中空膜生物反應(yīng)器由膜組件和生物反應(yīng)器組成，按其布設(shè)形式可分為錯流式(CMBR)和淹沒式(SMBR)兩大類。在CMBR中，膜組件置于生物反應(yīng)器之外，因此也稱之為分置式反應(yīng)器；在SMBR中，將膜組件直接淹沒在生物反應(yīng)器中，因此又稱之為一體式反應(yīng)器。從能耗的角度來看，SMBR優(yōu)于CMBR。
　　
        我國對MBR的研究剛剛起步，目前國內(nèi)尚未有應(yīng)用膜式生物反應(yīng)器處理生活污水的處理廠。

1 試驗裝置
　　
        本研究在自行設(shè)計的復(fù)合淹沒型膜式生物反應(yīng)器試驗裝置(見圖1)中進(jìn)行，該反應(yīng)器由前置反硝化A段和好氧硝化O段兩部分組成。生物反應(yīng)器的容積：A段為4.0 L，O段為13.9 L。A段反應(yīng)器內(nèi)裝填大顆粒陶粒，陶粒為直徑1.0～1.5cm、長1.2～3.7cm的近似圓柱體，空隙率為46%(其中陶粒間隙率占42%，陶粒本身的孔隙率占4%)。O段好氧反應(yīng)器下部裝填盾形泡沫填料，裝填密度為1 個/L。每個填料所用泡沫約3.0g，將泡沫制成細(xì)長條，用塑料片加以固定，構(gòu)成直徑約120 mm，質(zhì)量為5～6 g的盾形填料。用抗微生物分解的繩子將填料串聯(lián)成一串，填料間用陶瓷環(huán)加以分隔。填料形式如圖2所示。O段反應(yīng)器上部裝填中空纖維膜組件，膜面積為1.0m2，材料為聚丙烯，孔徑為0.01 μm。O段反應(yīng)器底部裝有砂盤曝氣器，并由帶調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)子流量計控制曝氣量。原水經(jīng)前置反硝化A段進(jìn)入好氧膜式生物反應(yīng)器，在出水泵的抽吸作用下得到膜過濾出水。
 
 

                                                                          　　　 
2 系統(tǒng)工藝特性
　　
        系統(tǒng)由前置反硝化A段和好氧硝化O段組成A/O工藝。由于硝化液回流，好氧反應(yīng)器中的DO隨硝化液進(jìn)入A段反應(yīng)器，在A段上部進(jìn)水區(qū)形成缺氧條件。下部由于帶入反應(yīng)器內(nèi)的DO很快被微生物利用而消耗殆盡，形成完全厭氧條件。因此在A段反應(yīng)器內(nèi)實際上進(jìn)行著缺氧—厭氧兩種反應(yīng)。由于填料的存在，水在反應(yīng)器內(nèi)流速較快形成紊流狀態(tài)，不安裝攪拌裝置就能使進(jìn)水與回流硝化液充分混合，從而使系統(tǒng)簡化，能耗降低。綜上所述，在整個A/O系統(tǒng)中，實際上實現(xiàn)了A2/O運行條件。有文獻(xiàn)報導(dǎo)，在A2/O工藝中，同等條件下缺氧/厭氧/好氧運行方式的出水水質(zhì)優(yōu)于厭氧/缺氧/好氧運行方式。
　　
        在活性污泥曝氣池中投放填料，是降低污泥負(fù)荷、防止污泥膨脹和實現(xiàn)硝化的有效措施。在O段好氧生物反應(yīng)器中投放的泡沫填料具有比表面積大、孔隙率高、易掛膜和吸水后體積質(zhì)量略大于水等優(yōu)點。由于填料的介入，污水中微生物的生存環(huán)境由原先氣、水兩相轉(zhuǎn)變?yōu)闅�、水、固三相，為微生物�?chuàng)造了更豐富的生存形式，部分微生物附著在填料上，其余的懸浮在水中，以生物膜和活性污泥兩種方式構(gòu)成新的生態(tài)系統(tǒng)，且這一系統(tǒng)在縱橫兩個方向上互相關(guān)聯(lián)。在縱向上微生物構(gòu)成一個由細(xì)菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物等多個營養(yǎng)級組成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，其中每個營養(yǎng)級的生物量都受到環(huán)境和其他營養(yǎng)級的制約，最終達(dá)到動態(tài)平衡。在橫向上沿著水流到載體的方向，構(gòu)成了一個懸浮好氧型、附著好氧型、附著兼氧型和附著厭氧型的多種不同活動能力、呼吸類型、營養(yǎng)類型的微生物系統(tǒng)。從系統(tǒng)論的觀點看，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其穩(wěn)定性越強(qiáng)，適應(yīng)環(huán)境變化的能力也越強(qiáng)。試驗證明，該復(fù)合系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定和抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)的優(yōu)勢。
　　
        在O段好氧反應(yīng)器上部裝置中空纖維超濾膜，這是保證出水水質(zhì)的關(guān)鍵，當(dāng)膜組件進(jìn)行固液分離時，容易引起濃差極化現(xiàn)象。濃差極化使得膜表面附近溶質(zhì)濃度相對增高，從而引起膜通量下降，而且高分子物質(zhì)和膠體物質(zhì)在膜表面附近的積蓄會形成一個凝膠層，即所謂的第二動態(tài)膜，它嚴(yán)重影響了液體的流動，同時增加了水和低分子物質(zhì)的透過阻力，致使增加外界的壓力與所產(chǎn)生的阻力相平衡，其結(jié)果只能使凝膠層的厚度增加而無法再使通量提高，這就大大影響了超濾的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)產(chǎn)生凝膠層時，膜的透過速率可用下式表示　
        
                     JV＝VW/1+Rg/Rm
　　
        式中　JV——水的膜透過速率，m3/(m2•d)
　　　　　VW——純水的膜透過速率，m3/(m2•d)
　　　　    Rg——凝膠層對流動產(chǎn)生的阻力，N
　　　　    Rm——膜對流動產(chǎn)生的阻力，N
　　           
        由上式可以看出，減緩濃差極化現(xiàn)象可以從兩個方面入手，其一是提高料液的流速，使其處于紊流狀態(tài)，讓膜面的高濃度與主流濃度更好地混合：其二是對膜面不斷進(jìn)行清洗，消除已形成的凝膠層。本研究采用前一種方式，通過控制曝氣量來控制上升氣流的流速，使水流處于紊流狀態(tài)。上升氣流帶動水流對膜表面進(jìn)行沖刷，有效降低了濃差極化。因此，曝氣是決定過濾條件的主要因素。 

3 結(jié)果與討論
　　
        試驗用水采用直鏈淀粉、牛肉膏、蛋白胨、尿素、復(fù)合肥、NH₄Cl、KH₂PO₄、Na₂HPO₄配置成模擬生活污水，試驗水質(zhì)見表1。試驗期間進(jìn)水量為3.0L/h；HRT為6.0h，其中A段1.4 h，O段4.6 h；

 

3.1 DO對處理效果的影響
　　
        曝氣量由帶調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)子流量計控制，通過反應(yīng)器內(nèi)DO的測定值來反映曝氣量的大小(取樣時停止曝氣，用溶解氧瓶立即從O段反應(yīng)器中間取樣口取樣)。試驗期間控制回流比n＝3～4，水溫30 ℃。
　　
 

        圖3、4、5分別為DO對COD_Cr、BOD₅和NH₃-N去除效果的影響。由圖可以看出，隨DO的增加，總?cè)コ示性黾拥内厔荨Ｓ捎谀し蛛x技術(shù)使污水中的大分子難降解成分在體積有限的生物反應(yīng)器中有足夠的停留時間，即使在DO很低(1.15 mg/L)的條件下，系統(tǒng)仍能獲得非常可觀的去除效果，此時系統(tǒng)對COD_Cr、BOD₅和NH₃-N的去除率分別為77.2%、97.0%和76.4%。由圖還可以看出，DO對生物反應(yīng)器的去除效果影響較大，超濾膜對總?cè)コ实呢暙I(xiàn)隨著DO的增大反而有所下降。這主要是由于曝氣量越大對膜面產(chǎn)生的沖刷越強(qiáng)，從而膜表面的動態(tài)吸附層變薄，膜通過阻力降低使更多的粒子得以通過引起的。增大DO雖然可使總?cè)コ侍岣撸芎囊矔S之增加；另外，若曝氣量太大，反應(yīng)器內(nèi)的填料上不易掛膜或容易將已掛好的生物膜沖刷下來。因此，本研究得出的結(jié)論是，DO宜控制在4～6 mg/L，這時系統(tǒng)的總?cè)コ蕿椋篊OD_Cr＞97%、BOD₅＞99%、NH₃-N＞94%，出水COD_Cr＜30mg/L、BOD₅＜10mg/L、NH₃-N＜2mg/L。
  
3.2 溫度對去除效果的影響
　　
        溫度也是決定去除效果的重要指標(biāo)，溫度的高低直接影響微生物的活性，同時，水溫越高水的粘度越小，對膜分離來說非常有利。試驗過程中水溫為7～30 ℃。水溫對COD_Cr、BOD₅和NH₃-N的去除效果影響見圖6、7、8。
  
 

        由圖可知，隨著溫度的升高，系統(tǒng)對COD_Cr和BOD₅的總?cè)コ噬杂性黾�，但對NH₃-N的去除效果影響顯著。當(dāng)溫度低于10 ℃時，系統(tǒng)對NH₃-N幾乎沒有去除作用。隨著溫度的升高，系統(tǒng)對NH₃-N的去除作用明顯增強(qiáng)，12 ℃時去除率為7.8%，30℃時去除率為94.7%。由圖還可以看出，溫度主要是影響生物反應(yīng)器去除效果，對膜的去除效果影響不大。

3.3 系統(tǒng)出水水質(zhì)評價
　　
        將系統(tǒng)控制在適宜的條件下，出水可達(dá)到COD_Cr＜30mg/L、BOD₅＜10mg/L、NH₃-N＜2mg/L、濁度＜1NTU、SS為0。本研究得出的運行條件為: DO控制在4～6mg/L、水溫t＝25～30 ℃、回流比n＝3～4、HRT＝6h，在此條件下運行，出水水質(zhì)優(yōu)于國家生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(CJ25.1—89)，可作為非飲用水回用。

4 結(jié)語
　　
        復(fù)合淹沒式中空膜生物反應(yīng)器將多種污水處理工藝設(shè)計在極其簡單的系統(tǒng)裝置中，系統(tǒng)裝置由前置反硝化A段和好氧硝化O段兩個生物反應(yīng)器組成。在A段反應(yīng)器中完成缺氧—厭氧兩種反應(yīng)過程。O段反應(yīng)器中將中空纖維超濾膜直接放入反應(yīng)器內(nèi)組成一體化淹沒式膜生物反應(yīng)器，同時在反應(yīng)器內(nèi)投入泡沫填料，反應(yīng)器實際上兼具活性污泥法—生物膜法—膜分離三種處理過程，因此，系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定和抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)等優(yōu)點。
　　
        曝氣量和水溫是決定系統(tǒng)處理效果的重要指標(biāo)，將系統(tǒng)控制在適宜的條件下，可得到水質(zhì)優(yōu)于國家生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的回用水，實現(xiàn)污水資源化。
 

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