复合淹没式中空膜生物反应器处理生活污水的特性研究
中空膜生物反应器由膜组件和生物反应器组成，按其布设形式可分为错流式(CMBR)和淹没式(SMBR)两大类。在CMBR中，膜组件置于生物反应器之外，因此也称之为分置式反应器；在SMBR中，将膜组件直接淹没在生物反应器中，因此又称之为一体式反应器。从能耗的角度来看，SMBR优于CMBR。
我国对MBR的研究刚刚起步，目前国内尚未有应用膜式生物反应器处理生活污水的处理厂。
1 试验装置
本研究在自行设计的复合淹没型膜式生物反应器试验装置(见图1)中进行，该反应器由前置反硝化A段和好氧硝化O段两部分组成。生物反应器的容积：A段为4.0 L，O段为13.9 L。A段反应器内装填大颗粒陶粒，陶粒为直径1.0～1.5cm、长1.2～3.7cm的近似圆柱体，空隙率为46%(其中陶粒间隙率占42%，陶粒本身的孔隙率占4%)。O段好氧反应器下部装填盾形泡沫填料，装填密度为1 个/L。每个填料所用泡沫约3.0g，将泡沫制成细长条，用塑料片加以固定，构成直径约120 mm，质量为5～6 g的盾形填料。用抗微生物分解的绳子将填料串联成一串，填料间用陶瓷环加以分隔。填料形式如图2所示。O段反应器上部装填中空纤维膜组件，膜面积为1.0m2，材料为聚丙烯，孔径为0.01 μm。O段反应器底部装有砂盘曝气器，并由带调节阀的转子流量计控制曝气量。原水经前置反硝化A段进入好氧膜式生物反应器，在出水泵的抽吸作用下得到膜过滤出水。
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2 系统工艺特性
系统由前置反硝化A段和好氧硝化O段组成A/O工艺。由于硝化液回流，好氧反应器中的DO随硝化液进入A段反应器，在A段上部进水区形成缺氧条件。下部由于带入反应器内的DO很快被微生物利用而消耗殆尽，形成完全厌氧条件。因此在A段反应器内实际上进行着缺氧—厌氧两种反应。由于填料的存在，水在反应器内流速较快形成紊流状态，不安装搅拌装置就能使进水与回流硝化液充分混合，从而使系统简化，能耗降低。综上所述，在整个A/O系统中，实际上实现了A2/O运行条件。有文献报导，在A2/O工艺中，同等条件下缺氧/厌氧/好氧运行方式的出水水质优于厌氧/缺氧/好氧运行方式。
在活性污泥曝气池中投放填料，是降低污泥负荷、防止污泥膨胀和实现硝化的有效措施。在O段好氧生物反应器中投放的泡沫填料具有比表面积大、孔隙率高、易挂膜和吸水后体积质量略大于水等优点。由于填料的介入，污水中微生物的生存环境由原先气、水两相转变为气、水、固三相，为微生物创造了更丰富的生存形式，部分微生物附着在填料上，其余的悬浮在水中，以生物膜和活性污泥两种方式构成新的生态系统，且这一系统在纵横两个方向上互相关联。在纵向上微生物构成一个由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物等多个营养级组成的复杂生态系统，其中每个营养级的生物量都受到环境和其他营养级的制约，最终达到动态平衡。在横向上沿着水流到载体的方向，构成了一个悬浮好氧型、附着好氧型、附着兼氧型和附着厌氧型的多种不同活动能力、呼吸类型、营养类型的微生物系统。从系统论的观点看，系统的结构越复杂，其稳定性越强，适应环境变化的能力也越强。试验证明，该复合系统具有运行稳定和抗冲击负荷强的优势。
在O段好氧反应器上部装置中空纤维超滤膜，这是保证出水水质的关键，当膜组件进行固液分离时，容易引起浓差极化现象。浓差极化使得膜表面附近溶质浓度相对增高，从而引起膜通量下降，而且高分子物质和胶体物质在膜表面附近的积蓄会形成一个凝胶层，即所谓的第二动态膜，它严重影响了液体的流动，同时增加了水和低分子物质的透过阻力，致使增加外界的压力与所产生的阻力相平衡，其结果只能使凝胶层的厚度增加而无法再使通量提高，这就大大影响了超滤的经济效益。当产生凝胶层时，膜的透过速率可用下式表示
JV＝VW/1+Rg/Rm
式中 JV——水的膜透过速率，m3/(m2•d)
VW——纯水的膜透过速率，m3/(m2•d)
Rg——凝胶层对流动产生的阻力，N
Rm——膜对流动产生的阻力，N
由上式可以看出，减缓浓差极化现象可以从两个方面入手，其一是提高料液的流速，使其处于紊流状态，让膜面的高浓度与主流浓度更好地混合：其二是对膜面不断进行清洗，消除已形成的凝胶层。本研究采用前一种方式，通过控制曝气量来控制上升气流的流速，使水流处于紊流状态。上升气流带动水流对膜表面进行冲刷，有效降低了浓差极化。因此，曝气是决定过滤条件的主要因素。
3 结果与讨论
试验用水采用直链淀粉、牛肉膏、蛋白胨、尿素、复合肥、NH4Cl、KH2PO4、Na2HPO4配置成模拟生活污水，试验水质见表1。试验期间进水量为3.0L/h；HRT为6.0h，其中A段1.4 h，O段4.6 h；
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表1 试验水质及其分析方法 |
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指标 |
数值 |
分析方法 |
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CODcr |
152.0～432.64 |
回流法 |
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BOD5 |
58.86～293.33 |
仪器法 |
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TN |
21.56～34.77 |
碱性过硫酸钾消解光度法 |
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TP |
4.12～9.20 |
过硫酸钾消解氯化亚锡还原光度法 |
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SS |
33.0～149.0 |
重量法 |
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浊度（NTU） |
18.0～160.0 |
仪器法 |
3.1 DO对处理效果的影响
曝气量由带调节阀的转子流量计控制，通过反应器内DO的测定值来反映曝气量的大小(取样时停止曝气，用溶解氧瓶立即从O段反应器中间取样口取样)。试验期间控制回流比n＝3～4，水温30 ℃。
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图3、4、5分别为DO对CODCr、BOD5和NH3-N去除效果的影响。由图可以看出，随DO的增加，总去除率均有增加的趋势。由于膜分离技术使污水中的大分子难降解成分在体积有限的生物反应器中有足够的停留时间，即使在DO很低(1.15 mg/L)的条件下，系统仍能获得非常可观的去除效果，此时系统对CODCr、BOD5和NH3-N的去除率分别为77.2%、97.0%和76.4%。由图还可以看出，DO对生物反应器的去除效果影响较大，超滤膜对总去除率的贡献随着DO的增大反而有所下降。这主要是由于曝气量越大对膜面产生的冲刷越强，从而膜表面的动态吸附层变薄，膜通过阻力降低使更多的粒子得以通过引起的。增大DO虽然可使总去除率提高，但能耗也会随之增加；另外，若曝气量太大，反应器内的填料上不易挂膜或容易将已挂好的生物膜冲刷下来。因此，本研究得出的结论是，DO宜控制在4～6 mg/L，这时系统的总去除率为：CODCr＞97%、BOD5＞99%、NH3-N＞94%，出水CODCr＜30mg/L、BOD5＜10mg/L、NH3-N＜2mg/L。
3.2 温度对去除效果的影响
温度也是决定去除效果的重要指标，温度的高低直接影响微生物的活性，同时，水温越高水的粘度越小，对膜分离来说非常有利。试验过程中水温为7～30 ℃。水温对CODCr、BOD5和NH3-N的去除效果影响见图6、7、8。
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由图可知，随着温度的升高，系统对CODCr和BOD5的总去除率稍有增加，但对NH3-N的去除效果影响显著。当温度低于10 ℃时，系统对NH3-N几乎没有去除作用。随着温度的升高，系统对NH3-N的去除作用明显增强，12 ℃时去除率为7.8%，30℃时去除率为94.7%。由图还可以看出，温度主要是影响生物反应器去除效果，对膜的去除效果影响不大。
3.3 系统出水水质评价
将系统控制在适宜的条件下，出水可达到CODCr＜30mg/L、BOD5＜10mg/L、NH3-N＜2mg/L、浊度＜1NTU、SS为0。本研究得出的运行条件为: DO控制在4～6mg/L、水温t＝25～30 ℃、回流比n＝3～4、HRT＝6h，在此条件下运行，出水水质优于国家生活杂用水水质标准(CJ25.1—89)，可作为非饮用水回用。
4 结语
复合淹没式中空膜生物反应器将多种污水处理工艺设计在极其简单的系统装置中，系统装置由前置反硝化A段和好氧硝化O段两个生物反应器组成。在A段反应器中完成缺氧—厌氧两种反应过程。O段反应器中将中空纤维超滤膜直接放入反应器内组成一体化淹没式膜生物反应器，同时在反应器内投入泡沫填料，反应器实际上兼具活性污泥法—生物膜法—膜分离三种处理过程，因此，系统具有运行稳定和抗冲击负荷强等优点。
曝气量和水温是决定系统处理效果的重要指标，将系统控制在适宜的条件下，可得到水质优于国家生活杂用水水质标准的回用水，实现污水资源化。
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