复合式膜生物反应器处理城市污水中水力停留时间的确定*

凡广生 李 泉

(1.中州大学化工食品学院，河南 郑州 450044;2.河南机电高等专科学校，河南 新乡 453000)

复合式膜生物反应器处理城市污水中水力停留时间的确定*

凡广生1李 泉2

(1.中州大学化工食品学院，河南 郑州 450044;2.河南机电高等专科学校，河南 新乡 453000)

本文在以复合式膜生物反应器系统为基础，以模拟城市污水为处理对象。通过运行条件优化研究，综合脱氮除磷效果及经济因素，将复合区水力停留时间控制在7h左右。此时系统总去除率为:CODcr≥96.28%、NH3－N≥97.54%、TN≥74.87%、TP≥74.34%，出水可以稳定保证在CODcr≤14.35mg/L、NH3－N≤0.74mg/L、TN≤9.02mg/L、TP≤1.05mg/L。效果较好。

膜生物反应器;复合反应器;水力停留时间

将常规的生物处理法与膜分离相结合，其意义不仅仅在于以膜分离取代二沉池，完全去除悬浮固体引起的污染物，还在于通过膜分离的作用，将二沉池无法截留的游离细菌和大分子有机物完全阻隔在反应池内。这必将改变常规生物处理中污染物的构成，使得大分子有机物和胶体明显上升，在短时间内促成专性微生物的积累。根据微生物生长模型理论，随着SRT(污泥龄)的增加，反应器中污泥浓度不断增加［1］，当污泥浓度增加到一定程度时，由于不能很好地供给微生物生长所需的物质和能量，微生物衰减率增加，死亡后的微生物会被降解，由于微生物的降解物中有一部分是难降解的残片和高分子物质，所以会使反应器的处理效果存在一定的波动性。

1.实验装置

本研究采用将多种污水处理工艺设计在极其简单的系统装置中，系统由复合反应区和好氧MBR(膜生物反应器)反应区组成。为了利于保持系统内混合液处于良好的紊动和悬浮状态，减小因剪切造成的污泥颗粒破解，提高曝气设备的充氧速率，经过综合比较，根据流体力学原理，自行设计，把反应器设计为长方形。复合反应器内设有填料，为提高充氧效率和满足混合液所需的流态，复合反应器底部用穿孔曝气管进行曝气，有利于混合液旋转并防止死角，减小水头损失。微生物附着于填料表面和游移在废水中，除了具有降解有机物的作用以外，还同时具有促进系统反硝化的功能。为保证复合反应区内悬浮污泥量，通过回流泵将部分活性污泥回流至复合反应区。好氧MBR反应区是将中空纤维微滤膜直接放入反应器内，反应器底部安置了曝气器。反应器实际上兼具活性污泥法、生物膜法和膜分离三种处理过程。因此，该工艺是这三种处理方法的有效结合。

图1 复合式膜生物反应器工艺流程图

2.水力停留时间的确定

在复合式膜生物反应器处理系统中水力停留时间 (HRT)是一个非常重要的参数，当选定膜组件后，HRT也就决定了反应器容积的大小和MBR的产水量［2］。过长的HRT将直接增大反应器的容积，过短的HRT将会导致系统内溶解性有机物 (SMP)的积累［3］。所以，考虑到MBR系统要获得硝化处理效果，为充分利用设备的充氧能力，HRT值可设计得长一些，以尽量维持系统内溶解性有机物的平衡。这样可降低剩余活性污泥量，系统更能适应冲击负荷。因此合理地确定HRT具有非常重要的意义，系统采用的运行条件为DO(溶解氧)为2.5mg/L，复合反应器内活性污泥浓度控制在7000mg/L，膜区污泥浓度控制在9000mg/L左右，PH值控制在7～8.5之间，水温约20℃的情况下［4—6］，测定HRT对有机物、NH3－N(氨氮)、TN(总氮)和TP(总磷)去除效果的影响。

(1)HRT对有机物去除效果的影响

①HRT对CODcr(化学需氧量)去除效果的影响如表1和图2。

表1 HRT对CODcr的去除效果的影响

图2 HRT对CODcr去除效果的影响

②HRT对BOD5(生化需氧量)去除效果的影响如表2和图3。

表2 HRT对BOD5的去除效果的影响

图3 HRT对BOD5去除效果的影响

由图2和图3可以看出，反应器对有机物的去除受水力停留时间 (HRT)的影响较大，在HRT为5h时，反应器对废水中CODcr、BOD5的去除效果较差，主要是水力停留时间较短，微生物未能充分降解水中的有机物，而膜组件对废水中污染物的阻截作用较小，因此可以认为出水中污染物主要是未降解的小分子有机物，但反应器对CODcr、BOD5的平均生物和系统去除率仍可分别达到达到89.83%、87.86%和94.15%、94.90%，主要原因是反应器中污泥浓度较高，能在较短的时间内达到较好的处理效果。当HRT增至7h时，系统对CODcr、BOD5的去除率增加，增至96.28%和99.05%，增至10h时，处理效果继续增加，但增加缓慢，主要是废水中可降解的有机物均已降解，增加停留时间并不能有效地增加去除效果［7］［8］。

(2)HRT对NH3－N(氨氮)去除效果的影响

HRT对NH3－N去除效果的影响如表3和图4。

表3 HRT对NH3－N的去除效果的影响

图4 HRT对NH3－N去除效果的影响

由图4可以看出，反应器随水力停留时间的变化对NH3－N去除效率的影响较大。当HRT为5h时，反应器对NH3－N的平均生物去除率和系统去除率分别为81.53%和90.04%，系统去除率低的主要原因是水力停留时间较短，不能充分地转化水中的NH3－N。当HRT升至7h以上时，反应器对NH3－N的平均生物去除率和系统去除率迅速增加，分别稳定达到94%和97%以上，系统出水稳定在0.74mg/L左右，主要是污泥停留时间的延长，使得世代时间长的硝化菌在系统中较好的繁殖，同时充足的停留时间可以使废水与微生物能充分接触，微生物能较好地进行硝化反应。

(3)HRT对TN(总氮)去除效果的影响

HRT对TN去除效果的影响如表4和图5。

表4 HRT对TN的去除效果的影响

图5 HRT对TN去除效果的影响

从图5可以看出，随着水力停留时间的增加，系统对TN的去除率先有一个缓慢的升高后又下降，当HRT为5h时，生物和系统平均去除率分别为55.30%和68.80%，处理效果较差，其原因是HRT过小，系统中的微生物不足以在这样短的时间内把含氮物质降解。当HRT升至7h，去除率达到最大值 (生物和系统去除率分别为64.05%和74.87%)，当HRT再增大时，TN的去除率会有一定的降低，其原因主要是随着HRT的延长，污泥负荷逐渐降低，使得世代时间长的硝化菌在系统中较好的繁殖，硝化菌占优势，从这一点上来讲是有利于TN的去除，但是由于硝化阶段消耗了大量的碳源，导致反硝化阶段碳源不足，进水的有机物不能满足细菌的生长需要，细菌因得不到足够的营养而部分死亡，致使反硝化效果降低［9］［10］。观察时发现部分生物膜脱落，污泥絮体结构松散，钟虫的数量减少。

(4)HRT对TP(总磷)去除效果的影响

HRT对TP去除效果的影响如表5和图6。

表5 DO对TP的去除效果的影响

图6 HRT对TP去除效果的影响

从图6可以看出，随着水力停留时间的增加，系统对TP的去除率先有一个缓慢的升高后又下降，当HRT升至7h，去除率达到最大值，当HRT再增大时，TP的去除率会有一定的降低，其原因主要是。当HRT较小时，污泥会过量的吸附废水中的磷，但当HRT增大到7h以上时，由于水力停留时间过长，污泥中吸附的磷再次释放出来，导致除磷效果差。

3.结论

综合脱氮除磷效果及经济因素，可以认为将HRT控制在7h左右为宜。此时系统总去除率为:CODcr96.28%、NH3－N97.54%、TN74.87%、TP74.34%，出水可以稳定保证在CODcr14.35mg/L、NH3－N0.74mg/L、TN9.02mg/L、TP1.05mg/L。

［1］顾国维编.膜生物反应器在污水处理中的研究和应用［M］.北京:化学工业出版社，2002:103—121.

［2］樊耀波，王菊思.水与废水处理中的膜生物反应器技术 ［J］.环境科学.1995，16(5):79－81.

［3］张琳，张元月.新型污水处理装置——膜生物反应器 ［J］.重庆环境科学.1996，18(4):51－55.

［4］黄霞，桂萍等.膜生物反应器废水处理工艺的研究进展 ［J］.环境科学研究.1998，11(1):40—44.

［5］杜萍.三种型式膜－生物反应器工艺运行特性研究 ［J］.给水排水.1999，25(3):24—27.

［6］刘锐.一体式膜－生物反应器的微生物代谢特性及膜污染控制［D］.清华大学硕士学位论文，清华大学图书馆，2000.

［7］汪诚文，钱易等.膜－好氧生物反应器处理生活污水的实验研究 ［J］.给水排水.1996，22(12):18—21.

［8］岑运华.膜生物反应器在污水处理中的应用 ［J］.水处理技术.1991，17(5):319—323.

［9］曹斌.复合生物反应器－膜分离技术处理城市污水的实验研究［D］.西安建筑科技大学硕士学位论文，西安建筑科技大学图书馆，2004.

［10］ EIHani Bouhabila，Roger Ben Aim ＆ Herve Buisson.Fouling Characterisation in Membrane Bioreactors ［J］.Separation and Purification Technology.2001，22—23:123—132.

The assurance of hydraulic retention time on disposing wastewater of hybrid membrane bioreactor

FAN Guang－sheng1;LI Quan2
(1．Department of Chemical and Foodstuffs，Zhongzhou College，Zhengzhou 450044，China;2．Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453000，China)

The article proposes to treat with municipal wastewater based on the hybrid membrane bioreactor．Hydraulic retention time(HRT)can be controlled for 7h by optimization of running conditions，and comprehensive consider of nitrogen and phosphorus removal efficiency and economic factors．At that time，the average COD，NH3－N，TN and TP removal rate are as high as 96．28%，97．54%，74．87%and 74．34%，and the average COD，NH3－N，TN and TP of effluent are as low as 14．35mg/L，0．74mg/L ，9．02mg/L and 1．05mg/L．

membrane bioreactor;hybrid bioreactor;hydraulic retention time

X703

A

1671－7406(2011)09－0092－06

2011－05－11

凡广生(1980－)，男，汉，河南周口人，环境工程硕士，助教，主要从事水污染控制方向的研究。

(责任编辑 徐成东)