不同曝气压力下MABR反应器污染物去除效率研究_诸大宇.pdf

第49卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.49 No.2Feb.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT不同曝气压力下不同曝气压力下MABR反应器污染物去除效率研究反应器污染物去除效率研究诸大宇（北京蓝源恒基环保科技有限公司，北京 100013）摘摘 要要:通过膜曝气生物膜反应器处理医院污水中试实验研究，对比不同曝气压力下MABR池溶解氧浓度变化，以及不同压力下COD、氨氮和总氮的去除效果变化情况，探索MABR工艺处理医院污水的启动挂膜及最佳运行参数。结果表明：采用低曝气压力和A2O循环挂膜方式启动，MABR工艺能在40天内实现膜表面快速挂膜。MABR池中溶解氧浓度随曝气压力的增加而增加；曝气压力变化对COD去除率影响较小，前期成正比例缓慢增加，后期逐渐趋于平缓；曝气压力对氨氮去除效果成正相关，随着曝气压力持续升高，氨氮去除率出现明显增加趋势；随着曝气压力的增加去除总氮的效果前期呈缓慢增长趋势，压力超过25 kPa时总氮去除效率反而下降，曝气压力过高成为反硝化脱氮的制约因素。中试研究表明：MABR工艺在压力为25 kPa和HRT为12 h情况下运行效果较好，该工艺适用于医院污水处理领域。关键词关键词:MABR工艺；医院污水；泡点；曝气压力；总氮；HRT开放科学开放科学（资源服务资源服务）标识码标识码（OSID）:中图分类号中图分类号:TQ028.8;X799.3 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)02-0117-005污水中污染物种类多、有机污染物浓度高、成分复杂，污水处理大多采用传统活性污泥法，由于碳源不足导致反硝化脱氮效果不佳，深度脱氮成为污水处理行业的难点，研发低耗、高效且实用的新型脱氮除碳工艺水处理技术显得尤为迫切。MABR（膜曝气生物膜反应器）技术是污水处理与气体分离膜技术相结合的一种新型的污水生物处理技术1。与传统的生物膜工艺相比，MABR具有以下几个优点：中空纤维膜的比表面积大，有利于生物量的积累，微生物附着生长在膜的表面，不会被曝气冲刷；独特的微生物氧化还原分层结构，同步硝化反硝化可实现低碳氮比情况下总氮的高效去除；无泡曝气溶氧效率高，能耗低2。MABR 在污水处理中的独特优势而受到越来越多的关注和研究，在MABR系统中，曝气压力影响系统中DO（溶解氧）的浓度变化，因DO发生变化对污染物COD、氨氮、总氮的去除效率发生转变，因而MABR系统中运行压力的确定是非常重要的运行参数。在 A2O系统中，DO浓度不足会导致硝化不完全，从而导致氨氮去除性能下降。然而过度曝气增加了溶液中的氧含量，硝化液溶氧过高抑制了缺氧池的反硝化过程3-4。CHEN 等研究表明，当A2O系统的硝化液回流比从100%增加到400%时，TN的去除率提高5。MABR是一个非常有应用前景的工艺，其生物膜结构与功能特性在污水生物脱氮领域具有诸多优势，但MABR 还存在一些亟待解决的问题，需要进一步深入研究。本文旨在探究MABR工艺在医院污水处理中启动运行快速挂膜效果，不同曝气压力和 HRT 下 MABR 工艺运行效果，以期为 MABR 技术在污水处理领域工程应用提供参考。1 材料和方法材料和方法1.1实验装置实验装置MABR中试实验装置与2021年3月设计加工，反应器由碳钢钢板焊接制成，反应器主体工艺为厌氧+MABR+好氧+沉淀，一套膜组件单元直接放置在MABR池内。中试实验反应器体积为60.75 m3，其中厌氧池4.5 m3、MABR池18.75 m3、好氧池18.75 m3，污水处理工艺流程如图所示。污水站调节池设污DOI:10.16796/ki.10003770.2023.02.023收稿日期：2022-04-11作者简介：诸大宇（1975），男，硕士，工程师，研究方向为污水处理技术；电子邮件：117第 49 卷 第 2 期水处理技术水处理技术水提升泵，流量为5 m3/h，泵后设调节阀门和电磁流量计；好氧池设硝化液回流泵，泵流量为8 m3/h，泵后设调节阀门和电磁流量计；沉淀池设污泥回流泵，回流泵流量为5 m3/h，泵后设调节阀门和电磁流量计；曝气采用空压机，风量3 m3/min，风压0.8 MPa，风管到MABR池和好氧池均设调节阀门和流量计。实验采用聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维帘式膜作为膜曝气生物膜反应器（MABR）的膜载体，膜孔直径为0.2 m，膜具有良好的透气性和机械性能、抗化学腐蚀性强，20个膜片排列成一个膜组件，膜面积为100 m2，中空纤维膜组件垂直置于反应器中间。MABR膜组件一方面作为微生物生长的载体，使微生物富集在MABR膜组件上形成附着生长的生物膜，另一方面，中空纤维膜内腔的空气透过膜壁为附着在膜表面上的微生物供氧。1.2实验用水实验用水实验装置位于北京某三甲医院污水站内，中试实验污水取自医院污水站调节池，属于典型的医院综合污水。进水COD 300450 mg/L、氨氮3045 mg/L、总氮5080 mg/L、总磷35 mg/L、pH 69。1.3泡点测试泡点测试泡点是曝气过程刚好产生肉眼可见气泡的最小气压。向MABR反应池内注满清水，启动空压机，调节阀门向疏水膜腔内逐渐加压空气，启动压力从0逐渐加压至50 kPa时，膜组件表面刚好产生微小气泡，记录泡点压力为50 kPa，即为该膜曝气泡点。泡点测试是为指导后期运行压力调整的重要参数，MABR膜曝气正常运行压力应低于泡点压力。1.4MABR挂膜启动挂膜启动挂膜是MABR启动运行的关键因素，挂膜是否成功能够直接影响处理效果。实验污水取自医院污水站调节池，通过阀门调节控制进水流量。接种污泥取自医院污水站沉淀池回流污泥，起始污泥浓度5 000 mg/L，沉降比为 50%，反应器充满 3/4混合液和1/4污水开启曝气24 h。试验初期是启动挂膜阶段，在该阶段，采用循环挂膜方式，曝气压力调节为10 kPa。按A2O工艺方式正常运行，连续进水流量为2 m3/h，硝化液回流比200%，污泥回流比75%，厌氧池和MABR池搅拌机运行，系统连续运行15 d后显微镜下观察膜表面附着一定厚度生物膜；曝气压力调整为15 kPa连续运行至35 d后膜表面附着密集生物膜；持续运行至40天膜表面密集生物膜厚度未见明显增加，观察发现膜表面呈淡黄色，说明中空纤维膜外壁上附着的微生物己经形成了特有的生物分布，挂膜结束。1.5实验方法实验方法不同曝气压力实验，运行方式为连续进水流量为 2 m3/h，硝化液回流比 200%，污泥回流比 75%。实验分为六个梯度压力阶段，曝气压力设定到 15 kPa（15 d）、曝气压力调节到20 kPa（610 d）、曝气压力调节到 25 kPa（1115 d）、曝气压力调节到30 kPa（1620 d）、曝气压力为 35 kPa（2125 d）、曝气压力为40 kPa（2630 d）。检测6个曝气压力下MABR反应池内DO的浓度变化，COD、氨氮和总氮的去除效果。取样周期为每天早上8点，24 h取1次样，检测不同曝气压力下MABR池中的DO和进水、出水COD、氨氮、总氮等指标进行检测分析，实验周期30天。不同HRT运行污染物去除效果实验，曝气压力为25 kPa，硝化液回流比200%，污泥回流比75%，好氧池DO保持在23 mg/L，实验不同HRT（水力停留时间）下MABR反应器对污染物的去除效率，调节进水流量控制反应器生化池HRT为6、9、12、15、18 h五个梯度进行实验，HRT包含厌氧池、MABR池以及好氧池三者停留时间之和，三个池子的停留时间比例为2：9：9。在同一HRT条件下均连续测定7天的进、出水COD、氨氮和总氮数据，计算平均去除效率，检测不同HRT下工艺对COD、氨氮和总氮的去除效果，实验周期35天。1.6水质分析水质分析水质指标按照国家环保总局 水和废水监测分析方法 中相应测定方法进行测定。COD采用重铬酸钾法（GB 1191489），测量仪器为哈希多参数测定仪 DR6000。氨氮采用水杨酸分光光度法（GB 747987），哈希多参数测定仪DR6000。总氮采用厌氧池MABR好氧池沉淀池p811149137654321101215161718池 图1中试实验装置工艺流程Fig.1Process flow chart of pilot test device1-进水、2和3-搅拌机、4-MABR膜组件、5-微孔曝气盘、6-硝化液回流泵、7-污泥回流泵、8-空压机、9和10阀门、11和12-流量计、13-出水、14-压力计、15和17-电磁流量计、16和18-阀门过硫酸钾氧化法（GB 11894-89）哈希多参数测定仪DR6000。DO使用便携式溶解氧仪，哈希HQ30D溶氧仪。悬浮物采用重量法 GB 11901-89，所需仪器和设备：称量瓶、慢速定量滤纸、烘箱和电子天平。2 结果与讨论结果与讨论2.1不同曝气压力不同曝气压力DO变化和污染物去除效果变化和污染物去除效果2.1.1不同曝气压力不同曝气压力DO变化变化设定 15、20、25、30、35、40 kPa共 6个曝气压力下对 MABR 反应池内溶解氧（DO）的浓度进行观测，检测DO结果如图2所示。从图2中可以看出，连续5天测量在同一曝气压力下MABR池中DO值较为稳定，DO值随着曝气压力的增加而显著增加，并且曝气压力越高，水中DO值增加幅度越大。产生这一现象的原因是随着压力增加，氧传质速率增加，提高了水中DO 浓度。曝气压力为15 kPa时，池内溶解氧为0.12 mg/L；曝气压力为20 kPa时池内溶解氧平均浓度为0.17 mg/L；曝气压力为25 kPa时池内溶解氧平均浓度为0.43 mg/L；曝气压力为 30 kPa 时池内溶解氧平均浓度为 0.63 mg/L；曝气压力为35 kPa时池内溶解氧平均浓度为0.84 mg/L；曝气压力为40 kPa时池内溶解氧平均浓度为1.19 mg/L，随着曝气压力的增大，池内环境由厌氧、缺氧转向好氧。通过调整曝气压力，可以改变池内供氧环境，进而影响MABR生物膜的分层结构。在曝气压力逐渐提升过程中，生物膜的结构相继发生了改变，生物膜从内至外由好氧、缺氧、厌氧三个分层变为好氧、缺氧两个分层，后又变为好氧一个分层。压力变化丰富了MABR生物膜分层结构，同时随着曝气压力增加使生物膜好氧层厚度增加，拓宽生物膜内部好氧区域6。2.1.2不同曝气压力不同曝气压力COD去除效果去除效果MABR工艺在不同曝气压力下的COD去除效果如图 3 所示。医院污水进水 COD 在 300450 mg/L之间波动，初始曝气压力为15 kPa时，COD平均去除率为81%；曝气压力为20 kPa时，COD平均去除率为85%；曝气压力为25 kPa时，出水COD平均去除率为88%；曝气压力为30 kPa时，COD平均去除率为89%；曝气压力为35 kPa时，COD平均去除率为89%；曝气压力为40 kPa时，COD平均去除率为90%。不同的曝气压力下，COD去除率均维持在80%以上，COD去除率随压力增加前期成正比例增加，后期逐渐趋于平缓，压力升高到30 kPa后在提高压力对系统 COD 去除效率变化不明显，去除COD 的最佳压力为 2530 kPa。研究表明调节曝气压力对于 MABR 工艺去除 COD 的性能影响较小，MABR工艺在不同曝气压力条件下对COD均具有较好的去除效率。表明对生长较快的异养菌而言，曝气压力不是主要的控制因素，随着好氧生物膜厚度增加传质阻力则成为制约因素7。2.1.3不同曝气压力氨氮去除效果不同曝气压力氨氮去除效果实验结果如图4所示。MABR进水氨氮浓度维持在 3045 mg/L，出水氨氮浓度在 311 mg/L 之间，氨氮平均去除率为82%。在曝气压力为15 kPa时氨氮平均去除率为73%，调整曝气压力为20 kPa时氨氮平均去除率为77%，曝气压力调整为25 kPa时氨氮平均去除率为80%，继续调整压力到30 kPa时氨氮平均去除率升高到83%，压力为35 k