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移动床生物膜反应器处理生活污水的研究 * 张安龙曹萌 陕西科技大学造纸学院， 西安 710021 摘要 通过小试规模的移动床生物膜反应器 MBBR 处理陕西科技大学污水处理厂生活污水的实验研究， 探讨了水力 停留时 间、 冲 击 负 荷、 pH 对 反 应 器 处 理 效 果 的 影响。实 验 结 果 表 明， 在 HRT 为10 h， 进 水 ρ COD 为300 mg/L， ρ NH3-N 为35 mg/L， 填料体积填充率为 35 ， pH 为 7 左右时， MBBR 反应器对 COD、 TN 的去除率分别为 87. 38 、 68 。 关键词 移动床生物膜反应器; 悬浮填料; 有机物; 氮 STUDY ON TREATMENT OF DOMESTIC SEWAGE BY MOVING BED BIOFILM REACTOR Zhang AnlongCao Meng Paper-Making School，Shaanxi University of Science and Technology，Xi′an 710021， China AbstractIt was conducted an experimental study on the small pilot － scale moving bed biofilm reactor MBBRdealing with the sewage from the sewage treatment plant in Shaanxi University of Science and Technology，it was also discussed the effects of hydraulic retention time，impact load and pH on efficiency of the reactor. The results show that the removal rates of COD and total nitrogen were 87. 38 and 68 at hydraulic retention time 10 h，influent ρ COD 300 mg/L，ρ NH3-N 35 mg/L，filler 35 and pH 7. Keywordsmoving bed biofilm reactor;suspended filler;organic matter;nitrogen * 陕西省科技厅计划项目 S2009TG- 02 ; 陕西科技大学研究生创新基 金。 移动床生物膜反应器 MBBR 是在对生物接触 氧化法和生物流化床改进基础上开发出的一种新型 高效生物膜废水处理装置， 它是在反应器中投加比表 面积大， 密度略小于 1 的悬浮填料， 微生物附着生长 在填料表面形成生物膜， 曝气使其处于流化状态， 确 定了良好的传质条件， 从而实现对污染物的高效去 除。与传统生物膜法相比， MBBR 工艺具有生物量 大、 能耗低、 耐冲击负荷强、 占地少、 易于运行管理、 便 于扩充和升级、 脱氮效果良好等优点 ［ 1- 2］。 通过小试规模的 MBBR 处理本校污水处理厂生 活污水的实验研究， 探讨了该工艺对有机物、 氮的处 理效果及其影响因素。 1材料与方法 1. 1实验装置 本实验中 MBBR 反应器采用有机玻璃加工而 成， 有效尺寸为25 cm 25 cm 60 cm， 有效容积为 32 L。反应器连续运行， 污水从进水箱进入反应器， 连续进水， 连续曝气， 通过气体流量计调节反应器内 的曝气量。填料填充率为其有效体积的 35 ， 在反 应器底部设有石英砂曝气头， 通过鼓风曝气方式供 氧， 维持填料在反应器内的循环移动。在反应器出水 口处设置筛网， 以防填料流失， 反应装置见图 1。 本实验选用的悬浮填料由江苏裕隆环保有限公 司生产， 材料为聚丙烯， 为圆柱型， 内有十字支架， 外 表面有棱。具有较大的空隙率和良好的过水和通气 性能， 不易堵塞， 动力消耗低。该填料性能参数如下 直径 高度 壁厚为25 mm 12 mm 0. 4 mm， 密度 0. 93 103～ 0. 96 103kg/m3，比 表 面 积 大 于 800 m2/m3， 空隙率 90 ， 堆积密度106 kg/m3。 1. 2废水水质 实验用水来自本校污水处理厂生活污水， 主要水 质参数见表 1。 51 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 图 1实验装置流程 表 1生活污水水质 mg/L pH 值除外 ρ CODρ BOD5ρ NH3-N ρ TNpH 180 ～ 35080 ～ 22070 ～ 10090 ～ 1106. 3 ～ 7. 5 1. 3水质分析方法 COD 重铬酸钾法; 氨氮 NH3-N 纳氏试剂光 度法; 亚硝酸氮 NO － 2 -N N- 1-萘基 -乙二胺光度 法; 硝酸氮 NO － 3 -N 紫外分光光度法; MLSS、 MLVSS 标准方法 ［ 3］; pH 酸度计; 温度和溶解氧 溶解氧分 析仪; 生物膜量 重量法， 105 ℃ 烘干称重。 1. 4反应器启动与挂膜 目前挂膜法应用比较广泛的主要有密闭循环法 与排 泥 挂 膜 法 两 种。排 泥 挂 膜 法 优 于 密 闭 循 环 法 ［ 4］。本实验采用排泥法挂膜， 自本校污水处理厂 曝气池内取泥水混合物， 沉降一段时间后， 倒掉上清 液， 将剩余泥水混合物作为本实验所用接种污泥。测 得 MBBR 反应器中接种污泥浓度为4. 5 g/L， 闷曝 24 h 闷曝期间曝气量为0. 5 m3/h ， 之后全部排掉， 再连续进不含污泥ρ COD 约为200 mg/L的废水， 开 始以小计量进水， 水力停留时间为24 h， 运行一周， 待 运行效果改善， 有部分生物膜出现时， 再加大进水量， 水力停留时间为12 h。 2结果与讨论 2. 1有机物的处理效果 2. 1. 1水力停留时间 HRT 对有机物去除的影响 挂膜完成后， 连续进 水， 保持 进 水 ρ COD 为 300 mg/L左右， 曝气量1. 2 m3/h， 总气水比 40∶ 1， 通 过改变进水量来调节反应器的 HRT， 测量出水 COD 浓度 每次改变 HRT 后待系统运行5 d后再进行检 测 ， 实验结果如图 2 所示。 由图 2 可见， 随着 HRT 的增加， COD 去除率逐渐 增加。HRT 从4 h增加到10 h时， 反应器中 COD 去除 率从 63. 43 增加到 87. 38 ， HRT 从10 h后开始趋 于平稳， 出水 COD 小于40 mg/L。反应器为连续进 图 2水力停留时间对 COD 去除率的影响 水， HRT 较短不利于填料表面微生物的附着生长和 菌胶团的形成， 出水效果不够理想， 且悬浮物较多。 当 HRT 大于10 h后， 出水水质较好且渐趋稳定。故 综合考虑当 HRT 增加到 10 h 后便不必再增加水力 停留时间。 2. 1. 2进水 COD 浓度对有机物去除的影响 HRT 为 10 h， 进水 ρ COD 在 150 ～ 700 mg/L时 COD 去除率变化见图 3。 图 3进水 COD 浓度 COD 去除率的影响 由图 3 可知 在较低的进水浓度下 ρ COD 300 mg/L 时， COD 去除率有所下降， 但下降趋势较为平稳， 仍 能保持在 75 以上。可见 MBBR 在一定范围内具有 良好的耐冲击负荷能力。 2. 1. 3pH 值对有机物去除效果的影响 控制 HRT 为 10 h， 进水量为 3. 2 L/h， 保持进水 各项水质指标不变， 调节进水 pH 值， 考察其对有机 物去除效果的影响， 结果如图 4 所示。 由图 4 可以看出 pH 值在 6 ～ 8 之间波动时， COD 去除率变化不明显， 且均大于 75 ， 而当 pH 值 小于 5 或大于 9 时， COD 去除率明显下降， 为 60 左 右。说明 pH 值在 6 ～ 8 时， 微生物的处理能力最佳， 出水效果良好; 而当 pH 值小于 5 或大于 9 时， 微生 物的活性受到了抑制， 但还是能保证一定的 COD 去 61 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 图 4 pH 对 COD 去除率的影响 除率， 过高的 pH 值会导致菌胶团解体， 过低的 pH 值 则不利于细菌和原生动物的生长， 而对霉菌及酵母菌 生长有利。这是由于多数霉菌不像细菌那样分泌黏 性物质于细胞外， 大量霉菌繁殖就会降低生物膜在填 料表面的附着能力， 导微生物的数量不足， 处理效果 下降 ［ 5］。 2. 1. 4COD 容积负荷对有机物去除效果的影响 容积负荷是反应器运行的主要参数之一， 综合图 2、 图 3， 对 COD 容积负荷进行了计算， 考察了容积负 荷对 COD 去除效果的影响， 结果如表 2 所示。 表 2COD 容积负荷对有机物去除效果的影响 容积负荷 / kgm － 3d－ 1 654321 COD 去除率 /79. 6283. 8086. 2188. 0488. 7889. 94 由表 2 可见 COD 容积负荷在 1 ～ 4 kg/ m3d 时， COD 去除率在 85 以上。随着容积负荷增加， COD 去 除 率 缓 慢 下 降。 当 容 积 负 荷 提 高 到 6 kg/ m3d 时， COD 去除率为 80 左右。在容积 负荷的整个变化过程中， COD 去除率变化不大， 可见 MBBR 反应器具有较强的抗冲击负荷能力。 2. 2脱氮效果 2. 2. 1水力停留时间对氮去除效果的影响 将 HRT 控制为 10 h， 进水ρ COD 为300 mg/L， ρ NH3-N 为 35 mg/L， pH 值约为 7， 经过一段时间的 运行， 各种形式氮随水力停留时间的变化见图 5。 图 5 显示 经过 MBBR 反应器的处理后， 污水中 的 N 分别以NH3-N、 NO － 2 -N 以及NO － 3 -N的形式存在。 整个实验过程中， NO － 2 -N 和 NO － 3 -N 浓度很低， 其中 NO － 3 -N 在 HRT 为6 h左右时有积累， 之后ρ NO － 3 -N 逐渐减小， 表明发生了反硝化作用， 在生物膜内出现 了同步硝化反硝化 SND 。微生物的微环境理论认 为 ［ 6］， 生物膜从外至内存在着氧的浓度梯度， 具备从 好氧到缺氧的微环境。在生物膜外表面， 溶解氧浓度 高， 以好氧硝化菌及氨化菌为主; 深入生物膜内部， 由 图 5水力停留时间对氮去除率的影响 于氧传递阻力的存在及氧的消耗， 在膜内产生缺氧 区， 反硝化菌占优势， 从而形成有利于实现 SND 的微 环境。 随着 HRT 的增加， TN 的去除率增加， 在 10 h 时 就已达到 94. 29 。这是由于生物膜外部的好氧环 境和内部的缺氧环境为反应器随时发生连续进行 SND 创造了条件， 因此具有较高的 TN 去除率。 2. 2. 2进水 COD 浓度对氮去除效果的影响 HRT 为 10 h， 进水ρ NH3-N 为 35 mg/L， pH 值 约为 7， 改变进水 COD 浓度， 经过一段时间的运行， 检测此过程中各种形式氮的变化趋势。实验结果见 图 6。 图 6进水 COD 浓度对氮去除率的影响 由图 6 可知 TN 去除率随进水 COD 浓度变大呈 上升 趋 势，COD 浓 度 在 800 mg/L 时 达 到 最 大 90. 86 。进水 COD 浓度对NH3-N去除效果影响不 大， 出水ρ NH3-N 为 0. 5 ～ 1 mg/L， 可见反应器有较 强的抗冲击负荷能力。整个实验过程中， NO － 2 -N 的 浓度很低， 而NO － 3 -N的浓度随进水 COD 浓度变化很 大，进 水 浓 度 为 150 mg/L 时，ρ NO － 3 -N达 到 19. 6 mg/L， 随着进水 COD 浓度的增加， 出水NO － 3 -N 浓 度 下 降，在 进 水 ρ COD为 800 mg/L 时 达 到 1 mg/L， 然后趋于平缓。这说明反硝化时足够的碳源 有利于NO － 3 -N的去除。 71 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 2. 2. 3进水NH3-N浓度对氮去除效果的影响 控制 HRT 为 10 h， 进水ρ COD 为300 mg/L， pH 值约为 7， 改变进水NH3-N浓度， 经过一段时间的运 行， 检测此过程中各种形式氮的变化趋势。实验结果 如图 7 所示。 图 7进水NH3 -N浓度对氮去除率的影响 图 7 显示， 在上述实验范围内， 进水NH3-N浓度的 变化导致出水NH3-N浓度增加， 但去除率均能维持在 85 以上， 可见反应器具有较强的抗冲击负荷能力。 整个实验过程中， 出水NO － 3 -N的浓度随进水NH3-N浓 度变化很大， 进水ρ NH3-N 在 20 ～40 mg/L时， NO － 3 -N 浓度很小， 基本不存在积累现象; 随着进水NH3-N浓度 继续增加， 出水NO － 3 -N浓度逐渐升高。这说明随着进 水NH3-N浓度升高， 反硝化效果逐渐变差。分析其原 因为 反应初期， 溶解氧充足， NH3-N转化为NO － 3 -N， 随 着反应的进行， 溶解氧减少， 反硝化效果变差， 则出现 NO － 3 -N的积累。 2. 2. 4pH 对NH3-N和 TN 去除的影响 控制 HRT 为 10 h， 进 水 ρ COD为 300 mg/L， ρ NH3-N 为35 mg/L， 调节进水 pH 值， 考察其对氮 去除效果的影响， 结果见图 8。 图 8 pH 对氮去除率的影响 由图 8 可 以 看 出， pH 在 6 ～ 8 之 间 时， 出 水 NH3-N和 TN 的浓度较低， 且变化不大， pH 为 8 时， 四 种形式氮的去除效果最佳。当 pH 小于 5 以及 pH 大 于 9 时， 氮的去除率均下降， 但 pH 大于 9 时氮去除 率的下降趋势不及 pH 小于 5 时明显， 一方面可能是 因为硝化细菌和反硝化细菌生长的最佳 pH 都偏碱 性 硝化硝化细菌生长的最佳 pH 为 7. 4 ～ 8. 3， 反硝 化细菌生长的最佳 pH 高于 8 ［ 5］， pH 升高对其影响 要弱于 pH 降低的影响， 另一方面 pH 的升高也会导 致水中 NH 4 水 解 成 NH3进 入 空 气， 水 中 剩 下 的 NH3-N和 TN 随之减少。 3结论 1 当进水 COD 浓度为 300 mg/L 左右时， HRT 增加到 10 h 后便不必再增加水力停留时间; 进水 ρ NH3-N 为35 mg/L， 随着 HRT 的增加， TN 的去除 率增加， 在10 h时去除率最高， 为 94. 29 。 2当 HRT 为 10 h 时， 较 低 的 进 水 浓 度 下 ρ COD 300 mg/L时， COD 去除率有所下降， 但下降趋势较为 平稳; 进水ρ NH3-N 为35 mg/L， 随着进水 COD 浓度 变大 TN 去除率上升， NH3-N去除效果变化不大， 出水 NO － 3 -N浓度下降。 3 控制 HRT 为 10 h， 进水 ρ COD 为300 mg/L， 随着进水NH3-N浓度的增加， 出水NH3-N浓度增加， 但 幅度较小， NO － 3 -N浓度逐渐升高， 且幅度较大。 4 保持各项水质指标不变， pH 值在 6 ～ 8 之间波 动时， COD 和氮的去除率均较高。 参考文献 ［1 ］ Rusten B， Bjφrnar E， Ulgenes Y， et al. 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