MBR技术处理生活污水中试研究

MBR 技术处理生活污水中试研究

高志永,陈鸿汉

(中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京100083)

摘要 主要对M B R 技术处理生活污水的效果进行分析研究。M B R 技术因用膜分离代替二沉池而节约了占地面积,而且MBR 系统对污水中的C OD 、NH 3-H 有较高的去除率,而对浊度的去除更显示了其优越性,出水浊度几乎为零,大大提高系统出水的水质,且整个系统的出水具有很强的稳定性,面对原污水中C OD 、NH 3-H 的波动较大,M B R 系统显示了较强的抗冲击负荷。虽然MBR 技术是一种新型的水处理技术,但鉴于其在处理行业的优越性,因而应用前景较广。关键词 膜生物反应器;污泥停留时间;生活污水;污泥浓度

中图分类号 X 703 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2010)16-08631-03

P il ot -s cale Study on the Treat men t of Do m esti c W astewater byMBR Techn i que GAO Zh-i yong et al (Schoo l ofW a t er Resource and Environ men,t Chi na U ni versity o fG eosci ences(Beiji ng),Be iji ng 100083)

Abstract The treat m ent eff ects o fM BR on do m esti c sewage were ma i nl y st udied .M BR techno l ogy saved the occup i ed area ,because of usi ng m e mbrane to repl ace t he second sedm i entati on .MBR syste m had h i gher remova l ra t es ofCOD and NH 3-H.The re moval of t he t urbi dity refl ec -ted the s uperi or i ty .SS in do mestic sewage can be re moved a l m ost al,l which m i proves the quality o f the effl uen.t The qua lit y of t he e ffl uent o f the M B R syste m is st eady -go i ng ,although t he fl uct uate of C OD and NH 3-H i n domestic se wage are grea.t MBR technology is a ne w wast e w a -ter treat ment technol ogy ,but it has a good applica ti on prospec.t K ey words M embrane bi oreactor (MBR );Sludge detention tm i e ;Do m esti c se wage ;S l udge concentra ti on

作者简介 高志永(1982-),男,河南淮阳人,博士研究生,研究方向:

环境科学与工程。

收稿日期 2010-04-26

膜生物反应器(M e m bra ne B i oreact or ,M BR )处理技术是一种将膜分离技术与生物处理技术相结合的新型高效水处理技术。膜生物反应器中膜的作用是替代二沉池,与传统的生化水处理技术相比,膜能将生物体截留在生物反应器中,通过保持高的生物体浓度和截留高分子量的溶质,促使进水中有机物的生物降解。污水经过膜生物反应器中的活性污泥即微生物对污水中的有机物进行充分的生物降解,能有效地去除污水中的部分COD 、氨氮。而MBR 系统的污泥量也相对较少,甚至可以实现零排泥。M BR 技术实现的水力停留时间和污泥停留时间可分别控制。膜生物反应器较为重要的单元为膜元件,使用的膜通常为微滤膜或超滤膜。膜生物反应器由于具有对污染物去除率高,出水水质好且稳定,剩余污泥少等优点,是近年来水处理领域的一个研究热点[1]

。而我国对膜生物反应器污水处理工艺的研究起步较晚

[2-3]

。为此,笔者探讨了膜生物反应器中污泥浓度的变化

情况及对生活污水中COD 、N H 3-H 的处理效果,以期为MBR 技术应用于污水处理研究提供参考依据。1 试验装置与研究方法

1.1 污水水质 试验中生活污水的各项水质指标分别为:COD 198.7~566.8m g /L ,NH 3-H 28.3~110.9m g/L ,浊度213~151.9ntu ,色度18.4~727.5tu ,p H 值7.1~8.6。1.2 试验装置 试验装置如图1所示,MBR 反应器是一个钢化玻璃的立方体容器,100c m @100c m @120c m,有效贮水容积1m 3

,在容器内安装帘子膜。帘子膜采用了浙江大学凯华膜材料,聚丙烯材质,膜孔径为0.2L m,孔隙率50%,单片3层式,共平行组装了2片,总膜面积为16m 2

,膜架距池底30c m,膜架间距40c m,膜架距池四壁各30c m,膜架低于M BR 池水面20c m 。

潜污泵进水水口设有双层滤网,使污水中的无机大颗粒截留在系统外,以免造成系统运行中的堵塞和减少膜污染,

图1 试验工艺流程

F i g .1 Process fl o w of t he experi m ent

污水在潜污泵的提升下进入污水箱,污水箱容积是0.5m 3

,污水箱内有液位控制开关,当污水箱内的水低于一定的水位,潜污泵运行,当污水箱内的水位到达一定的高度时,潜污

泵停止运行。污水箱内的污水在进入反应器混合液的入口处设有浮球阀,由浮球阀来控制反应器内混合液的水位。在反应器内混合液底部设有曝气管,该设备所采用的曝气方式是由2根平行的曝气管均匀曝气。而系统的关键部件膜元件设在曝气管的上方,并处在2支曝气管内侧。膜元件通过管道直接与抽吸泵相连。通过抽吸泵产生的负压而出水。

系统气水比调整为20B 1~25B 1,产水量控制为1m 3

/d ,自吸泵间歇运行,抽吸13m i n ,停运2m i n ,由时间继电器控制,吸程大于5m,操作压力-0.01~-0.03MPa ,当操作负压超过-0.05MPa 时,清洗膜片。1.3 水质测定方法 COD ,重铬酸钾法;N H 3-H,纳氏试剂光度法;色度,分光光度法;浊度,分光光度法;MLSS ,测重法;上清液样品的获得是由反应池中活性污泥混合液样品经0.45L m 膜滤所得。

2 结果与分析2.1 MB R 对污水中COD 的去除效果 由图2可见,原水中的COD 值波动很大,但随着试验的进行,出水的COD 值相对稳定,基本维持在50mg /L 以下,没有随着进水中COD 的波动而出现大的变化,说明系统具有很强的抗冲击负荷能力。系统中M BR 膜对反应器中的活性污泥的截留作用使混合液中的微生物不仅没有流失,反而不断增殖,从而保持了较高的活性污泥浓度,进而保证了系统运行的稳定性。而且由于系统中MBR 膜的过滤作用,使出水中的SS 几乎为零,从而使系统进一步降低了污水中的COD ,提高了出水的

安徽农业科学,Jou r n al ofAnhu iAgr.i Sc.i 2010,38(16):8631-8633,8679责任编辑 张彩丽 责任校对 李岩

水质。

图2 MBR 对COD 的去除效果F i g .2 The re m o va l effect of MBR to COD

由图3可以看出,系统对污水中COD 的总的去除率基

本保持在75%以上,大部分时间处在90%以上,系统反应器混合液中的污性污泥微生物对污水中COD 的去除起了主要作用,而MBR 膜的过滤作用对COD 的去除率基本在20%左

右,这一结果与刘锐等[4]

的工作基本相同。也就是说整个系统对污水中COD 的去除效果是由活性污泥即生物处理效果决定,而膜分离作用主要是对COD 去除效果的进一步稳定

和强化。

图3 MBR 对COD 的去除率F ig .3 The re m oval rate ofM B R to COD

2.2 MBR 对污水NH 3-H 的去除效果 由图4可见,原水中的氨氮值变化也较大,最低时低于40m g/L ,而高时可以达110m g /L 以上,氨氮这种较大的波动给系统的处理带来很大的难度,当初期氨氮含量较低时,出水的氨氮相应也较低,基本都在10m g/L 以下,这种处理效果还是比较理想的。但随着污水中的氨氮值相对增大时,出水的氨氮值也有了一个相应的增加,使出水中的氨氮值保持了一个较高的值,大部分时间处在20mg /L 左右,但也有部分值甚至在40m g /L 以上,这说明M BR 系统对处理含氨氮波动较大(氨氮含量较大)的污水中的氨氮效果不是十分理想。

由图5也可以看出,系统对氨氮的去除率也不是很稳定,呈现一定的波动性。在高氨氮(50~114m g /L )条件下运行时,M BR 对氨氮的去除率大多数情况下低于60%,并且非常不稳定,远低于低氨氮含量的城市综合污水的氨氮去除率(>90%)。张西旺等

[5]

也发现了这一现象。这个去除率对

于高氨氮污水的处理是不甚理想的。系统对氨氮的去除起

主要作用的依然是反应器中的活性污泥微生物,去除率一般

图4 M B R 对氨氮的去除效果

Fig .4 The re moval effect ofMBR to NH 3-H

都低于20%。也就是说,整个系统对污水中氨氮的去除效果是由活性污泥即生物处理效果决定,而膜分离作用主要是对氨氮去除效果的进一步稳定和强化。

图5 MBR 对氨氮的去除率

F i g .5 The re m o va l rate ofMBR to NH 3-H

白昊阳等指出,对于硝化反应,当氨氮浓度大于10m g /L 时,呈零级反应,当进水氨氮超过100m g /L 时,硝化菌出现明显的自抑特性,亚硝菌和硝酸菌都受到抑制,硝化反应速度大大降低[6]

。同时,由于无缺氧环境和碳源限制,反硝化作用很弱,出现了亚硝酸和硝酸的积累,阻碍了硝化反应的

进一步进行,于是在高氨氮条件下,MBR 对氨氮的去除率在

50%~60%。

2.3 MB R 对污水色度的去除效果 由图6可见,MBR 系统对污水中色度的去除效果较为明显,虽然污水中的色度变化较大,且最大值也较大,相应提高了污水的处理难度,但系统对污水中的色度的处理相对理想,出水中的色度均低于30tu ,去除率均在大于60%,且较多时候去除率在80%以上。可以说,M BR 系统对污水色度的去除比较成功。

2.4 MB R 对污水浊度的去除效果 由图7可见,MBR 系统对浊度的去除效果非常明显,这主要是MBR 膜在起作用。膜生物反应器池内具有高浓度的悬浮物,如果不经处理,出水的浊度会非常高,一般设置二沉池使混合液中的活性污泥及其他杂质沉淀后再排出,但系统不设二沉池,系统反应器池内混合液经MBR 膜过滤后,活性污泥及其他悬浮物质被截留在池体内,一方面阻止了活性污泥的流失,使膜生物反应器池体内保持较高的MLSS 值,一方面保证了出水的浊度。原水的浊度波动也较大,但大部分的时间处于较高水平。经M BR 膜过滤后,出水的浊度一般为零,即系统对浊度的去除率达100%,使出水的浊度一直保持在较低的水平,在浊度的

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安徽农业科学 2010年

图6 MBR 对污水中色度的去除效果

F i g .6 The re m o va l effect of MBR to chro m a i n s ewage

去除方面,系统具有较高的稳定性和可靠性,进而大大提高

了出水水质。

图7 MBR 对污水中浊度的去除效果F ig .7 The re m oval effect ofMBR to SS

2.5 MBR 反应器内混合液中活性污泥的变化情况 由图8

可见,MBR 反应器池内活性污泥运行初始浓度为2836m g/L ,运行初期反应器内活性污泥量有微小下降,随系统的运行,MLSS 值趋于稳定,系统运行到后期,M BR 反应池内的活性污泥量与初期相比有明显的增加。即从系统整个运行过程来看,活性污泥在总体上还是呈增长趋势的。但从图8可以看出,反应器内的活性污泥并不是每天都在增长,而是有所波动,有时连续增长,也有时与前一天相比有所下降。也就是说,M BR 反应器内的活性污泥量随着系统的运行而增长,但不是连续的,而是存在波动的,但总体上是呈上升趋

势的。

图8 MLSS 值变化情况Fig .8 The c ha nge situa tio n ofMLSS

3 复合淹没式膜生物反应器对污水中氨氮的去除效果为了提高高氨氮条件下系统对氨氮的去除率,笔者在传统MBR 工艺中增加了生物固定化载体,使污水处理的机理和效能都大为改观。在这种系统中,微生物生存的基础环境由原来的纯好氧状态转变为2种状态的混合,一种为混合液的纯好氧状态,另一种为在生物载体中存在的由外到内的DO 梯度,形成好氧、缺氧、厌氧状态,这种转变为微生物创造了更丰富的存在形式,形成了一个更复杂的复合式生态系统。载体表面及内部吸附的生物污泥与液相中的悬浮污泥共同发挥作用,各自发挥自己的降解优势。大量吸附生长在生物填料上的生物污泥使载体中的活性生物量大大增加,实

测值为22548m g /L ,在提高系统抗冲击负荷能力的同时,使系统具有很强的脱氮能力。由图9可见,加入生物载体后的

复合淹没式膜生物反应器对污水中氨氮的去除效果得到大大提高,除去前5d ,后面的出水中氨氮值基本维持在10m g/L 以下。加入生物载体后的系统对污水中的氨氮去除率见图10。由图10可知,系统对氨氮的去除率基本在70%以上,最高达95%

以上。

图9 复合淹没式膜生物反应器对污水中氨氮的去除效果F i g .9 The re moval effect of s ub m erged hybri d m e m brane bi ore -actor t o NH 3-H i n s

ewage

图10 复合淹没式膜生物反应器对污水中氨氮去除率F i g .10 The re moval ra te o f s ub m erged hybri d me m brane bi ore -acto r to NH 3-H i n se wage

生物固定化载体中吸储的活性污泥混合液对降低高氨氮起到了重要的作用,其不但MLSS 高达22548mg /L ,而且处于好氧-缺氧环境,有利于氨氮去除率的提高。4 结论与建议

MBR 系统对污水的处理效果是明显的,对污水中的COD 、色度、浊度等水质指标都有较好的去除效果,这几项的出水水质指标均可以达到国家中水回用的水质要求,但单纯

(下转第8679页)

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38卷16期 高志永等 MBR 技术处理生活污水中试研究

图3玉米蛋白水解物与锌质量比对螯合反应的影响

F i g.3Effects of m ass rati o of corn protei n hydrolys a te to zi nc

o n the chel atio n reactio n

表3正交试验结果

Ta ble3R esults of the orthogo nal test

水平Level

因素Factor

A B C

螯合物得率M%

Y i el d of c h el ated

p roducts

螯合率M%

Chelated rati o

111148.160.5

212260.189.7

313341.591.0

421227.527.4

522372.497.4

623155.685.2

731322.330.1

832177.897.7

933247.384.9

螯合物得率K149.932.660.5

K

2

51.870.145.0

K

3

49.148.145.4

R2.737.515.5

螯合率K180.339.381.1

K

2

70.194.967.3

K

3

70.987.072.8

R10.255.613.8

溶液,用茚三酮试剂检测,溶液颜色未发生改变;加入过量的硫化钠后得到的黄色滤液,用茚三酮试剂检测,溶液变为紫红色,即原样品溶液中没有游离的氨基酸或小肽,加入过量的硫化钠生成ZnS沉淀后,有游离的氨基酸或小肽。这说明待测物质是玉米蛋白水解物和锌离子形成的一种特殊物质,该物质即是玉米蛋白水解物与锌的螯合物。3结论与讨论

(1)该研究表明,p H值是影响螯合反应的最主要因素,最佳螯合工艺条件为:玉米蛋白水解物的制备方法木瓜蛋白酶结合中性蛋白酶法,p H值8.0,玉米蛋白水解物与锌质量比为3B1,此条件下螯合物得率和螯合率分别为77.8%和97.7%;该试验制备的螯合物是一种不同于玉米蛋白水解物和锌的新物质。由于时间有限,对于螯合物的理化性质、结构及其生物活性测定等还有待于进一步研究。

(2)影响螯合反应的因素较多,除了该试验的3个因素外,锌盐的种类、螯合反应时间、螯合反应温度及肽或氨基酸的浓度等也对螯合反应有一定影响,考虑到试验条件的限制,在查阅相关文献的基础上最终选取了玉米蛋白水解物的制备方法、玉米蛋白水解物与锌质量比、p H值3个最主要的影响因素优化螯合工艺条件。螯合物得率与螯合率是2个不同的概念,两者并无直接的关系,总的来说螯合物得率大时,也会有较高的螯合率,但螯合率大时螯合物得率不一定大。螯合物形成的机制尚不很清楚,推测是玉米蛋白水解物中氨基酸或肽上的一些基团与锌离子发生螯合反应形成配位键,从而生成了螯合物。

(3)玉米蛋白水解物是各种肽和氨基酸的混合物,它们都能与锌离子发生螯合反应,形成氨基酸锌或小肽的锌螯合物。该物质性质稳定,在肠道中不受植酸等因素的影响,并能以氨基酸和小肽的吸收模式,因此能大大提高锌的利用率,且在补锌的同时又能补充人体必需的氨基酸,一种较理想的食品营养强化剂,值得进一步研究开发。

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(上接第8633页)

的MBR系统对污水的高氨氮含量的去除效果不是很理想,这是此系统的局限性,可以考虑结合其他的处理单元,如增加厌氧区,来提高系统对高氨氮的去除。

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38卷16期牟雪姣等玉米蛋白水解物螯合锌的工艺研究

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