吴 鹏,陆爽君,徐乐中,刘 捷,沈耀良,3*（.苏州科技学院环境科学与工程学院,江苏 苏州25009；2.苏州科技学院江苏省水处理技术与材料协同创新中心,江苏 苏州 25009；3.苏州科技学院江苏省环境科学与工程重点实验室,江苏 苏州 25009）

ABR耦合间歇曝气MBR工艺处理生活污水研究

吴 鹏1,2,陆爽君1,徐乐中1,2,刘 捷1,沈耀良1,2,3*（1.苏州科技学院环境科学与工程学院,江苏 苏州215009；2.苏州科技学院江苏省水处理技术与材料协同创新中心,江苏 苏州 215009；3.苏州科技学院江苏省环境科学与工程重点实验室,江苏 苏州 215009）

为降低膜生物反应器（MBR）运行能耗和延缓膜污染,以厌氧折流板反应器（ABR）-MBR工艺处理生活污水为例,采用间歇曝气和添加颗粒填料两种方式对工艺脱氮除磷运行条件和膜污染问题进行研究.结果表明,增大间歇曝气时间有利于提高氮磷的去除效果,对 COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别为91%、95%、84%和92%（工况4）,而添加颗粒填料对氮磷的去除没有显著影响.双重好氧-缺氧交替环境强化了工艺对磷的去除.添加颗粒填料比间歇曝气更能有效延缓膜污染,同时改变了膜污染的形成过程,膜内部污染物含量显著增多,与泥饼层相比,多糖成为了膜污染的主要因素,不会对膜组件本身构成危害,增强了MBR反应器的实际应用性能.

厌氧折流板反应器；膜生物反应器；生活污水；脱氮除磷；间歇曝气；颗粒填料

本课题组结合厌氧折流板反应器（ABR）反应器能有效去除有机污染物和悬浮物、能耗低［1］与膜生物反应器（MBR）反应器出水水质好、占地面积小、实现了水力停留时间（HRT）和污泥龄（SRT）的完全分离等优点［2］,将 ABR反应器和MBR反应器进行优化组合用于废水的脱氮除磷,并获得了较好的处理效果［3-4］,但存在能耗较高和膜污染较严重的问题,这也是影响 MBR反应器广泛应用的两大重要因素［5-6］.为降低能耗,近年来许多研究者采用间歇曝气的方式对MBR反应器的除污效能进行研究［7-10］.间歇曝气可以使MBR反应器在好氧和厌氧环境下交替运行,提高反硝化脱氮效率.然而许多研究者直接对MBR反应器进行间歇曝气,虽然获得了较好的去污效果,却会加剧膜污染的形成［8-10］.

为此,本试验在前期研究基础上,构建4隔室ABR反应器,将ABR第4隔室改造为膜池,第3隔室改造为好氧池并进行间歇曝气,以避免对MBR反应器直接进行间歇曝气而加剧膜污染. 在MBR反应器内添加颗粒填料能增加其与膜表面的摩擦作用,有利于缓减膜污染［11-12］.故本试验研究了间歇曝气对ABR-MBR一体化工艺处理生活污水脱氮除磷效能的影响.另外,在 MBR反应器内添加颗粒填料,研究颗粒填料对膜污染及膜表面污染物成分的影响,以期为缓减膜污染和提高MBR反应器的实际应用性能提供借鉴.

1　材料和方法

1.1试验水质

工艺进水为某高校生活污水,其水质为COD （394±138） mg/L,NH4+-N （32±16） mg/L,TN （46± 21） mg/L,TP （5±4） mg/L.

1.2接种污泥与颗粒填料

接种污泥取自苏州市某城市污水处理厂重力浓缩池.污泥静置1周后,加入适量葡萄糖,再静置2d,然后均匀移入ABR各隔室,总接种泥量约为各隔室有效体积的 3/5.用生活污水填满各隔室,闲置1d后开始连续进水.启动时,ABR反应器各隔室MLSS约为28g/L.将取自苏州某污水处理厂氧化沟的活性污泥注入好氧池,投入量占好氧池有效体积的1/2,MLSS 约为7.5g/L.

颗粒填料购于某公司,呈球形,粒径为 4.0～4.4mm,相对密度 1.01～1.04,材质主体为聚乙二醇含水凝胶载体（改性聚氨酯凝胶占16%、水占84%）.其在好氧池投加的体积占好氧池体积的5%.

1.3ABR-MBR一体化工艺

图1　试验装置示意Fig.4　Schematic diagram of experimental reactor

本试验所采用的装置由4隔室ABR反应器改造而成,ABR第1、2隔室为厌氧池,第3隔室为间歇曝气好氧缺氧交替池,第4隔室为膜池,每个隔室的有效容积均为2.9L.为及时和定性观察反应器内的运行情况,反应器均由透明有机玻璃加工制作.试验装置如图1所示.

表1　实验运行条件Table 1　Operation mode of the process

好氧池底部布设穿孔曝气管,曝气量可由空气流量计调节.通过调节曝气量,在膜池实现硝化和好氧吸磷.将MBR池泥水混合液回流至ABR 第1隔室,在ABR内实现反硝化和厌氧释磷,最终通过膜池排泥来实现磷的去除.MBR由自吸泵间歇抽吸出水,抽吸周期为12min（包括10min抽吸和 2min反冲洗）.整个系统采用可编程逻辑控制器（PLC）进行恒定水位、出水泵和反冲洗泵的启闭的自动控制.通过在线监测仪实时监控ABR和好氧池的 DO、pH值.试验选用的膜组件为PVDF帘式中空纤维微滤膜,膜孔径为 0.1μm,过滤面积为 0.1m2,采用真空压力表监测跨膜压差（TMP）变化,观察膜的污染状况,当 TMP增至40kPa时对膜组件进行化学清洗.

工艺运行条件如表1所示,每个工况至少稳定运行2个月.

1.4膜污染物的提取和监测方法

对每个工况膜清洗时,进行膜污染物的提取.在膜污染物提取前,先采用自来水清洗去除膜表面的泥饼层.然后将剪取的污染膜浸泡于30,℃pH 12的氢氧化钠溶液24h,提取膜污染物［13-14］.

本试验COD、NH4+-N、TN、TP、MLSS、MLVSS等均采用国家标准方法进行测定［15］. TOC采用Analytikjena 3100C型TOC分析仪测定.并测定膜表面的多糖［16］和蛋白质［17］.

2　结果与讨论

2.1不同工况脱氮除磷效果

表2　工艺进出水水质Table 1　Characteristics of the influent and effluent

根据工艺运行效果需对工艺运行条件进行优化,在不同工况条件下,ABR3号隔室停止曝气末期工艺脱氮除磷效果如表2所示.可知整个过程中,工艺对 COD 的去除效果很好,出水 COD平均浓度低于 41mg/L,平均去除率高于 90%.工况 1ABR3号隔室一直曝气,溶解氧浓度维持在3mg/L左右,硝化能力强,出水NH4+-N平均浓度仅为0.2mg/L；而NO3--N浓度则高达11.3mg/L,TN浓度为16.7mg/L,其去除率达71%；平均出水TP浓度为1.5mg/L,去除率达70%.工况2开始对ABR3号隔室进行间歇曝气,不过由于间歇曝气周期较短（5min）,工艺对强化脱氮的效果不明显,出水 TN浓度相比工况 1减少了1.2mg/L,TN去除率反而降低了6%,这与进水TN浓度相比工况1低有关.为此,在工况3增大间歇曝气周期至 15min,出水 TN进一步减少至12.1mg/L,TN 去除率增加到 78%；其中出水NO3--N浓度从工况 1条件的 11.3mg/L降至8.6mg/L,这与加大间歇曝气周期,ABR3号隔室在好氧-缺氧之间不断交替转变,强化了反硝化效果有关；出水TP浓度进一步降低,其去除率也显著增大,这与ABR3号隔室强化了TN的去除,减弱了厌氧池反硝化脱氮的压力,从而有利于厌氧释磷的发生有关.另外,ABR3号隔室由好氧向缺氧不断交替转变有利于聚磷菌的生长富集［18］,同时增强了聚磷菌厌氧释磷和好氧吸磷的能力,有利于TP的去除［19］.在工况4进一步增大间歇曝气周期至 30min,出水 TN 进一步降低至8.3mg/L,TN去除率达84%；NO3--N浓度亦显著降低至4.1mg/L,说明工况4增大间歇曝气周期至30min强化了ABR3号隔室的反硝化作用；不过出水NH4+-N浓度也有所增大；出水TP浓度进一步降低至 0.4mg/L,其去除率高达 92%,主要与ABR3号隔室进一步强化了反硝化脱氮效果,进一步减弱了厌氧池反硝化对厌氧释磷的影响,使得聚磷菌能够充分释磷,从而强化了后续的好氧吸磷能力［20］.在工况5MBR反应器内添加了颗粒填料,TN和TP去除率变化不大,说明添加颗粒填料对工艺脱氮除磷效能没有显著影响.

2.2工艺脱氮除磷机理

在工况5条件下,对工艺各隔室的水质指标进行了检测,以分析工艺的脱氮除磷机理,结果如表3所示.

表3　工艺各隔室水质（mg/L）Table 1　Characteristics of every compartment （mg/L）

由表3可知,ABR1号隔室各指标与进水相比均明显降低,这与泥水混合液回流至ABR1号隔室的稀释作用有关.而ABR2号隔室中NH4+-N略高于ABR1号隔室,这与厌氧条件下,有机含氮污染物通过厌氧微生物作用,转化为氨有关.2个阶段中,ABR1号隔室和2号隔室除NO3--N外,其他指标变化不大,表明ABR3号隔室间歇曝气对ABR1号隔室和2号隔室各指标变化影响不大.ABR2号隔室NO3--N为0,表明NO3--N被反硝化去除.ABR3号隔室 NO3--N浓度从曝气30min后的10.6mg/L降至停止曝气30min后的浓度为 0,表明间歇曝气强化了反硝化脱氮效果,减弱了ABR1号隔室反硝化脱氮的压力.所以,停止曝气 30min后 ABR1号隔室 NO3--N浓度（2.4mg/L）显著低于曝气30min后的NO3--N浓度（5.5mg/L）；而ABR1号隔室TP浓度（3.1mg/L）明显高于曝气30min后的TP浓度（2.1mg/L）,表明停止曝气30min后强化了反硝化脱氮作用,减弱了ABR1号隔室反硝化脱氮的压力,ABR1号隔室完成了反硝化脱氮过程,同时产生了部分厌氧释磷,在 ABR2号隔室实现了充分的厌氧释磷（6.5mg/L）.曝气30min后,ABR3号隔室TP浓度由6.1mg/L骤降至1.5mg/L,表明ABR3号隔室内聚磷菌能够有效好氧吸磷；而当停止曝气 30min 后,ABR3号隔室 TP浓度由 1.5mg/L上升至4.1mg/L,表明ABR3号隔室内聚磷菌亦能够有效厌氧释磷.最终,曝气30min后和停止曝气30min后的出水TP浓度都为0.5mg/L,表明出水TP浓度不受间歇曝气的影响,这得益于泥水回流保证了聚磷菌在好氧和厌氧交替条件下运行,而间歇曝气使得聚磷菌继续在 ABR3号隔室厌氧和缺氧交替环境下运行,表明聚磷菌在双重厌氧好氧交替环境下运行是强化 TP去除效果的保障.停止曝气30min后出水NH4+-N浓度（2.2mg/L）和NO2--N浓度（0.7mg/L）分别略高于曝气30min后NH4+-N浓度（0.2mg/L）和NO2--N浓度（0.1mg/L）, 而NO3--N浓度（3.7mg/L）显著低于曝气30min后NO3--N浓度（8.8mg/L）,最终使得停止曝气30min后出水 TN浓度（8.6mg/L）明显低于曝气 30min后的出水TN浓度（11.6mg/L）,表明出水TN浓度会受间歇曝气的影响.

图2　一个间歇曝气周期出水TN和TP浓度Fig.4　Effluent concentrations of TN and TP in an intermittent aeration cycle

一个间歇曝气周期出水TN和TP浓度变化情况如图2所示.由图可知,出水TN浓度会随曝气时间和停止曝气的时间略有变化.同样表明在曝气时间为30分钟内,出水TN浓度随曝气时间的增加而略有升高,出水TP浓度比较稳定；而在停止曝气30分钟内,出水TN随停止曝气时间的增加而略有降低,出水 TP浓度仍比较稳定.可知间歇曝气会影响出水 TN浓度而不会影响出水TP浓度,曝气间歇时间并不是越长越好.

2.3不同工况TMP的变化情况

不同工况条件下TMP变化情况如图3所示,化学药洗基本能保证TMP恢复至初始值（15kPa）.工况1和2化学清洗后,膜组件基本能够正常稳定运行28d.而工况3化学清洗后,膜组件基本能够正常稳定运行30d.工况4化学清洗后,膜组件则基本能够正常稳定运行33天.表明间歇曝气能够延缓膜污染的形成.工况5膜组件化学清洗后运行9d,TMP上升至23kPa,随即向工艺内添加了颗粒填料,TMP大幅降低至18kPa,此后TMP缓慢上升,膜组件能正常稳定运行 45d,显著提高了膜组件的清洗周期,从而可有效减少膜清洗频率,降低膜清洗的成本,极大的增强了 MBR反应器的实际应用性能.

图3　不同运行工况跨膜压差的变化Fig.4　Change of TMP during different operation

2.4膜表面污染物成分分析

在工艺内添加颗粒填料后,膜表面泥饼层很难形成,这与在曝气作用下颗粒填料形成流化状态对膜表面的冲刷、撞击作用促成膜表面污泥颗粒反向扩散及沉积层脱落有关［21］,有利于缓解膜污染.为了说明膜污染的成因,对经物理清洗仍粘附在膜表面的污染物成分进行了分析.

由表4可知,随间歇曝气周期增大,多糖含量逐渐减少,而蛋白质含量基本保持不变,同时物理清洗后TMP逐渐减小,表明多糖是引起膜污染的重要因素［22-23］.另外,污染膜经物理清洗后,TMP从 40kPa显著减小（22～24kPa）,表明泥饼层是膜污染的最重要因素.工况5添加了颗粒填料后膜表面污染物的成分发生了更明显变化,单位膜表面积的膜污染物显著增多,其中多糖含量显著增加,而蛋白质明显减少,物理清洗后 TMP显著增大,同样表明多糖是引起膜污染的重要因素.另外,添加颗粒填料后,污染膜经物理清洗后,TMP从40kPa减小至30kPa）,降幅显著减小,表明添加颗粒填料后,多糖是膜污染的主要因素,而泥饼层为次要因素.说明影响膜污染的因素并不是一成不变的.不过经化学清洗后,TMP仍能恢复至初始值,说明添加颗粒填料不影响膜通量的恢复,不影响膜组件的继续使用性能.

表4　膜表面污染物的成分Table 1　Amounts of organic components of the membrane foulants

3　结论

3.1构建了 ABR-MBR一体化工艺,增大间歇曝气时间有利于提高氮磷的去除效果,对COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别为91%、95%、84%和92%,而添加颗粒填料对氮磷的去除没有显著影响.

3.2双重好氧-缺氧交替环境强化了工艺对磷的去除.曝气周期为30min时,曝气时间和停止曝气的时间会影响出水 TN浓度而不会影响出水TP浓度.

3.3添加颗粒填料比间歇曝气更能有效延缓膜污染,同时不会对膜组件本身构成危害,增强了MBR反应器的实际应用性能.添加颗粒填料改变了膜污染的形成过程,膜内部污染物含量显著增多,与泥饼层相比,多糖成为了膜污染的主要因素.

［1］ 沈耀良,王宝贞.废水生物处理新技术 ［M］. 2版.北京：中国环境科学出版社, 2006.

［2］ 黄 菲,梅晓洁,王志伟,等.冬季低温下MBR与CAS工艺运行及微生物群落特征 ［J］. 环境科学, 2014,35（3）：1002-1008.

［3］ 吴 鹏,刘 捷,计小明,等.温度对 ABR-MBR复合工艺处理生活污水的影响及微生物群落分析 ［J］. 环境科学, 2014,35（9）：229-235.

［4］ Wu P, Ji X M, Song X K, et al. Nutrient removal performance and microbial community analysis of a combined ABR-MBR （CAMBR） process ［J］. Chemical Engineering Journal, 2013,232：273-279.

［5］ Gao W J, Han M N, Qu X, et al. Characteristics of wastewater and mixed liquor and their role in membrane fouling ［J］. Bioresource Technology, 2013,128,207-214.

［6］ Meng F, Chae S, Drews A, et al. Recent advances in membrane bioreactors （MBRs）： Membrane fouling and membrane material ［J］. Water Research, 2009,43,1489-1512.

［7］ Capodici M, Di Bella G, Di Trapani D, et al. Pilot scale experiment with MBR operated in intermittent aeration condition：Analysis of biological performance ［J］. Bioresource Technology, 2015,177：398-405.

［8］ Wu J, He C. Effect of cyclic aeration on fouling in submerged membrane bioreactor for wastewater treatment ［J］. Water Research, 2012,46,3507-3515.

［9］ Wang Y, Yu S, Shi W, et al. Comparative performance between intermittently cyclic activated sludge-membrane bioreactor and anoxic/aerobic-membrane bioreactor ［J］. Bioresource Technology, 2009,100,3877-3881.

［10］ Kim Hong S, Seo In S, Kim Youn K, et al. Fullscale study on dynamic state membrane bio-reactor with modified intermittent aeration ［J］. Desalination, 2007,202,99-105.

［11］ Jin L, Ong S L, Ng H Y. Fouling control mechanism by suspended biofilm carriers addition in submerged ceramic membrane bioreactors ［J］. Journal of Membrane Science, 2013, 427：250-258.

［12］ Siembida B, Cornel P, Krause S, et al. Effect of mechanical cleaning with granular material on the permeability of submerged membrane in the MBR process ［J］. Water Research, 2010,44（14）：4037-4046.

［13］ Lee H, Amy G, Cho J, et al. Cleaning strategies for flux recovery of an ultrafiltration membrane fouled by natural organic matter ［J］. Water Research, 2001,35（14）：3301-3308.

［14］ Hong S, Aryal R, Vigneswaran S, et al. Influence of hydraulic retention time on the nature of foulant organics in a high rate membrane bioreactor ［J］. Desalination, 2012,287：116-122.

［15］ 国家环保局.水和废水监测分析方法 ［M］. 4版.北京：中国环境科学出版社, 2002.

［16］ Hong Liu, Herbert H P Fang. Extraction of extracellular polymeric substances （EPS） of Sludges ［J］. Journal of Biotechnology, 2002,95（3）：249-256.

［17］ Frølund B, Palmgren R, et al. Extraction of extracellular polymers from activated sludge using a cation exchange resin ［J］. Water Research, 1996,30（8）：1749-1758.

［18］ 周明璟,纪树兰,崔丹红,等.厌氧/好氧交替快速筛选聚磷菌及其生理特性的研究 ［J］. 中国环境科学, 2012,32（10）：1838-1844.

［19］ 吴昌永,周岳溪.厌氧/好氧运行方式对颗粒污泥形成的影响 ［J］.中国环境科学, 2013,33（7）：1237-1243.

［20］ 何 理,高大文.基于反硝化聚磷菌的颗粒污泥的培养 ［J］. 中国环境科学, 2014,34（2）：383-389.

［21］ 赵丽娜,舒 波,青 鹏,等.投加颗粒填料对减缓MBR膜污染的影响研究 ［J］. 水处理技术, 2011,37（7）： 52-56.

［22］ Zhou J, Yang F L, Meng F G, et al. Comparison of membrane fouling during short-term filtration of aerobic granular sludge and activated sludge ［J］. Journal of Environmental Science, 2007, 19（11）：1281-1286.

［23］ Kimura K, Yamato N, Yamamura H, et al. Membrane fouling in pilotscale membrane bioreactors （MBRs） treating municipal wastewater ［J］. Environmental Science Technology, 2005,39（16）：6293-6299.

Nutrient removal from domestic sewage with coupled process of ABR and intermittent aeration MBR.

WU Peng1,2, LU Shuang-jun1, XU Yue-zhong1,2, LIU Jie1, SHEN Yao-liang1,2,3*（1.School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China；2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Technology and Material of Water Treatment, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China；3.Jiangsu Key Laboratory of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China）.

China Environmental Science, 2015,35（9）：2658～2663

In order to reduce energy consumption and delay the process of membrane fouling, the process of anaerobic baffled reactor （ABR） -membrane bioreactor （MBR） was used to treat domestic sewage. The conditions of nitrogen and phosphorus removal and membrane fouling were optimized through intermittent aeration and particulate media in this study. The results show that the efficiencies of nitrogen and phosphorus removal were improved by increasing the intermittent aeration time. As mean while, the process achieved a high level of COD, NH4+-N, TN and TP removal, with the average removal efficiencies of 91%, 95%, 84% and 92% （run 4）, respectively. And the added particulate media would not significantly affect the efficiencies of nitrogen and phosphorus removal. The double aerobic-anoxic alternating environment strengthened phosphorus removal of the process. In addition, the added particulate media could more effectively delay membrane fouling than intermittent aeration, while the formation process of membrane fouling was changed. The extracted amount of membrane fouling material significantly increased. Compared with cake layer, carbohydrate became the main factors of membrane fouling. However, it would not pose a hazard to membrane. Finally, the potential was enhanced for the practical application of MBR.

anaerobic baffled reactor；membrane bioreactor；domestic sewage；nutrient removal；intermittent aeration；particulate media

X703.1

A

1000-6923（2015）09-2658-06

2015-01-25

江苏省高校自然科学研究重大项目（12KJA610002）；苏州市环保科技项目（B20130502）；江苏高校优势学科建设工程项目；环境工程江苏省重点专业类项目

*责任作者, 教授, ylshen@mail.usts.edu.cn

吴 鹏（1985-）,男,浙江金华人,讲师,博士,主要研究方向为废水生物处理.发表论文15篇.