膜生物反应器中化学除磷的研究

邹联沛¹，薛罡²,王宝贞³
(1.上海大学环境科学与工程系，上海200072；2.东华大学环境科学与工程学院，上海200051；
3.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090)

　　摘　要：因难溶的金属磷酸盐沉淀很难透过超滤膜，所以在膜生物反应器(MBR)中进行了化学除磷研究。间歇试验结果表明，停留时间越长则释磷越严重，对TP的去除率就越低；而在连续试验中，当Al与TP的摩尔比为1.5、进水TP浓度为4.3～5.3mg/L时，出水TP浓度为0.36～0.8mg/L，可以达到TP＜1mg/L的排放标准。
　　关键词：MBR；化学除磷；间歇试验；连续试验
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2002)11-0019-03

Study on Chemical Removal of Phosphorus in Membrane Bioreactor
ZOU Lian-pei¹,XUE Gang²,WANG Bao-zhen³

( 1.Department of Environmental Science and Engineering,Shanghai University, Shanghai ?200072,China;2.School of Environmental Science and Engineering,Dong hua University,?Shanghai 200051,China;3.School of Municipal and En vironme ntal Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)

　　Abstract：Study was made on the chemical removal of phosphorus in membrane bioreactor(MBR),because insoluble metal phosphate is hard to permeate ultrafiltration membrane.The result in intermittent test indicated that the longer the retention time,the more severe the phosphorus release,and the lower the removal rate of TP is .In the continuous test,when molar ratio of Al/TP is 1.5 and influent TP is 4.3～5.3 mg/L,effluent TP is 0.36～0.8mg/L,and thus achieving the disch arge standard of TP＜1mg/L.?
　　Keywords:membrane bioreactor;chemical phosphorus removal;intermittent test;continuous test

　　由于在MBR中投加铝盐和铁盐后，反应器中的磷会与铝盐和铁盐反应形成难溶的金属磷酸盐沉淀，而这种微絮凝物很难透过超滤膜，故可在MBR中进行化学除磷。采用一体式MBR进行化学除磷是在保证COD和NH₃-N去除效果的前提下进行的，反应器内温度为24℃，膜组件的材质为聚丙烯酰胺。

1　间歇试验

1.1　投加硫酸铝
　　向反应器内投加铝盐经较长时间闷曝后的处理效果见表1，其中1＃、2＃和3＃反应器内Al与TP的摩尔比分别为1、1.5和2，它们是根据投加Al₂(SO₄)₃·18H₂O前的反应器上清液内所含TP量计算得到的，最后算出向1＃、2＃和3＃反应器投加的A l₂(SO₄)₃·18H2O分别是3.481、1.784和2.234g。
　　从表1可以看出，随着反应器中Al与TP的摩尔比的增大，反应器对TP的去除率也提高，但Al与TP的摩尔比为1.5和2时反应器对TP的去除率相差无几，而Al与TP的摩尔比为1.5的较为1的对TP的去除率要高20%左右，故控制Al与TP的摩尔比为1.5是比较理想的。

表1　投加铝盐长时间闷曝后的除磷效果 反应器编号 停留时间(h) 进水TP
(mg/L) 上清液TP(mg/L) TP去除率(%) 出水TP
(mg/L) TP去除率(%) 上清液pH 出水pH Al/TP
(摩尔比) 1＃ 0 25.02 17.99 28.01 17.31　 30.82 7.4 7.41 1 0.5 9.1 63.63 7.11 71.58 7.01 7.01 17 10.91 56.4 10.01 60.0 6.43 6.53 2# 0 20.49 18.11 18.22 27.18 7.41 7.31 1.5 0.5 3.8 84.41 4.11 83.57 6.76 6.75 17 9.55 61.83 9.1 63.63 6.15 6.62 3# 0 19.24 23.10 18.22 27.18 7.49 7.41 2 0.5 3.21 87.17 4.39 82.45 6.65 6.59 17 8.74 65.07 8.33 66.70 6.12 6.42

　　从表1还可看出，投加Al₂(SO₄)₃·18H₂O后0.5h和17h，其对TP去除率随Al与TP摩尔比的不同有很大的差异：Al与TP的摩尔比为1时，经过17h的闷曝 比经过0.5h闷曝对TP的去除率仅下降7%左右；而当其摩尔比为1.5和2时，经过17h的闷曝比经过0.5h闷曝对TP的去除率降低了20%左右，故向反应器中投加的Al₂(SO₄)₃·18H₂O量越大，经长时间闷曝后对TP的去除率下降得越多。这是 因为向反应器中投加的Al₂(SO₄)₃·18H₂O量越大，形成的磷酸盐化学沉淀就越多，再经长时间闷曝后磷酸盐化学沉淀向外重新释放和溶解的磷就越多，对TP的去除率也就下降得越多。
　　表1中各上清液和出水的pH值随Al与TP摩尔比的不同有很大差异。投加铝盐后1#反应器中的pH值仍处于微生物生长的适宜范围，2#、3#反应器中污泥混合液的pH值变化很大，此时会对微生物的生长产生很大的影响。
1.2　投加氯化铁
　　向3套反应装置中投加FeCl₃·6H₂O后使Fe与TP的摩尔比分别为4、2、1，试验结果见表2。

表2　投加铁盐长时间闷曝后的除磷效果 反应器编号 停留时间(h) 进水TP(mg/L) 上清液TP(mg/L) TP去除率(%) 出水TP(mg/L) TP去除率(%) 上清液pH 出水pH Fe/TP(摩尔比) 1＃ 0 11.65 8.7 25.32 8.02 31.16 7.62 7.30 4 0.5 0.71 93.91 1.3 88.84 6.45 6.5 28 3.57 69.36 3.12 73.22 6.43 6.42 2＃ 0 5.98 48.67 5.07 56.48 7.72 7.5 2 0.5 0.9 92.28 1.2 89.70 7.01 7.1 28 3.8 67.38 3.44 70.47 6.8 6.9 3＃ 0 6.43 44.81 6.66 43.38 7.8 7.6 1 0.5 2.3 80.26 2.6 77.68 7.32 7.23 28 4.9 57.94 4.8 58.8 7.1 7.03

　　从表2可以看出，在停留时间为零时3套装置对TP的去除率分别是25.32%、48. 67%、44.81%，而投加FeCl₃·6H₂O约0.5h以后，1#、2#、3#反应器根据上清液中TP量所计算出的除磷率为93.91%、92.28%、80.26%，由膜出水中TP量所计算出的除磷率为88.84%、89.70%、77.68%。因此，向反应器中投加的FeCl₃·6H₂O量若是按Fe与TP摩尔比为4、2计算时，反应器对TP的去除率没有太大的差别(对TP的去除 率都很高)，此时上清液中TP只有0.8 mg/L左右。投加FeCl₃·6H2O约28h后，1#、2#、3#反应器根据上清液中TP量所计算出的除磷率为69.36%、67.38%、57.94%，由膜出水中TP量所计算出的除磷率为73.22%、70.47%、58.8%，同样存在磷酸盐化学沉淀向外释放和溶解磷的问题。投加FeCl₃·6H₂O后还存在pH值下降的问题，向反应器中投入的FeCl₃·6H₂O越多则pH值下降得越快。另外，投加FeCl₃·6H₂O后停留时间不同，pH值下降的程度也不同，停留时间越长pH值下降得越快，这是FeCl₃·6H₂O与磷形成的沉淀物又重新溶解和释放出磷的缘故。

2　连续试验

　　之所以仅选用铝盐作为化学除磷药剂，
　　一是为使反应器中的微生物能正常降解有机物和除氨，使pH值维持在7左右(溶解度最低时磷酸铝的pH值为6.5，而磷酸铁的pH值为5.5)；二是因为铁盐易造成超滤膜的污染。
　　 试验时先将铝盐溶解于水中配制成母液，然后通过液位平衡箱向反应器中连续投加。在投加之前，先测出进水中的总磷浓度，然后按Al与TP的摩尔比为1.5左右向反应器中投加铝盐。在化学除磷试验期间每天都排泥以使反应器中的污泥浓度维持在7000mg/L左右。反应器的有效容积为5.4L，水力停留时间为5h，反应器内温度控制在24℃左右。试验结果见图1。?

　　从图1可以看出，当进水TP为15.4～23.4mg/L时，出水TP浓度为1.7～4.1mg/L， 对TP的总去除率为82.48%～90.29%；当进水TP为8.1～10.2mg/L时，出水TP浓度为0.97～2mg/L，对TP的总去除率为82%～87.9%；当进水TP浓度为4.3～5.3mg/L时，出水TP浓度为0.36～0.8mg/L，对TP的总去除率为82.98%～92.8%，可以达到TP＜1mg/L的排放标准。
　　MBR的协同化学除磷虽然能够去除大部分磷，但除磷效果并不理想，因为在反应器内曝气一直在剧烈地进行，磷的化学沉淀物没有经过很好的絮凝，所以形成的磷的化学污泥只是一些微絮凝物，而这些微絮凝物有一部分还能够穿过膜，使得出水中仍含较高浓度的磷。此外，MBR的协同化学除磷还会给其本身带来不利影响，如使MBR内的化学污泥浓度升高会对反应器造成很大影响：一是使得反应器内污泥的总浓度升高，从而会使膜通量下降；再就是会使生物污泥所占比例下降，即反应器内污泥的活性下降；第三就是化学污泥本身对膜的堵塞比生物污泥更严重，所以当进水中磷浓度较高时，建议在其进入MBR之前进行前置化学除磷。?

3　结论

　　①在间歇试验中，随Al与TP摩尔比的增大TP的去除率增大，并且随着闷曝时间的延长而TP的去除率下降。投加铁盐进行化学除磷也存在同样的现象。进行化学除磷时形成的难溶金属磷酸盐化学沉淀会再次释放出溶解性的磷。?
　　②在MBR中进行化学除磷时投加铝盐比铁盐好，因为磷酸铝溶解度最低时的pH值为6.5，而磷酸铁为5.5。为使反应器中的微生物能正常降解有机物和除氨，其中的pH值不能太低，一般应维持在7左右。另一原因是铁盐易造成超滤膜的污染。
　　③在MBR中进行连续化学除磷时进水TP浓度不能太高，否则出水TP浓度达不到低于1mg/L的标准。所以建议当进水TP浓度较低时才采用在MBR中进行协同化学除磷。
　　④当进水TP浓度较高时建议采用前置化学除磷。否则，若进行协同化学除磷，一是使得反应器内的总污泥浓度升高，从而会使膜通量下降；二是因生成的部分化学污泥而使生物污泥在反应器中所占比例下降，导致污泥活性下降；三就是化学污泥本身对膜的堵塞比生物污泥更严重；四是协同化学除磷后出水达不到对TP浓度的排放标准。

参考文献：

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　　作者简介：邹联沛(1969-)，男，土家族，湖北恩施人，博士，主要从事环境保护及其管理工作。?
　　电　　话：(021)56332080
　　E-mail:zlpei@sohu.com
　　收稿日期：2002-04-13