不同曝气模式对mbr工艺脱氮效果的影响

不同曝气模式对mbr工艺脱氮效果的影响

氧漂后对总氮的去除效果由于沉积物长，通风充分，对氨氮的去除效果好，去除率一般大于90%，废水中氨氮浓度小于1mg。但在多数曝气MBR中,由于缺氧环境不充分,反硝化能力较弱,导致系统对总氮(TN)的去除率不高。通过增加缺氧段,可将TN的去除率提高至60%～80%。邹联沛等认为控制溶解氧浓度可实现短程硝化反硝化生物脱氮,提高总氮去除效率。研究表明,通过调整曝气时间来实现短程硝化脱氮比通过改变污泥龄实现短程硝化脱氮更具有吸引力。为了改善MBR的脱氮效果,本研究考察了改变溶解氧浓度、曝气/停曝时间对MBR工艺实现短程硝化反硝化生物脱氮的可能性以及对膜污染的影响。1试验材料和方法1.1中空纤维膜的制备膜生物装置如图1所示,反应器规格为0.45m×0.4m×0.1m,有效体积为15L,膜组件采用聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜,膜丝外径为1.44mm,膜组件有效面积0.25m2,膜孔径0.03μm。膜组件下设有5个曝气砂头,进行鼓风曝气,以保证微生物的供氧条件。人工配制的模拟生活污水由进水蠕动泵打到反应器中,由时间继电器控制间歇出水方式,曝气量由在线溶解氧控制仪控制。反应器采用间歇曝气模式,为了减轻膜污染,曝气与膜出水同步。保持恒流出水,通过记录过膜压力的变化来考察膜污染状况。1.2试验设备及运行条件接种污泥取自门头沟污水处理厂,驯化期内为了抑制硝化菌生长,富集亚硝化菌,用加热棒控制系统温度在30℃,控制低的溶解氧浓度(从小于1.0mg·L-1逐渐增加至2.0mg·L-1)。驯化期间保持膜装置正常运行。驯化约一个月后,清洗膜组件,使过膜压力恢复到初始值,正式进入试验阶段。模拟生活污水用蔗糖、牛肉膏、大豆蛋白胨、NH4Cl、Na2HPO4·12H2O、KH2PO4、无水乙酸钠、无水Na2CO3、MgSO4·7H2O和CaCl2配制而成,COD∶TN∶TP=100∶10∶2,本试验COD、总氮、总磷、氨氮、亚硝酸盐氮(NO-2-N)、硝酸盐氮(NO-3-N)等水质指标的测定均采用国家标准方法。系统运行过程中污泥浓度保持在4500～5500mg·L-1,温度30℃,pH值为7～8,膜通量11L·h-1·m-2,水力停留时间(HRT)为8h。试验分为两阶段,第一阶段控制间歇曝气/停曝时间为5min/1min,采用在线溶解氧仪控制各周期溶解氧浓度分别为1、2、3、4mg·L-1。第二阶段控制溶解氧浓度为2mg·L-1,控制各周期曝气/停曝时间分别为5min/1min,20min/4min,20min/10min,10min/5min,5min/2.5min。以上两阶段每个周期开始之前,都先将污泥在该周期特定的试验条件下驯化20d,污泥龄(SRT)约为12d。待污泥性状稳定后再进入正式试验阶段,运行12d。每隔1d测一次常规指标并记录过膜压力,周期结束后,用0.1%的次氯酸钠溶液清洗膜组件,先化学清洗,后水力清洗,使过膜压力恢复到初始状态(5～6kPa)。2结果与讨论2.1硝酸盐总氮的去除不同溶解氧浓度下系统对总氮的去除效果如图2所示。由图可见,随溶解氧浓度增加,总氮去除率先增大后减小。溶解氧为3mg·L-1时去除率达到最高值39.85%,溶解氧大于3mg·L-1时去除率开始下降。为了进一步解释总氮去除规律,分析了在不同溶解氧浓度下上清液各形态氮的含量及亚硝酸盐氮的积累情况,如表1和表2所示。定义亚硝酸盐氮积累率R=亚硝酸盐氮/(亚硝酸盐氮+硝酸盐氮),由表1和表2可见,溶解氧为1、4mg·L-1时,均未出现亚硝酸盐氮的积累现象,总氮去除率都较低。溶解氧为2、3mg·L-1时上清液的亚硝酸盐氮得到了积累,相应的总氮去除率也明显提高。说明溶解氧太低或太高均不利于总氮的去除,亚硝酸盐氮积累率高,总氮的去除率也高。溶解氧为2、3mg·L-1时的总氮去除率相对溶解氧为1、4mg·L-1时较高,且均有部分亚硝酸盐氮的积累。这是由于2、3mg·L-1时的曝气量不能使所有污泥悬浮,有一部分污泥沉于底部,而底部溶解氧浓度较低,抑制着硝化菌的生长,有利于亚硝化菌的生长。因此推断溶解氧在2、3mg·L-1时,反应器内实现了短程硝化反硝化。蒋燕等在污泥浓度为3000mg·L-1时得出溶解氧为2mg·L-1时有利于实现短程硝化反硝化,总氮去除效果最好。本试验得出溶解氧为3mg·L-1时的总氮去除效果最好,因为本试验的污泥浓度为5000mg·L-1,更容易产生微氧环境,因此在3mg·L-1时也有利于实现短程硝化反硝化,提高了总氮的去除效果。2.2+20min/材料不同曝气/停曝时间下系统对氨氮的去除效果如图3所示,由图可见,不同曝气/停曝时间条件下,出水的氨氮平均浓度均在5mg·L-1以下,出水氨氮的去除率差别不大。不同曝气/停曝时间下系统对总氮的去除效果如图4所示。定义曝气率=曝气时间/(曝气时间+停曝时间),可见,曝气率不同,总氮的去除率差异明显。总的来说,曝气率较高时(曝气/停曝时间分别为5min/1min,20min/4min),相应的上清液和出水总氮去除率较低;曝气率较低时(曝气/停曝时间分别为20min/10min,10min/5min,5min/2.5min),总氮去除率较高,尤其以10min/5min时去除率最高。不同曝气/停曝时间下上清液中各形态氮的平均含量如表3所示。由表可见,停曝时间越短,上清液硝酸盐氮含量越高,亚硝酸盐氮含量越低。因为停曝时间短,反应器内溶解氧水平相对较高,有利于硝化菌的生存。当曝气率较低,停曝时间较长时(20min/10min,10min/5min),形成的污泥絮体不易破碎而体积较大,根据微环境理论,微生物外表面的溶解氧较高,生成的亚硝酸盐进入絮体内部的缺氧微氧区,快速被反硝化,而没有被进一步氧化成硝酸盐。由表3可以看出,上清液中亚硝酸盐占优势,总氮的去除效率相对较高。说明通过短程硝化反硝化实现脱氮是可能的。20min/10min时亚硝酸盐氮的积累率很高,但总氮去除率却不够高,此时上清液的亚硝酸盐氮浓度接近6mg·L-1,明显高于其他几种曝气/停曝时间下的亚硝酸盐氮浓度,推断该条件下亚硝酸盐氮(也是中间产物)浓度超过了抑制浓度,造成了反硝化过程中间产物的积累,影响了总氮的去除。2.3膜污染速率随时间的变化不同溶解氧条件下的平均膜污染速率如图5所示。溶解氧为1mg·L-1时,曝气强度太小,不能有效冲刷膜表面的污泥,膜污染速率最高。随着溶解氧增至2～3mg·L-1,膜污染速率减小,这是因为随着曝气强度的增大,气泡对膜表面污染物的扰动作用增强,有效缓解了膜污染状况。但是溶解氧增至4mg·L-1时膜污染速率略有增大,这可能是因为曝气量过大使污泥絮体破碎,细小的污泥颗粒黏附在膜表面加剧了膜污染。可见溶解氧为3mg·L-1时,系统的脱氮效率最高,膜污染速率也最低,是较优的运行条件。不同曝气/停曝时间下的平均膜污染速率如图6所示。曝气/停曝时间为20min/10min时膜污染速率最大,5min/1min时膜污染速率最小。曝气率相同时,停曝的时间越长,膜污染速率越大;曝气时间相同时,曝气率越高,膜污染速率越小。10min/5min的脱氮效果最好,但膜污染速率不是最低的,5min/1min的膜污染速率最低,但脱氮效果却最差,综合考虑脱氮效果与膜污染情况,10min/5min和5min/2.5min是较优的运行条件。3不同浓度传统模式下亚硝酸盐脱除率(1)采用曝气5min反洗1min的运行模式,温度控制在30℃,溶解氧为2、3mg·L-1时上清液亚硝酸盐均得到了富集,且总氮的去除率有所提高,说明通过富集亚硝化菌来实现短程硝化反硝化脱氮是可能的。且总氮去除率最高时膜污染速率也最低。但通过改变溶解氧浓度来提高总氮的去除率效果不明显,最高的总氮去除率仅为40%左右。(2)维持溶解氧在2mg·L-1左右,改变曝气/停曝