第 4 期张捍民等 :A 2 O-MBR 工艺反硝化脱氮除磷研究 491 d; 阶段 Ⅱ 提高好氧段曝气量, 运行 20d. 图 2 试验运行方式 1 高位水箱 ;2 平衡水箱 ;3 Y- 型过滤器 ;4 时间继电器 ;5 恒温加热棒 ;6 电磁阀 ;7 蠕动泵 ( 导流 );8 膜生物反应器 ;

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穷借喻
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1 大连理工大学学报 J ou rna lo fda l anun v e r s t fte chno l o yo g y 第48卷第4期 2008 年 7 月 Vo l. 48, No. 4 Ju l y200 8 文章编号: ( 2008) A2O-MBR 工艺反硝化脱氮除磷研究张捍民*, 张杰, 肖景霓, 杨凤林 (大连理工大学环境与生命学院,辽宁大连 ) 摘要:以自行设计的双反应器 A2O-MBR 为研究对象,对模拟生活废水的脱氮除磷进行了研究.结果表明:当 N P 负荷为和 0. 03kg m-3 d-1 时, COD N P去除率分别为 90. 5% 80. 6% 和 67. 7% ;系统不必外投硝酸盐即可实现反硝化除磷,具有很强的反硝化脱氮除磷能力,反硝化聚磷菌( DPAOs)占总聚磷菌 ( PAO)的比例和反硝化除磷量占总除磷量的比率分别达 % 和 % ;污泥回流中硝酸盐量超过一定范围会发生对厌氧释磷的抑制,本系统中当进水ρ( COD) ρ( TP)为 30 1 时,进水 COD 与回流污泥硝酸盐的比例应高于30 1.采用间歇抽吸出水有助于延缓膜污染,膜出水不受污泥沉降性的影响. 关键词:膜生物反应器;反硝化除磷;脱氮除磷;膜污染中图分类号:X703 0 引文献标志码:A 言膜生物反应器(MBR)作为一种新型高效的污水处理与回用技术,受到国内外学者的广泛关要考察 A2O-MBR 对污染物去除性能污泥性质及膜污染情况,以期为膜生物反应器在脱氮除磷的实际应用中提供理论依据. 注 [1].目前 MBR 脱氮除磷技术还不完善,而以反 1 的应用范围.与常规反硝化除磷工艺相比,将反硝 1. 1 试验装置有一般 MBR 的优点以外,简短的工艺流程即可物反应池( A\O 池)串联组成, A\O 池为缺氧段和肖景霓等 [2]在进行序批式 MBR( SBMBR)同所示,反应器材质为有机玻璃.高位水箱有效容积硝化除磷技术强化同步脱氮除磷必将拓展 MBR 化除磷技术与 MBR 技术相结合的工艺,除了具实现同时高效去除氮磷及有机物. 步脱氮除磷的研究中发现, SBMBR 可以有效地富集反硝化聚磷菌,具有较强的反硝化除磷能力, 不仅节省 COD 耗量和曝气能耗,而且能延缓膜污染,但其缺氧环境是由厌氧末外加硝酸盐实现的,因而操作复杂,工程上难以应用.更为重要的是,好氧末积累过多的硝酸盐直接进入厌氧段,导致反硝化菌与除磷菌对有机碳源的竞争. 试验设置双反应器的 A2O-MBR,即厌氧段试验装置及方法试验装置由厌氧反应器 ( A 池)和 A\O 膜生好氧段交替循环.试验装置及运行方式如图 m3,平衡水箱有效容积 m3,用于利用浮球阀控制 A 池水位.反应器中设搅拌器,以保证活性污泥在非曝气阶段处于悬浮状态,泥水混合均匀. A 池在厌氧段的前 10 m n 内完成进水;同时 A\O 池为缺氧段,之后进入好氧段,由鼓风机曝气,蠕动泵抽吸经膜组件出水,出水流量恒定. 在 A 池厌氧末和 A\O 池好氧末由蠕动泵 10 m n 内完成污泥的转移(包括 A A\O 的污泥导流比单独设置反应器,MBR 中缺氧\好氧交替,使好氧 ( RA )和 A\O A 的污泥回流比 ( R)),之后 A 池简化操作;此外,采用膜出水代替重力固液分离, 环.电磁阀搅拌器鼓风机和蠕动泵由时间继电产生的硝酸盐作为缺氧吸磷的电子受体,进一步具有占地面积小出水安全可靠的优点.本文主 [ 3] 进水, A\O 池进入缺氧阶段,开始下一周期的循器控制,周期性工作,恒温器控制反应器恒温收稿日期: ; 修回日期: 作者简介:张捍民 * ( ),女,博士,副教授,博士生导师, E-ma l: zhhanm n@126. c om

2 第 4 期张捍民等 :A 2 O-MBR 工艺反硝化脱氮除磷研究 491 d; 阶段 Ⅱ 提高好氧段曝气量, 运行 20d. 图 2 试验运行方式 1 高位水箱 ;2 平衡水箱 ;3 Y- 型过滤器 ;4 时间继电器 ;5 恒温加热棒 ;6 电磁阀 ;7 蠕动泵 ( 导流 );8 膜生物反应器 ;9 搅拌器 ;10 膜组件 ;11 真空表 ;12 出水蠕动泵 ;13 转子流量计 ;14 曝气泵 ;15 蠕动泵 ( 回流 ) 图 1 试验装置流程图 Fg.1 Schematcdagramofexpermentalprocess (25±1). 试验采用外压型聚乙烯中空纤维超滤膜, 膜面积 0.15m 2, 膜孔径 0.1μm. 试验分为两个阶段, 阶段 Ⅰ 采取提高进水氨氮负荷,37d 以后稳定在 0.14kg m -3 d -1 左右, 共运行 60 表 1 Fg.2 Therunnngmodeofexperment 1.2 接种污泥及试验水质活性污泥取自大连市春柳河污水处理厂回流污泥池, 其 MLVSS/MLSS 为试验原水为模拟生活污水, 由蔗糖氯化铵磷酸二氢钾磷酸氢二钾及少量 MgSO4 7H2O CaCl2 2H2O FeSO4 2H2O 氯化钠配制而成.ρ ( COD)=280 ~400mg/L; ρ (NH + 4-N)=27~50mg/L; ρ (TP) =8~10 mg/l; ρ (NO - 2-N)=0.002 mg/l; ρ ( NO - 3-N)=0.05 mg/l. 操作参数见表 1.A\O- MBR 池污泥龄由手动排泥控制. 操作参数 Tab.1 Operatonparameters 反应器有效容积 /L 水力停留时间 /h 污泥龄 /d 温度 / 膜通量 /(L h -1 ) R 1) A R A 2 O-MBR ± A 池 ± A\O-MBR 池 ± 注 :1)RA 为导流量与反应器有效容积之比 1.3 分析方法采用标准方法分析膜出水及各阶段末上清液的 COD NH 4-N + NO 3-N - [4] TP 等, 其中膜出水收集在烧杯中, 混合水样为其出水水样, 各阶段末上清液为泥水混合液经 0.45μm 膜的过滤液. 溶解氧测定使用 YSIModel55 溶解氧仪. mg/l 2.11 mg/l. 在 Ⅱ 阶段, 好氧段曝气量由 0.15m 3 /h 提高至 0.2 m 3 /h, 相应的溶解氧浓度由 3.22mg/L 升至 5.41mg/L, 氨氮平均去除率达 89.8%, 此时出水 NH 4-N + 和 NO 3-N - 平均浓度分别为 4.47mg/L 和 5.62mg/L. 2 结果与讨论 2.1 氨氮的去除如图 3 所示, 系统对氨氮具有良好的去除效果. 在 Ⅰ 阶段, 进水氨氮负荷由 0.08kg m -3 d -1 提高至 0.14kg m -3 d -1, 初期系统活性污泥对高氨氮负荷的冲击不适应, 因而出水氨氮去除率会出现小幅下降趋势 ; 当运行至 37d 系统进入稳定阶段, 氨氮平均去除率为 76.88%, 出水 NH 4-N + 和 NO 3-N - 平均浓度分别为图 3 氨氮的去除效果及出水硝酸盐含量的变化 Fg.3 The NH 4-N + removalperformanceand efluentntratecontentofthesystem

3 492 大连理工大学学报第 48 卷虽然采用间歇曝气的方式来实现硝化作用, 但是一方面由于膜的截流作用, 另一方面污水首先进入厌氧反应器, 有机物被聚磷菌转化为 PHB, 避免了高有机负荷对硝化菌生长的抑制作用, 有利于硝化菌的生长. 2.2 总磷的变化反硝化吸磷是以硝酸盐氮作为电子受体, 所以, 进水氨氮负荷变化对除磷有重要的影响. 图 4 和 5 反映了各阶段总磷及硝酸盐量的变化情况, 试验初期就观察到明显的反硝化吸磷现象, 有 1.95 mg/l 磷被吸收同时消耗 NO - 3-N 2.34 mg/l, 此时好氧吸磷量为 5.92 mg/l, 反硝化吸磷比率较低. 阶段 Ⅰ 随着进水氨氮负荷的提高, 好氧硝酸盐产生量的增加为缺氧吸磷提供了充足的电子受体, 而好氧末硝酸盐没有大量的积累, 维持在 3.0mg/L 左右, 污泥回流硝酸盐对厌氧释磷影响较小, 缺氧吸磷量逐渐升高, 而好氧吸磷量逐渐降低, 好氧吸磷所占比例下降. 试验 45d 后系统进入稳定阶段, 厌氧末释放的 TP 平均浓度升至 mg/l, 平均缺氧吸磷量达 6.45 mg/l, 同时有 4.40 mg/l NO - 3-N 反硝化去除, 而平均好氧吸磷量仅为 2.79 mg/l, 膜出水 TP 平均浓度为 3.02mg/L. 反硝化吸磷量占总吸磷量的比率和系统 TP 去除率分别为 69.81% 和 66.70%. 特别地, 试验 42d 时 A 池搅拌器出现故障, 活性污泥厌氧释磷不完全进入缺氧段的同时也携带一定的 COD, 导致单纯的反硝化脱氮的发生, 缺氧吸磷量较低. 这一现象支持 NO - 3-N 和 COD 同时存在会优先进行反硝化而对聚磷菌有抑制作用的 [5] 观点. 图 4 A 池总磷及硝酸盐的变化 Fg.4 ThechangeofTPandNO - 3 nreactora 图 5 A\O 池总磷及硝酸盐的变化 Fg.5 ThechangeofTPandNO - 3 nreactora\o 进入阶段 Ⅱ 后可以发现缺氧及好氧吸磷量均逐渐降低, 而好氧末回流污泥中的硝酸盐浓度逐渐升高. 值得注意的是, 试验 67d 时厌氧释磷受到明显的抑制, 仅为 mg/l, 此时回流污泥中的硝酸盐浓度已达 10.13mg/L, 导致厌氧初期硝酸盐为 2.68 mg/l. 这表明过多的硝酸盐回流到厌氧区, 大部分有机物优先用于反硝化脱氮反 [6] 应, 厌氧释磷的不完全导致吸磷能力的降低. 为保证系统稳定的脱氮除磷能力, 进水 COD 与回流污泥中硝酸盐的比例应高于反硝化除磷特性分析释磷试验采用具体的批式试验对系统活性污泥反硝化除磷特性做深入的研究. 试验 57 d 时污泥释磷试验结果如图 6 所示, 前 30 mn 的比释磷速率 (Rspr,30)( 测定方法见文献 [7]) 为 29.05mg (g h) -1. 该数值高于在 SBMBR 研 [2] 究中报道的 25.84mg (g h) -1, 表明污泥具有良好的释磷能力. 而此时好氧末回流污泥中的硝酸盐浓度仅为 4.32 mg/l, 由此推断, 与 SBMBR 相比将厌氧区单独设置减少了有机碳源用于回流硝酸盐反硝化反应的消耗, 降低了硝酸盐氮对厌氧释磷所起的消极作用吸磷速率及 DPAOs 比例在吸磷试验中, 按照 DPAOs 在缺氧及好氧条件下具有相同的吸磷速率的假设 [7], 根据公式 RDPAOs=qan/qae 计算本试验污泥中 DPAOs 占总 PAO 的比例. 式中 RDPAOs 为 DPAOs 占 PAO 的比例 ;qan 为缺氧吸磷速率,mg (g h) -1 ;qae 为好氧吸磷速率, mg (g h) -1. 如图 7 所示, 可以得到污泥在试验运行 57d 的缺氧好氧条件下的吸磷速率分别

4 第 4 期张捍民等 :A 2 O-MBR 工艺反硝化脱氮除磷研究 493 为 6.29mg (g h) -1 和 8.99 mg (g h) -1, DPAOs 占总 PAO 比例达到 70.00%, 是接种污泥比例的 5 倍, 由此表明, 随着进水氨氮负荷的提高硝化能力逐渐增强, 提供了充足的电子受体促使 DPAOs 比例的上升. COD 至厌氧末基本消耗完毕, 去除率达 89.2%, 保证了微生物体内合成充足的 PHB, 由污泥泵导流进入缺氧段, 此时总磷浓度稀释下降至 mg/l, 由于上一周期好氧硝化硝酸盐量达 8.64 mg/l, 同步完成脱氮除磷, 经缺氧 60 mn 后, 体系中总磷浓度降为 4.33 mg/l, 反硝化除磷率为 61.02%, 同时硝酸盐氮浓度低于 1mg/L, 脱氮率达 88.4% 以上. 随后进入好氧阶段, 好氧末总磷浓度仅为 0.09 mg/l, 系统除磷率达到 99.2%. 氨氮主要在好氧段去除, 好氧末出水氨氮浓度仅为 0.1 mg/l, 系统氨氮去除率为 99.78%, 表明好氧硝化能力得到强化, 保证了缺氧除磷电子受体的充足. 图 6 试验运行 57d 污泥前 30 mn 厌氧比释磷速率 Fg.6 SpecfcP-releaserateofntal30mnon57thday 图 8 试验运行 60d 的周期试验 Fg.8 Perodcexpermenton60thday 图 7 试验运行 57d 污泥前 30mn 缺 \ 好氧吸磷速率比较 Fg.7 ThecomparsonofRspu,30ofanoxcand aerobcphaseon57thday 2.4 周期试验随着好氧段提供硝酸盐产生量的增加,A 2 O- MBR 系统中反硝化聚磷菌与硝化菌群达到相对平衡阶段, 在运行 60d 后, 本文进行了周期试验, 用来测定一个循环周期内出水水质的变化情况. 周期试验始于进水时刻, 缺氧段始于污泥转移后的 A\O 池瞬时取样, 每间隔一定时间取样, 至好氧段结束为止. 由周期试验结果可以看出 ( 见图 8), 进水完成后 A 池总磷浓度迅速上升至 mg/l, 2.5 污泥比好氧速率活性取试验运行 37d 的好氧末污泥经 2h 厌氧释磷后, 分别在不同底物下测定活性污泥的比耗氧速率 (Rsou), 同时取普通好氧污泥做对比试验, 试验结果如表 2 所示. 由表 2 可以看出, 在不同底物条件下, DPAOs 活性污泥的 Rsou 值均高于普通好氧污泥, 表明含 DPAOs 污泥适应这种高氨高磷的环境, 因而表现出很高的活性. 聚磷菌在经 2h 厌氧释磷后, 吸收有机物并以内碳源 PHB 的形式储存于体内, 内源 Rsou 值为 mg (g h) -1, 比普通好氧污泥的 mg (g h) -1 高出 42.1%, 而污泥的内源 Rsou 主要与污泥体内的内 [8] 碳源量有关, 由此推断聚磷菌具有很强的厌氧释磷贮存内碳源的能力, 这与释磷试验得到的结果相一致. 值得注意的是, 在同时投加 NO 3 - 和 TP 时的

5 494 大连理工大学学报第 48 卷 Rsou 值最大 ( mg (g h) -1 ), 且高于只含总磷的 Rsou( mg (g h) -1 ). 除磷菌可能以氧作为电子受体的同时, 也利用底物硝酸盐作为电子受体而吸磷, 因而活性最强. 表 2 DPAOs 污泥和普通好氧污泥的 Rsou 值 Tab.2 TheRsouofDPAOssludgeandcommonactvesludge DPAOs 污泥普通好氧污泥底物 Rsou/(mg (g h) -1 ) Δ/(mg (g h) -1 ) Rsou/(mg (g h) -1 ) Δ/(mg (g h) -1 ) 无 NO NO 3 - +TP TP 注 :1)Δ 为不同底物下 Rsou 值与内源 Rsou 值之差 ; 2) 硝酸盐和总磷浓度分别为 30 和 40mg/L 2.6 膜污染情况试验以蠕动泵抽吸产生真空度实现反应器的出水, 图 9 10 分别表示系统运行过程中 MLVSS/MLSS 和 SVI 变化曲线和膜过滤压差 (ptm) 随时间的变化. 在保证出水流量恒定的条件下, 膜过滤压差将随着膜污染的加剧而增大. 图 9 MLVSS/MLSS 和 SVI 变化曲线 Fg.9 ThechangecurvesofMLVSS/ MLSSandSVI wthtmedurngtheoperatontme 如图 9 10 所示, 试验过程中两反应器的污泥活性 (MLVSS/MLSS) 变化较小, 基本维持在 0.7~0.8, 活性较强,A\O-MBR 反应器平均为 0.77, 厌氧反应器由于长期处于厌氧状态, 微生物生长受到抑制, 其活性略差, 平均为试验初期反应器污泥沉降性良好, 操作压力一直维持在 25kPa 以下 ; 随着运行时间的加长, 至 40d 时, 膜表面滤饼层逐渐形成,ptm 升高至 45 kpa, 经水力清洗后又恢复至 25kPa 左右. 采用间 [9] 歇抽吸出水的运行方式有利于减缓膜污染. 分析其原因是蠕动泵停止抽吸的条件下搅拌机对膜丝扰动作用减缓了滤饼层的形成, 使膜具有较好的过滤性能. 进入 60d 以后,A\O-MBR 反应器污泥沉降性逐渐恶化,SVI 快速升高, 但 ptm 仍保持在 25kPa 左右, 可见适当增大曝气强度, 增大了曝气在膜表面产生的剪切力, 减缓了有机物在膜表面的沉积和污染. 而厌氧反应器污泥的 SVI 值相对在较低范围内 (85~106), 厌氧环境能有效地抑制污泥膨胀的发生. 由于膜的过滤作用, 膜出水水质一直保持澄清. 3 结果讨论与结论图 10 操作压力变化曲线 Fg.10 Thechangecurveofworkngpressure (1) 双反应器 A 2 O-MBR 工艺简化了传统 A 2 O 工艺, 并采用膜过滤取代二沉池出水, 取得了较好的污染物去除效果, 具有很强的反硝化除磷脱氮能力,N P 负荷达到 0.14 和 0.03kg m -3 d -1 时,COD N P 去除率分别为 90.5% 80.6% 和 67.7%. (2)A\O-MBR 反应器中缺氧 \ 好氧环境交替循环, 不需外投硝酸盐即可实现反硝化除磷, DPAOs 占总 PAO 比例达 70.00%, 反硝化除磷

6 第 4 期张捍民等 :A 2 O-MBR 工艺反硝化脱氮除磷研究 495 量占总除磷量的比率为 69.81%. (3) 本工艺存在传统 A 2 O 工艺的固有问题, 即污泥回流含硝酸盐量超过一定范围发生对厌氧释磷的抑制, 进水 COD 与回流污泥中硝酸盐的比例达到 30 1 时, 厌氧释磷能力下降, 影响了系统脱氮除磷功能, 需要进一步改进工艺. 参考文献 : [1] 顾国维, 何义亮. 膜生物反应器在污水处理中的研究和应用 [M]. 北京 : 化学工业出版社,2001 [2] 肖景霓, 张捍民, 代文臣, 等. 序批式膜生物反应器同时脱氮除磷的比较研究 [J]. 环境科学,2006,27(11): [3]ADHAM S,GAGLIARDO P,BOULOS L,etal. Feasblty ofthe membrane boreactor processfor waterreclamaton[j].waterscenceandtechnology, 2001,43(10): [4] 国家环境保护总局水和废水检测分析方法编委会. 水和废水检测分析方法 :4 版 [M]. 北京 : 中国环境科学出版社,2002 [5]KUBA T,VANLOOSDRECHT M C M,HEIJNEN JJ.Phosphorusandntrogenremovalwth mnmal COD requrement by ntegraton of dentrfyng dephosphataton and ntrfcaton n a two-sludge system [J].WaterResearch,1996,30(7): [6] 金兆丰, 许竟成. 城市污水回用技术手册 [M]. 北京 : 化学工业出版社,2004 [7]KERRN-JESPERSEN J P, HENZE M.Bologcal phosphorusuptakeunderanoxcandaerobccondton [J].WaterResearch,1993,27(4): [8]SCHMIDT J E,AHRING B K.Granularsludge formatonnupflowanaerobcsludgeblanketreactors [J].BotechnologyandBoengneerng,1996,49(3): [9]BAE Tae-hyun,HAN Sunḡsoo,TAK Tae-moon. Membranesequencng batchreactorsystem forthe treatmentofdaryndustry wastewater [J].Proces Bochemstry,2003,39(2): StudyofdentrfcatonphosphorusremovalnA 2 O-MBR ZHANG Han-mn *, ZHANG Je, XIAO Jnḡn, YANG Fenḡln (SchoolofEnvronmentalandBologcalScenceandTechnology,DalanUnverstyofTechnology,Dalan116024,Chna) Abstract: Smultaneousntrogenandphosphorusremovalperformancensmulateddalywastewater wasnvestgatedbytakngaself-desgneda 2 O-MBR.Theresultsshowthat:whentheloadsofNand Pare0.14and0.03kg m -3 d -1,theremovalrateofCOD,NandPare90.5%,80.6%and67.7%, respectvely.thelaboratorȳscalesystem canobtangooddentrfyngphosphorousremovalablty wthoutextra ntrateaddton.the proporton ofdentrfyng phosphateaccumulatng organsms (DPAOs)andtherateofdentrfyngphosphorousremovalare70.00% and69.81%,respectvely. Ntrateconcentratonnreturnedsludgeshouldbelmtedtoalow rangetoavodtherestrantof phosphorus-releaseunderanaerobcphase.therateofnfluentcodtontratenreturnedsludge shouldbehgherthan30 1 whenρ ( COD) ρ ( TP)= 30 1nnfluent.Thesequencngbatch operatonmodesproptoustodelay membranefoulng,andthesludgesetlngcapacty makesno nfluenceonthemembraneefluentqualty. Key words: membrane boreactor; dentrfyng phosphorus removal; ntrogen and phosphorus removal;membranefoulng

(2015-2016-2)-0004186-04205-1 140242 信号与系统 Ⅰ 学科基础必修课 37 37 1 教 203 17 周 2016 年 06 月 13 日 (08:00-09:35) (2015-2016-2)-0004186-04205-1 141011

(2015-2016-2)-0004186-04205-1 140242 信号与系统 Ⅰ 学科基础必修课 37 37 1 教 203 17 周 2016 年 06 月 13 日 (08:00-09:35) (2015-2016-2)-0004186-04205-1 141011 关于 2015-2016 学年第二学期期末周内考试时间地点安排选课课号班级名称课程名称课程性质合考人数实际人数考试教室考试段考试时间 (2015-2016-2)-0006178-04247-1 130101 测试技术基础学科基础必修课 35 35 1 教 401 17 周

第 4 期 张捍民等 :A 2 O-MBR 工艺反硝化脱氮除磷研究 491 d; 阶段 Ⅱ 提高好氧段曝气量, 运行 20d. 图 2 试验运行方式 1 高位水箱 ;2 平衡水箱 ;3 Y- 型过滤器 ;4 时间继电器 ;5 恒温加热棒 ;6 电磁阀 ;7 蠕动泵 ( 导流 );8 膜生物反应器 ;

第 4 期张捍民等 :A 2 O-MBR 工艺反硝化脱氮除磷研究 491 d; 阶段 Ⅱ 提高好氧段曝气量, 运行 20d. 图 2 试验运行方式 1 高位水箱 ;2 平衡水箱 ;3 Y- 型过滤器 ;4 时间继电器 ;5 恒温加热棒 ;6 电磁阀 ;7 蠕动泵 ( 导流 );8 膜生物反应器 ;