无纺布动态膜生物反应器对生活污水的处理

无纺布动态膜生物反应器对生活污水的处理
龙飞;刘康怀;史奇峰;尹一名;严博;王栎雯;陈磊
【摘要】采用无纺布动态膜生物反应器处理模拟生活污水.结果表明,无纺布动态膜快速形成,反应器稳定运行期间,系统对SS的去除效果良好,大部分情况下在出水中
未检测出SS;系统对TOC、NH3-N、TP的平均去除率分别为91.9％、93.4％和63.5％;无纺布动态膜在污水处理中主要起到了泥水分离的作用,其对TOC、TP具
有一定的去除作用,但效果并不明显,对NH3-N则基本无去除作用,混合液活性污泥
中的微生物起到了主要的除污作用.%The treating effect of non woven dynamic membrane bioreactor(NW-DMBR) on the domestic wastewater was studied. The results showed that the NW-DMB formation was rapid. The removal efficiency of the system on SS was good, SS cannot be detected in most of effluent during the stable operation period. The average removal rates on TOC, NH3-N, and TP were 91.9%, 93.4% and 63.5% respectively. The NW-DMB could separate the water and sludge, and it had a bit removal effect on TOC and TP and little effect on NH3-N, Microorganisms in the mixed liquor played a main role in removing contaminants.
【期刊名称】《湖北农业科学》
【年(卷),期】2012(051)024
【总页数】4页(P5638-5640,5653)
【关键词】无纺布动态膜;生物反应器;生活污水处理
【作者】龙飞;刘康怀;史奇峰;尹一名;严博;王栎雯;陈磊
【作者单位】桂林理工大学环境科学与工程学院,广西桂林541004
【正文语种】中文
【中图分类】X52
膜生物反应器（MBR）是一种将膜分离技术和传统活性污泥法相结合的水处理工艺，在污水处理及其再生回用中得到广泛应用。

具有处理效率高、出水水质好、流程简单、设备紧凑、占地面积小、易实现自动控制、运行管理简单等突出特点［1］，但是传统的膜生物反应器存在两大缺陷：膜材料昂贵和膜污染严重。

动态膜生物反应器（DMBR）是一种能有效解决两大问题的新方法［2，3］。

动态膜（Dynamic membrane，DM）是指通过预涂剂或活性污泥在膜表面形成的新膜，也称为次生膜。

采用价格低廉的大孔径（相对于超滤、微滤）材料来制作膜组件，通过预涂剂或微生物及其代谢产物在膜材料表面形成动态膜，这种MBR工艺被称为动态膜生物反应器（DMBR）。

该工艺的优势在于有良好的泥水分离特性；出
水水质好；膜组件的成本低，微网基材廉价易得，可大幅降低MBR的造价；重力自流出水，能耗小；出水通量大；膜污染问题易解决［4］；相关研究受到关注［5］。

以无纺布等微网为基材的动态膜生物反应器（DMBR）是一种新型的污水处理工艺，国内已有部分高校和科研机构开展了动态膜生物反应器处理生活污水的试验研究［6，7］，但对其稳定性和处理效果仍然缺乏深入研究。

采用较廉价的无纺布作为膜材料构建动态膜生物反应器（DMBR），用其处理生
活污水，考查了其处理模拟生活污水的效果，以期为DMBR技术的发展和实际应用提供参考。

1 材料与方法
1.1 试验装置
无纺布动态膜生物反应器（NW－DMBR）是由无纺布膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理工艺（图1）。

反应器材料为聚乙烯圆筒，容积约为50 L，
内部放置膜组件。

动态膜组件由不锈钢架、无纺布制作而成，滤膜片由孔径为50 μm的无纺布包裹形成，内腔由钢架支撑，不易变形。

每片膜的有效过滤面积为0.1 m2，共设4个无纺布滤膜片，嵌套固定于不锈钢架内，置于反应器中部，以
防止膜组件受到曝气冲刷发生位移。

内腔出水管连接在一根出水总管上，出水总管从反应器内通出。

膜组件固定于反应器中部，原水通过蠕动泵软管进入反应器底部，出水水量可自行调节，反应器底部设有分布均匀的曝气管，反应器开始运行采用1.5 m3／h曝气量，除了供氧之外还可通过气泡的运动强化反应器内的混合状态。

图1 试验装置
1.2 试验水质与运行参数
试验采用葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾、硫酸镁、氯化钙、碳酸氢钠等配制人工模拟生活污水，按照COD∶N∶P∶Fe＝100.0∶5.0∶1.0∶0.1 的比例进行配置。

原
水水质见表1。

试验从2010年7月开始，2011年1月结束，试验运行了165 d，整个过程可以分为4个阶段：膜组件制作阶段，不同运行参数的试验阶段，长期
稳定运行阶段，膜污染控制试验阶段。

系统刚启动的第一天分时段对进、出水SS
和浊度进行测试，确定动态膜形成所需的时间；待动态膜形成后，进入不同运行参数的试验阶段，分别选取在不同的容积负荷、污泥负荷、溶解氧、水力停留时间、pH等参数条件下运行反应器，每2 d测定进、出水和上清液的COD，确定最佳
运行参数，参数性试验持续了85 d；稳定运行阶段，每天对进、出水和上清液的TOC、氨氮、TP进行测定，每天测定反应器混合液的温度、pH与溶解氧，运行
时间为30 d，重点考查NW－DMBR的长期运行效果。

此次试验的接种污泥采用桂林七里店污水厂回流活性污泥。

反应器配水方式采用连续进水。

有机负荷约为 1.2 kgCOD／（m3·d），曝气量为 1.2 m3／h，DO 为2.0 mg／L，MLSS 为 3 250 mg／L。

反应器的HRT为5 h。

水温保持在
17~20℃。

试验过程中除每天取适量混合液测定MLSS外，未专门排泥。

表1 原水水质状况?
1.3 测试项目与方法
TOC采用紫外法测定；NH3－N采用纳氏试剂分光光度法测定；TP采用钼锑抗分光光度法测定；SS采用重量法测定。

2 结果与分析
2.1NW－DMBR对SS的去除效果
试验中发现，在反应器运行初期，由于无纺布表面动态膜还未形成，混合液仅靠无纺布自身孔径进行过滤，此时膜的孔径较大，固液分离的效果并不理想，出水SS 浓度高达107 mg／L，出水浊度为89 NTU。

但当系统运行至45 min时，出水SS急剧下降到17 mg／L，系统运行2 h后，浊度降到10 NTU，此后浊度仍缓慢下降。

当连续运行12 h后，此时取出无纺布组件，发现无纺布表面堆积的污泥较厚，但是泥层很容易脱落，经过水冲洗后只有少量污泥还吸附在载体上。

当系统连续运行24 h后，浊度降为5 NTU，SS几乎检测不到。

取出膜组件，观察无纺布表面，可以明显发现无纺布表面约有5 mm厚的生物质层。

由此可推断，动态膜能够在短时间内形成，且无纺布能够快速有效地截留混合液中的SS，并可使其沉积在无纺布表面。

动态膜的结构从外向内可分为滤饼层和凝胶层，滤饼层结构较松散而凝胶层则结构紧密［8，9］。

凝胶层的存在使得动态膜的实际孔径远小于无纺布的孔径，因此所形成的动态膜不但可以去除粒径较大的SS，而且还可以滤除部分小粒径物质。

随着动态膜的形成，SS被截留。

2.2NW－DMBR对TOC的去除效果
试验的NW－DMBR系统中进、出水及上清液中TOC浓度随运行时间的变化如图2所示。

从图2可以看出，NW－DMBR对TOC去除效果在系统运行开始的前4 d较低，经分析其主要原因是系统开始启动初期微生物未适应较高的进水负荷以及自身活性不强，因此，前4 d NW－DMBR对TOC的去除率在90%以下。

随着反应器内微生物数量的增殖和活性的不断提高，TOC去除效果逐步提高，最高达94%，平均去除率为91.9%。

由此可说明无纺布DMBR对TOC具有很好的去除效果和较高的耐TOC冲击负荷的能力。

上清液TOC的平均去除率为88.7%，混合液经过无纺布动态膜后TOC平均截留率为3.2%。

通过比较上清液和出水的TOC可以看出，上清液TOC与出水TOC比较接近，说明系统对TOC的去除主要依靠混合液中微生物的作用。

系统对TOC的平均去除率为91.9%，其中无纺布动态膜的平均贡献率为3.2%，活性污泥的平均贡献率为88.7%。

由此表明，无纺布动态膜本身对TOC具有一定的去除能力，但去除效果并不好。

图2 NW－DMBR进、出水TOC的变化趋势
2.3NW－DMBR 对 NH3－N 的去除效果
试验的NW－DMBR 系统中，进、出水及上清液中NH3－N浓度随运行时间的变化如图3所示。

由图3可见，无纺布动态膜形成后，污泥被截留，世代时间较长的硝化菌在反应器内得以增殖，系统对NH3－N 的去除率较高。

稳定运行期间出水NH3－N＜10 mg／L，其中绝大多数情况下小于 7 mg／L。

系统对NH3－N 的平均去除率为91.8%，其中无纺布动态膜的平均贡献率仅为1.0%，活性污泥的平均贡献率为90.8%，可见无纺布动态膜对NH3－N的去除效果基本为零。

无纺布动态膜对NH3－N的平均去除贡献率相对于TOC要低得多，经分析认为这是由于混合液中含NH3－N的颗粒物数量远低于含TOC的颗粒物数量［10］。

另一方面，从图3可以看出，NW－DMBR的上清液氨氮浓度与膜出水氨氮浓度差异并不明显，这是因为氨氮在废水中是以水和氨离子的形式存在，属于无机小分
子，其大小要比无纺布动态膜孔径小的多，也有资料显示，动态膜和固定膜都没有分离无机小分子能力［11］，因此，动态膜的拦截作用本身对氨氮的去除效果没
有多大影响［12］，而系统出水中氨氮要比上清液中氨氮略低的原因主要是无纺
布动态膜的凝胶层和滤饼层对氨氮有一定程度的吸附作用。

图3 进、出水氨氮随时间变化趋势
2.4NW－DMBR对TP的去除效果
试验的NW－DMBR系统中，进、出水及上清液中TP浓度随运行时间的变化如
图4。

由图4可以看出，试验总磷去除率为54.6%~79.7%，平均去除率为63.5%。

分析其原因，传统生物工艺除磷都需经过厌氧和好氧两个交替的环境：在厌氧的条件下，使聚磷菌体内积累的磷充分排出，在好氧条件下，使其把过量的磷积聚于聚磷菌体内，最后通过排放剩余污泥达到除磷的效果［13］。

虽然反应器内存在有
曝气死角，造成了局部缺氧，但是NW－DMBR在试验过程中采用连续曝气方式，并没有给除磷过程提供厌氧条件，所以在一定程度上不利于除磷效果；并且系统运行过程中没有剩余污泥的排放，在细菌体内的磷酸盐不能得到及时的排放，结果导致在运行后期除磷效果不佳。

与传统废水处理工艺相比，无纺布动态膜生物反应器在去除磷的效果上并没有优越性。

图4 NW－DMBR进、出水总磷随时间变化趋势
3 结论
1）无纺布动态膜生物反应器对SS具有很好的去除效果，随着系统运行时间的增加，出水SS浓度不断下降，运行至2 h后，SS的浓度已可忽略不计，当系统运
行24 h后，SS的浓度几乎检测不出。

2）反应器稳定运行期间，系统对TOC及NH3－N的去除效果较好，对TP的去
除效果一般，其中系统对TOC平均去除率达91.9%，对NH3－N的平均去除率
为91.8%，对TP的平均去除率仅为63.5%。

3）以无纺布为基材的动态膜对TOC、TP具有一定的去除作用，但效果并不明显，平均去除率分别为 3.2%和 5.3%，对 NH3－N 则基本无去除作用，去除率仅为1.0%。

系统活性污泥中的微生物对TOC、NH3－N的去除起到了主要作用。

动态膜在污水处理中主要起到了泥水分离的作用。

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