不同曝氣模式對mbr工藝脫氮效果的影響

氧漂后對總氮的去除效果由于沉積物長，通風充分，對氨氮的去除效果好，去除率一般大于90%，廢水中氨氮濃度小于1mg。但在多數曝氣MBR中,由于缺氧環境不充分,反硝化能力較弱,導致系統對總氮(TN)的去除率不高。通過增加缺氧段,可將TN的去除率提高至60%～80%。鄒聯沛等認為控制溶解氧濃度可實現短程硝化反硝化生物脫氮,提高總氮去除效率。研究表明,通過調整曝氣時間來實現短程硝化脫氮比通過改變污泥齡實現短程硝化脫氮更具有吸引力。為了改善MBR的脫氮效果,本研究考察了改變溶解氧濃度、曝氣/停曝時間對MBR工藝實現短程硝化反硝化生物脫氮的可能性以及對膜污染的影響。1試驗材料和方法1.1中空纖維膜的制備膜生物裝置如圖1所示,反應器規格為0.45m×0.4m×0.1m,有效體積為15L,膜組件采用聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維膜,膜絲外徑為1.44mm,膜組件有效面積0.25m2,膜孔徑0.03μm。膜組件下設有5個曝氣砂頭,進行鼓風曝氣,以保證微生物的供氧條件。人工配制的模擬生活污水由進水蠕動泵打到反應器中,由時間繼電器控制間歇出水方式,曝氣量由在線溶解氧控制儀控制。反應器采用間歇曝氣模式,為了減輕膜污染,曝氣與膜出水同步。保持恒流出水,通過記錄過膜壓力的變化來考察膜污染狀況。1.2試驗設備及運行條件接種污泥取自門頭溝污水處理廠,馴化期內為了抑制硝化菌生長,富集亞硝化菌,用加熱棒控制系統溫度在30℃,控制低的溶解氧濃度(從小于1.0mg·L-1逐漸增加至2.0mg·L-1)。馴化期間保持膜裝置正常運行。馴化約一個月后,清洗膜組件,使過膜壓力恢復到初始值,正式進入試驗階段。模擬生活污水用蔗糖、牛肉膏、大豆蛋白胨、NH4Cl、Na2HPO4·12H2O、KH2PO4、無水乙酸鈉、無水Na2CO3、MgSO4·7H2O和CaCl2配制而成,COD∶TN∶TP=100∶10∶2,本試驗COD、總氮、總磷、氨氮、亞硝酸鹽氮(NO-2-N)、硝酸鹽氮(NO-3-N)等水質指標的測定均采用國家標準方法。系統運行過程中污泥濃度保持在4500～5500mg·L-1,溫度30℃,pH值為7～8,膜通量11L·h-1·m-2,水力停留時間(HRT)為8h。試驗分為兩階段,第一階段控制間歇曝氣/停曝時間為5min/1min,采用在線溶解氧儀控制各周期溶解氧濃度分別為1、2、3、4mg·L-1。第二階段控制溶解氧濃度為2mg·L-1,控制各周期曝氣/停曝時間分別為5min/1min,20min/4min,20min/10min,10min/5min,5min/2.5min。以上兩階段每個周期開始之前,都先將污泥在該周期特定的試驗條件下馴化20d,污泥齡(SRT)約為12d。待污泥性狀穩定后再進入正式試驗階段,運行12d。每隔1d測一次常規指標并記錄過膜壓力,周期結束后,用0.1%的次氯酸鈉溶液清洗膜組件,先化學清洗,后水力清洗,使過膜壓力恢復到初始狀態(5～6kPa)。2結果與討論2.1硝酸鹽總氮的去除不同溶解氧濃度下系統對總氮的去除效果如圖2所示。由圖可見,隨溶解氧濃度增加,總氮去除率先增大后減小。溶解氧為3mg·L-1時去除率達到最高值39.85%,溶解氧大于3mg·L-1時去除率開始下降。為了進一步解釋總氮去除規律,分析了在不同溶解氧濃度下上清液各形態氮的含量及亞硝酸鹽氮的積累情況,如表1和表2所示。定義亞硝酸鹽氮積累率R=亞硝酸鹽氮/(亞硝酸鹽氮+硝酸鹽氮),由表1和表2可見,溶解氧為1、4mg·L-1時,均未出現亞硝酸鹽氮的積累現象,總氮去除率都較低。溶解氧為2、3mg·L-1時上清液的亞硝酸鹽氮得到了積累,相應的總氮去除率也明顯提高。說明溶解氧太低或太高均不利于總氮的去除,亞硝酸鹽氮積累率高,總氮的去除率也高。溶解氧為2、3mg·L-1時的總氮去除率相對溶解氧為1、4mg·L-1時較高,且均有部分亞硝酸鹽氮的積累。這是由于2、3mg·L-1時的曝氣量不能使所有污泥懸浮,有一部分污泥沉于底部,而底部溶解氧濃度較低,抑制著硝化菌的生長,有利于亞硝化菌的生長。因此推斷溶解氧在2、3mg·L-1時,反應器內實現了短程硝化反硝化。蔣燕等在污泥濃度為3000mg·L-1時得出溶解氧為2mg·L-1時有利于實現短程硝化反硝化,總氮去除效果最好。本試驗得出溶解氧為3mg·L-1時的總氮去除效果最好,因為本試驗的污泥濃度為5000mg·L-1,更容易產生微氧環境,因此在3mg·L-1時也有利于實現短程硝化反硝化,提高了總氮的去除效果。2.2+20min/材料不同曝氣/停曝時間下系統對氨氮的去除效果如圖3所示,由圖可見,不同曝氣/停曝時間條件下,出水的氨氮平均濃度均在5mg·L-1以下,出水氨氮的去除率差別不大。不同曝氣/停曝時間下系統對總氮的去除效果如圖4所示。定義曝氣率=曝氣時間/(曝氣時間+停曝時間),可見,曝氣率不同,總氮的去除率差異明顯。總的來說,曝氣率較高時(曝氣/停曝時間分別為5min/1min,20min/4min),相應的上清液和出水總氮去除率較低;曝氣率較低時(曝氣/停曝時間分別為20min/10min,10min/5min,5min/2.5min),總氮去除率較高,尤其以10min/5min時去除率最高。不同曝氣/停曝時間下上清液中各形態氮的平均含量如表3所示。由表可見,停曝時間越短,上清液硝酸鹽氮含量越高,亞硝酸鹽氮含量越低。因為停曝時間短,反應器內溶解氧水平相對較高,有利于硝化菌的生存。當曝氣率較低,停曝時間較長時(20min/10min,10min/5min),形成的污泥絮體不易破碎而體積較大,根據微環境理論,微生物外表面的溶解氧較高,生成的亞硝酸鹽進入絮體內部的缺氧微氧區,快速被反硝化,而沒有被進一步氧化成硝酸鹽。由表3可以看出,上清液中亞硝酸鹽占優勢,總氮的去除效率相對較高。說明通過短程硝化反硝化實現脫氮是可能的。20min/10min時亞硝酸鹽氮的積累率很高,但總氮去除率卻不夠高,此時上清液的亞硝酸鹽氮濃度接近6mg·L-1,明顯高于其他幾種曝氣/停曝時間下的亞硝酸鹽氮濃度,推斷該條件下亞硝酸鹽氮(也是中間產物)濃度超過了抑制濃度,造成了反硝化過程中間產物的積累,影響了總氮的去除。2.3膜污染速率隨時間的變化不同溶解氧條件下的平均膜污染速率如圖5所示。溶解氧為1mg·L-1時,曝氣強度太小,不能有效沖刷膜表面的污泥,膜污染速率最高。隨著溶解氧增至2～3mg·L-1,膜污染速率減小,這是因為隨著曝氣強度的增大,氣泡對膜表面污染物的擾動作用增強,有效緩解了膜污染狀況。但是溶解氧增至4mg·L-1時膜污染速率略有增大,這可能是因為曝氣量過大使污泥絮體破碎,細小的污泥顆粒黏附在膜表面加劇了膜污染。可見溶解氧為3mg·L-1時,系統的脫氮效率最高,膜污染速率也最低,是較優的運行條件。不同曝氣/停曝時間下的平均膜污染速率如圖6所示。曝氣/停曝時間為20min/10min時膜污染速率最大,5min/1min時膜污染速率最小。曝氣率相同時,停曝的時間越長,膜污染速率越大;曝氣時間相同時,曝氣率越高,膜污染速率越小。10min/5min的脫氮效果最好,但膜污染速率不是最低的,5min/1min的膜污染速率最低,但脫氮效果卻最差,綜合考慮脫氮效果與膜污染情況,10min/5min和5min/2.5min是較優的運行條件。3不同濃度傳統模式下亞硝酸鹽脫除率(1)采用曝氣5min反洗1min的運行模式,溫度控制在30℃,溶解氧為2、3mg·L-1時上清液亞硝酸鹽均得到了富集,且總氮的去除率有所提高,說明通過富集亞硝化菌來實現短程硝化反硝化脫氮是可能的。且總氮去除率最高時膜污染速率也最低。但通過改變溶解氧濃度來提高總氮的去除率效果不明顯,最高的總氮去除率僅為40%左右。(2)維持溶解氧在2mg·L-1左右,改變曝氣/停曝