设计研究院， 江苏 镇江 212050 摘要 聚氨酯填料由德国首先研发， 国内实际工程运用不多， 与动态膜反应器复合的应用未见报道。而动态膜反应器 在好氧状态下， 对各污染物指标去除效果较好， 但脱氮效果不理想。利用聚氨酯填料的好氧 － 缺氧 － 厌氧微环境特 点， 按照 30的投加比将其投加到动态膜反应器中， 研究复合式反应器的脱氮性能。试验结果表明 聚氨酯复合式动 态膜反应器出水总氮去除率均值为 75. 20， 出水浓度为 7. 85 ～13. 76 mg/L， 达到城镇污水处理厂一级 A 排放标准。 关键词 聚氨酯填料; 动态膜生物反应器; 脱氮 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201401011 STUDY ON NITＲOGEN ＲEMOVAL PEＲFOＲMANCE OF HYBＲID DYNAMIC MEMBＲANE BIOＲEACTOＲ WITH POLYUＲETHANE CAＲＲIEＲ MATEＲIALS Ma Jinxia1Zhang Kun2Fu Dafang1Hong Kai1 1. Department of Municipal Engineering，School of Civil Engineering ，Southeast University，Nanjing 210018，China; 2. Zhenjiang Urban Planning Design Institute，Zhenjiang 212050，China Abstract Polyurethane carrier materials were first developed by Germany， there is few actual domestic polyurethane substrates project． None hybrid dynamic membrane bioreactor with polyurethane substrates has been reported． Dynamic membrane bioreactor has good perance on many inds under aerobic conditions，but not on nitrogen． 30 Polyurethane substrates was added in hybrid dynamic membrane bioreactor to analyze the perance of nitrogen removal，using its oxic- anoxic- anaerobic microenvironment． The results showed that the TN removal rate of hybrid dynamic membrane bioreactor with polyurethane carrier materials could reach 75. 20，with the concentration of 7. 85 mg/L to 13. 76 mg/L，which can meet the TN requirement of level 1A in urban sewage treatment standard． Keywordspolyurethane carrier materials;dynamic membrane bioreactor;nitrogen removal * 教育部博士点基金 20110092120016 。 收稿日期 2013 －01 －06 0引言 聚氨酯填料作为一种多孔悬浮填料， 可为微生物提 供附着生长载体， 增大反应器内微生物量， 提高处理效 果。聚氨酯填料孔隙为网状， 内部具体结构多为五边形 的十二面体， 通过经络使得面与面相交， 且构成填料的 内部骨架， 起到支撑作用。经络为相邻的多面体所共 有， 形成各向异性， 经络间经过网络化处理后消失 ［ 1 ］。 聚氨酯填料相比其他填料具有较高的比表面积， 可达到 1 103～5 103m2/m3， 孔隙率可达90以上， 有利于水 中物质的传递与扩散， 可作为生物膜法， 提高污、 废水处 理效率， 是一种较为理想的生化污水处理填料 ［ 2 ］。由于 国内聚氨酯生产技术的限制， 聚氨酯填料的密度都小于 水。德国 Linder 股份公司 Morper 博士研制的 Linpor 填 料密度也小于水， 但经过挂膜后， 填料与生物膜形成整 体， 密度接近于水， 在轻微曝气的情况下即可实现全池 流化， 多被运用于移动床反应器 ［ 3 ］。 动态 膜 生 物 反 应 器 最 初 由 美 国 科 学 家 Mardinkowsky［4 ］等首次提出， 新膜是由预涂剂或活性 污泥在膜载体上形成， 主要具有成本低、 膜污染控制 简单的特点 ［5 ］。动态膜生物反应器在我国先后被用 于处理高速公路服务区污水、 A/O 反应器、 提标改造 等方面 ［6- 8 ］， 但动态膜好氧反应器的脱氮性能不佳， 且 与聚氨酯填料结合的复合式生物反应器至今未有人 研究。本文主要通过两组有无聚氨酯填料的自生式 动态膜生物反应器进行对比试验， 研究采用聚氨酯填 料的复合式动态膜反应器中的脱氮性能。 24 环境工程 Environmental Engineering 1试验设置 本研究主要阐述在填料投加比为 30的情况下， 复合式动态膜反应器与无填料动态膜反应器的脱氮效 果。本试验中两组反应器采用体积为 24 L 的圆柱形 反应器， 内置圆柱形活性炭海绵动态膜组件。两组试 验的不同之处在于试验1 组中加入投加比30的大小 为20 mm 20 mm 20 mm 的聚氨酯填料于填料笼内， 而试验2 组未投加， 试验装置分别见图 1、 图 2。反应 器在全好氧状态运行， HＲT 为 8 h， 采用间歇进水间歇 出水运行模式， 试验用水采用模拟生活污水， 两组反应 器进水水质相同， 污泥取自常州市漕桥污水厂好氧池， 污泥活性高。进水、 出水采用时空开关自动控制， 回流 比为3∶ 1。对进出水 NH3- N、 TN、 NO － 3 - N、 NO － 2 - N 进行 测量， 讨论聚氨酯填料在复合式动态膜反应器中的同 步硝化反硝化作用。通过试验数据可以看出， 试验 1 总氮去除率为 75. 2， 出水 TN 稳定值为 11. 152 mg/ L， 满足城镇污水排放一级 A 标准， 试验 2 总氮去除率 为62. 34， 出水 TN 稳定值为16. 878 mg/L。 图 1试验 1 组装置示意 Fig．1Equipment of experiment group 1 图 2试验 2 组装置示意 Fig．2Equipment of experiment group 2 2氨氮的去除效果 两种反应器对氨氮的去除效果见图 3。 从图 3 可以看出 两个反应器对氨氮的去除率在 10 d 后都趋于稳定， 且去除效果相差不大。两组反应 器进水相同， 氨氮浓度为 38. 4 ～ 64. 8 mg/L， 试验 1 稳定后出水氨氮值为 0. 62 ～ 0. 91 mg/L， 均值为 0. 772 mg/L， 平均去除率为 98. 12。试验 2 稳定后 出水氨氮值为 0. 64 ～1. 2 mg/L， 均值为 0. 959 mg/L， 平均去除率为 97. 66。 图 3聚氨酯填料复合式动态膜反应器与动态膜反应器对 NH3- N 的去除效果 Fig．3Ｒemoval effect of NH3- N by the two membrane bioreactors 试验 1 组、 2 组中稳定阶段氨氮出水浓度维持在 1. 5 mg/L 以下， 达到城镇污水排放一级 A 标准， 去除 率都大于 96。动态膜对微生物的截留作用， 加上 试验 1 组中聚氨酯填料的固定作用使得反应器内世 代周期较长的硝化菌得以大量繁殖。全好氧的工艺 运行使得硝化作用的能力大大加强; 动态膜上的厌 氧、 好氧区与聚氨酯填料内外部的厌氧 － 缺氧 － 好氧 环境使得反应器内存在同步硝化反硝化作用， 为氨氮 的去除提供推动作用。 相比之下， 试验 1 组的氨氮去除率更高， 去除效果 更稳定。在相同的曝气量、 水力负荷、 有机负荷的情况 下， 试验1 由于加有填料， 其污泥浓度大于试验 2， 但由 于氨氮已经降到很低值， 难以被进一步降解， 故试验 1 组的氨氮去除率相比试验2 组提高不明显， 但试验1 组 中较高的污泥浓度使得出水氨氮浮动更小， 更加稳定， 抗冲击负荷的能力大于试验 2 组。虽然两组反应器中 都有动态膜的截留， 为世代周期较长的硝化菌提供了富 集的条件， 但试验1 聚氨酯填料上大量微生物使得其中 的硝化菌量大于试验2 组。就氨氮的去除情况来说， 投 34 水污染防治 Water Pollution Control 加聚氨酯填料的复合式动态膜反应器效果更好。 3总氮的去除 由于本装置为全程好氧运行， 为了提高总氮的去 除效果， 在同一装置内完成同步硝化反硝化， 必须保 证反应器 DO 不能过高， 否则无法满足反硝化反应需 要的缺氧条件; 同时高 DO 值有利于 COD 的降解， 当 COD 含量过低时， 反硝化进程所需要的碳源就难以 维持， 影响总氮的去除效果， 故本试验两反应器中 DO 保持在 2. 0 mg/L 左右， 此条件下两反应器对 TN 的 去除效果见图 4。 图 4聚氨酯填料复合式动态膜生物反应器与动态膜生物反应器对 TN 的去除效果 Fig．4Ｒemoval effect of TN by the two membrane bioreactors 由图4 可以看出 试验 1 组与试验 2 组的总氮去 除效果在运行 20 d 后趋于稳定。两组试验进水总氮 浓度相同， 为39. 52 ～60. 57 mg/L。投加聚氨酯填料的 试验 1 组复合式动态膜反应器总氮去除率稳定在 71. 11 ～80. 36， 均值为 75. 20， 总氮稳定出水浓 度为7. 85 ～13. 76 mg/L， 均值为 11. 34 mg/L， 均小于 15 mg/L。试验 2 组的动态膜反应器总氮去除率为 42. 00 ～50. 12， 均值为 45. 18， 总氮稳定出水浓 度为21. 86 ～27. 76 mg/L， 均值为24. 66 mg/L。 虽两组试验中氨氮的去除效果相近， 但总氮的去 除效果明显不同， 此处体现了聚氨酯填料的作用。聚 氨酯填料为立方体， 在挂膜成功后其 90以上的孔隙 中长满了生物膜。通过研究得出 尺寸为 20 mm 20 mm 20 mm， 孔径为0. 5 ～1. 0 mm 的改性聚氨酯在 较短时间内 7 d 填料上 SS 可达到 0. 113 g/cm3， 远大 于一般的动态膜反应器。聚氨酯填料存在内外共 20 mm厚的好氧 － 缺氧 － 厌氧双层构造， 比自生式活 性碳海绵动态膜反应器的好氧 － 缺氧 － 厌氧层更厚。 这些条件都决定了聚氨酯填料复合式动态膜反应器中 的同步硝化反硝化去除总氮较普通动态膜反应器更加 彻底。聚氨酯填料的20 mm 厚度使得填料内部能够在 水中有机碳含量过低难以提供反硝化动力时， 仍保有 一定的有机碳， 为反硝化的进行去除提供保证。 4氮元素的转化 聚氨酯填料复合式动态膜生物反应器与普通动态 膜生物反应器中氮元素的转化情况见表 1。表中数据 为15 组稳定进出水指标的均值。两组反应器进水水 质相同， 总氮为44. 81 mg/L， 主要由氨氮和少量的硝态 氮和有机氮构成， 进水不含亚硝酸氮。4 组出水的氮 元素主要由硝酸氮和少量的氨氮、 亚硝酸氮组成。 表 1氮元素转化表 Table 1Nitrogen element transationmg/L 取样亚硝酸氮硝酸氮氨氮总氮 进水1. 37640. 444. 81 试验 1 组上清液0. 43410. 8670. 22312. 318 试验 1 组出水0. 9349. 1620. 77211. 152 试验 2 组上清液0. 48224. 3770. 74325. 312 试验 2 组出水0. 98422. 2160. 95923. 902 对比试验 1 组与试验 2 组的亚硝酸氮、 硝酸氮能 够看出 试验 1 组中反硝化的比例更高， 由理论反硝 化速率公式 反硝化速率 回流比/ 回流比 1 ， 可 以算出回流比为 3 ∶ 1， 其相应的反硝化速率应为 75。而本试验硝化程度很高， 故反硝化速率约等于 总氮去除率， 这在总氮的稳定平均去除率为 75. 02 上到了很好的印证。对比两组试验的上清液氨氮出 水情况可以看出 两组反应器出水亚硝酸盐含量相 近， 聚氨酯填料在普通动态膜生物反应器的氨氮 97. 6去除率的基础上对硝化反应的贡献很小， 故其 在硝化反应方面的作用不大。对比两组中上清液硝 酸组氮情况可以看出 聚氨酯填料在复合式动态膜反 应器中的反硝化作用相比普通动态膜反应器提高了 31. 25， 而两组反应中亚硝酸氮的含量差距不大， 这 表明聚氨酯填料在好氧动态膜反应器中有良好的反 硝化作用。出水膜滤过程亚硝酸氮、 氨氮指标有所提 44 环境工程 Environmental Engineering 高， 硝酸氮降低， 膜滤过程对两组反硝化的影响近似。 5结论 在好氧反应器中， 硝化反应一般都可以进行得较 为彻底， 而脱氮的关键就是反硝化， 特别在同步硝化反 硝化中， 这一直都是一个难题。聚氨酯填料是一个可 实现微生物大量富集并提供优良的好氧 － 缺氧 － 厌氧 微环境的场所。它在适当促进硝化反应的基础上可以 提高反硝化速率， 对总氮的去除可以有很明显地改观。 而且聚氨酯填料投加方便， 原有池体无需进行改变， 直 接进行笼式投加就可以提高总氮去除率， 适用于水质 水量变化的提标改造。德国 Linder 公司的聚氨酯 LINPOＲ 填料曾用于污水厂的提标改造， 已在国内外有 40 多个工程应用项目， 我国大连春柳河污水处理厂的 提标改造就采用此工艺， 取得了很好的效果 ［ 9 ］。 参考文献 ［1］杨晓华， 刘英华， 田宝勇． 网状聚氨酯泡沫材料的制备、 性能特 点及表征［J］． 河北省科学院学报， 2007， 24 3 59- 61. ［2］李彦锋， 赵光辉， 马鹏程， 等． 改性载体固定化微生物处理高氨 氮废水的研究［J］． 安徽农业科学， 2008， 36 7 2877- 2879. ［3］Morper M，Wildmoser A．Improvement of existing wastewater treatment plant efficiencies without enlargment of tankage by application of the LINPOＲ- process- case studies［J］．Water Sci Technol， 1990， 122 7/8 207- 215. ［4］Macinkowsky A E， Philips K A， Johnson H O， et al． Hyperfiltration studies IVsalt rejection by dynamically ed hydrou oxide membrane［J］． Am Chem Socl， 1966， 88 5744. ［5］范彬， 黄霞， 文湘华， 等． 动态膜 － 生物反应器对城市污水的处 理［J］． 环境科学， 2002， 23 6 51- 55. ［6］林新斌． 动态膜生物反应器处理高速公路服务区污水［D］． 南 京 东南大学， 2007. ［7］徐五英． A/O － 动态膜生物反应器处理城市生活污水的试验研 究［D］． 南京 东南大学， 2008. ［8］张雷． 活性炭海绵基材动态膜生物反应器及在提标改造中的应 用［D］． 南京 东南大学， 2012. ［9］陆文逊． Linpor 工艺及其在大连春柳河污水处理厂中的应用和 特点［J］． 中国市政工程， 2001， 94 3 54- 55. 第一作者 马金霞 1982 － ， 女， 博士， 讲师。happymjx8126． com 通讯作者 张堃 1988 － ， 男， 硕士， 工程师。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 andryzhang163． com 上接第 15 页 图 4 SS 处理效果 Fig． 4SS removal perance 4结论 从工程运行实例来看， 人工湿地具有如下特点 1人工湿地要达到较好的处理效果， 需结合其 他工艺同时使用 ［10 ］。 2人工湿地设计应尽量利用原有地势改扩建， 一次性投资较少。 3采用人工湿地工艺动力费用少， 无需化学药 剂， 节省运行费用。 人工湿地技术工艺简单， 操作方便， 处理效果好， 投资较少， 在我国农村污水治理中值得大力推广。 参考文献 ［1］施昌平， 陈媛媛， 肖磊， 等． 厌氧预处理 潜流式人工湿地处理 农村生活污水［J］． 环境工程， 2011， 29 6 27- 29. ［2］宋小康， 金龙， 王建芳， 等． ABＲ 复合人工湿地处理农村生活 污水中试［J］． 环境工程， 2011， 29 6 6- 9. ［3］张琼华， 吉倩倩， 王晓昌． 城市景观水体水质净化的人工湿地设 计［J］． 环境工程学报， 2009， 11 1965- 1968. ［4］柴宏祥， 徐海燕， 张东波， 等． 三峡库区农村环境连片整治工程 设计实例［J］． 中国给水排水， 2012 10 20- 24. ［5］王桂芳， 王大义， 章志元． 人工湿地 生态塘处理农村生活污水 工程实例［J］． 环境工程， 2010， 28 8 6- 8. ［6］季兵， 陈季华． 上海崇明农村污染水体生态净化工程设计与运 行［J］． 中国给水排水， 2010 1 74- 76. ［7］赵占军， 王玉杰， 王云琦．5 种人工湿地填料对氨氮和磷的吸附 效果研究［J］． 浙江林业科技， 2011 1 28- 32. ［8］李旭东， 周琪， 张荣社， 等． 三种人工湿地脱氮除磷效果比较研 究［J］． 地学前缘， 2005， 12 S1 73- 76. ［9］谢娇， 鲍建国， 易振辉． 人工湿地植物特性的研究及植物配置分 析［J］． 化学工程与装备， 2011 4 164- 166. ［ 10］桂双林， 王顺发， 吴永明， 等． 生物滤塔 － 人工湿地组合工艺对 农村生活［J］． 环境工程学报， 2011 10 2312- 2314. 第一作者 白振光 1976 － ， 男， 硕士， 主要研究方向为水污染治理技 术研究和环保设备的研制开发。718bzg163． com 54 水污染防治 Water Pollution Control