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气水交替膜生物反应器处理生活污水的效能研究

王宏杰  
【摘要】: 淹没式膜生物反应器(submerged membrane bioreactor, SMBR)与传统污水处理工艺相比具有许多优势,但膜污染问题限制了其广泛应用,同时MBR普遍使用较大的气水比来控制膜污染,造成了反应器中脱氮所需的缺氧、厌氧环境的缺失,导致脱氮效果不佳。为解决以上问题,同时降低SMBR的运行能耗,本文首次研究了气水交替膜生物反应器(membrane aeration/filtration alternate membrane bioreactor, AMBR)处理生活污水的工艺特征及效能,在优化了运行条件的基础上,考察了该反应器处理生活污水同步脱氮除有机物的效果,并进行了膜污染控制效能分析。 针对目前常用的疏水性微孔膜材料曝气过程中泡点低、供氧能力有限的缺点,结合泥水分离对膜材料性能的要求,对选定的疏水性聚丙烯中空纤维膜进行了亲水预处理,以提高膜材料的供氧能力及出水性能,使其能满足AMBR对膜材料的要求。试验结果表明:以乙醇为亲水剂,采用吸附法能有效提高膜材料的亲水性。预处理5min以上的膜材料,其供氧能力已得到了较大的改善,泡点由原膜材料的1.5kPa增至107kPa,供氧能力为原膜材料的6倍,达到了16.4g/m2·h。经预处理后的膜材料出水性能也大大提高,在通量为50L/m2·h时,抽吸负压仅为12kPa;而未经预处理的膜材料,在抽吸负压为78kPa时仍无法出水。 通过考察膜曝气的影响因素,为膜曝气应用于水体充氧及后续的AMBR运行提供基础参数。试验结果表明:膜腔内气压、水力条件和水质对膜曝气充氧效果有较大影响,而淹没深度对膜曝气充氧效果影响不大。在膜腔内气压低于泡点的条件下,充氧速率及充氧能力随膜腔内压力的增加而上升;而在一定范围内增加膜表面的水流流速有利于提高膜曝气的供氧能力;水质的恶化会导致膜曝气的供氧能力下降。而膜组件在10~40cm的淹没深度范围内,水深对膜曝气充氧效果基本无影响。 为优化AMBR运行条件,考察了混合液DO、原水C/N比和反应器的交替周期对AMBR运行效果的影响,同时研究了AMBR对污染物的去除负荷。试验结果表明:AMBR在混合液中DO含量为0.5mg/L时具有较好的同步脱氮除有机物效果,对COD、NH3-N和TN的去除率分别为94.5%、96%和78.4%。在原水C/N比为3~10的范围内,AMBR均能有效去除COD和NH3-N,但TN的去除随C/N比的增加而增加。AMBR在交替周期为0.75~3h时,均具有较好的膜污染控制效果,结合较长的交替周期有利于减少氧损失率的特性,最终确定较优交替周期为3h。在最大膜腔内供氧压力为200kPa的前提下,AMBR对COD、NH3-N和TN的最大去除负荷分别为84.9g/m2·d、6.6g/m2·d和6.5g/m2·d。 AMBR生活污水处理效能研究表明:该工艺具有稳定良好的同步脱氮除有机物效果,而膜过滤出水方式也能有效地截留SS。在连续运行的120d时间里,AMBR对COD、NH3-N、TN和SS的去除率分别高于97%、90%、75%和99%。与传统SMBR的对比研究表明:两种MBR对COD和NH3-N去除效果基本一致,但AMBR具有更好的TN去除效果。中试研究表明:实际生活污水的C/N比在4的条件下,AMBR对TN的去除效果有限。通过添加葡萄糖,当原水C/N比提高至6时,反应器出水TN能低于15mg/L,达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A的要求。 AMBR膜污染控制研究表明:与传统SMBR相比,AMBR具有更好的膜污染控制能力。由于较低的混合液污泥浓度、混合液粘度和表面泥层中EPS的含量以及周期性的反冲洗有利于降低膜污染,AMBR反应器在连续运行的50d里,膜组件的TMP值始终维持在-10~-15kPa左右;而SMBR在运行至27d时,膜组件的TMP值已超到-30kPa的预设清洗值,需对膜组件进行化学清洗。AMBR在经连续运行120d后,膜组件的TMP值无明显变化。对运行结束后的膜组件进行了化学清洗,与新膜组件相比,膜组件的曝气及出水性能无明显变化。AMBR工艺的氧利用率高于70%,以本试验过程中采用的模拟生活污水为例,耗氧成本为0.285元/吨。


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