溶解氧对一体式膜生物反应器（IMBR）的影响

周晴，傅金祥，苏锦明，赵玉华
(沈阳建筑工程学院 市政与环境工程系，辽宁 沈阳 110015)

　　摘要：针对溶解氧(DO)和气水比对IMBR工艺出水效果的影响及能耗问题，从气水比对DO的影响和DO对COD与NH3-N去除效果的影响着手，探讨研究气水比、溶解氧以及污水处理效果之间的最佳工作点。试验结果表明，在ρ(MLSS)分别为4.23，4.09，3.70 g／L的运行条件下，MBR的最佳运行气水比相应为35：1，25：1，17：1;溶解氧变化速率随污泥浓度的下降而升高；DO的变化对COD的去除效果并不显著；在高污泥浓度下，DO的质量浓度保持在2.63～4.85mg／L之间时，氨氮的去除率随溶解氧浓度的上升而下降，氨氮去除率达90％以上；但DO浓度过低时，氨氮去除效果不佳。
　　关键词：污水深度处理；IMBR；溶解氧；气水比
　　中图分类号：X703.3 文献标识码：A 文章编号：1009-2455(2004)03-0031-04

Effects of Dissolved Oxygen on Integrated Membrane BioreaCtor
ZHOU Qing，FU Jin-xiang，SU Jin-ming，ZHAO Yu-hua
(Municipal and Environmental Engineering Department，Shenyang Arch.and Civ.Eng.Univ.，Shenyang 110015，China)

　　Abstract： In view of the efiects of dissolved oxygen (DO) and air-water ratio on the results of the effluent　water with IMBR process as well as the energy consumption，and starting with the effects of air-water ratio on　DO and the effects of DO on the removal of COD and NH3-N，an approach was made to the optimum working　point in studying the relations among air-water ratio，dissolved oxygen and result of treatment of waste water. It　was shown by the results of tests that under the operating conditions that ρ(MLSS)was 4.23，4.09 and 3.70g／L　respectively， the optimum corresponding operating air-water ratios of MBR were 35：1，25：1 and 17：1；the variation rate of dissolved oxygen was increasing with the decreasing of sludge concentration； the effects of the　variation of DO on the result of removal of COD was not significant；with high sludge concentration and when DO　concentration was maintained between 2.63～4.85mg／L，the ammonia-nitrogen removal rate decreased with the　increase of the concentration of dissolved oxygen while ammonia-nitrogen removal rate reached 90％ or above；but When the DO concentration was too low，the removal rate of ammonia nitrogen was not good.
　　Key words： deep treatment of waste water；IMBR；dissolved oxygen；air-water ratio

　　膜生物反应器是高效膜分离技术与活性污泥相结合的新型水处理技术。由于MBR对污染物去除效率高，出水水质稳定，操作简单，易于管理的特点，具有广阔的应用前景^[1]。但MBR工艺的广泛应用不仅取决于自身技术的可行性，还取决于其经济上的可行性。较高的运行费用是MBR推广应用中遇到的主要问题之一。
　　能耗是污水处理工艺的一个重要的评价指标，直接关系到处理方法的可行性。顾平对抽吸一体式MBR能耗分析表明：曝气的能耗占总能耗96％以上^[2]。 Gander测定了MBR能耗数据，发现浸没式和外置式MBR的能耗差别很大，外置式流程中，曝气占总能耗的20％～ 50％，而浸没式流程中，曝气占总能耗的80％～100％^[3]。
　　MBR利用膜的高效截留作用，将活性污泥截留在生物反应器中，主要利用以好氧菌为主体的微生物种群对污染物进行降解，使污水得以净化^[4]。溶解氧的不足，必将对微生物的生理活动产生不利的影响，从而影响污水的处理效果；而溶解氧过高，将导致有机污染物分解过快，使微生物缺乏营养，活性污泥易于老化，且能耗过高，增加了经济成本^[5]。本文针对以上问题，通过试验分析，寻求一个气水比、溶解氧以及污水处理效果之间的最佳运行工况。

1 试验装置和试验方法

1.1 试验材料与装置
1.1.1 膜材料
　　膜组件为国产聚偏氟乙烯中空纤维帘式膜，膜孔径为0.2 μm，纤维内径0.5 mm，外径为0.8mm，单套膜组件总面积为1 m²。
1.1.2 试验装置
　　本试验采用2套并行的一体式膜生物反应器(IMBR)，试验装置见图1。膜反应器为矩形有机玻璃柱，截面0.30m×0.20m，有效水深0.75 m，储水容积43 L。反应器水面与出水之间的高差为膜出水提供驱动力，实际最大操作压力为0.10MPa。通过气体转子流量计控制曝气量。污水由高位水箱进入平衡水箱，再由平衡水箱分别进入2个膜生物反应器装置，在此经过活性污泥的生化作用和膜的分离作用后出水。

1.2 原水水质与水质检测
1.2.1 原水水质
　　本试验水采用洗浴污水配制的模拟生活用水，水质情况见表１

表1 试验用水水质

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ρ(COD)/(mg·L^-1) ρ(BOD)/(mg·L^-1) ρ(NH3-N)/(mg·L^-1)

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200～450 140～250 30～55

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ρ(LAS)/(mg·L^-1) 水温/℃ pH值 浊度/NTU

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0.3～0.4 20～30 6.0～7.3 8～106

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注：LAS为表面活性剂。

1.2.2 分析方法
　　所有测定方法均按照“水与废水监测分析方法第三版”(国家环保局1989年)进行。

2 运行效果及分析

2.1 不同污泥浓度下气水比对溶解氧的影响
　　本实验针对IMBR设计中常见的污泥浓度考察污泥浓度及气水比对溶解氧的影响。
2.1.1 平均污泥的质量浓度为4.23g／L
　　由图2所示，在此污泥的质量浓度下，气水比由28：1缓慢调升至40：1。随着气水比的升高，溶解氧的质量浓度呈起伏状缓慢上升。如DO回归分析曲线所示，在气水比为30：1～35：1的运行时段中，DO的上升速率最快，达0.175 mg／(L·h)。当气水比达到35：1时，MBR反应器中的溶解氧的质量浓度为2.00mg／L，满足反应器中活性污泥反应的需氧量，此时的气水比为在ρ(MLSS)=4.23g／L的操作条件下的最佳气水比。

2.1.2 平均污泥的质量浓度为4.09g／L
　　如图3所示，在此污泥的质量浓度下，气水比由15：1上升至30：1。由DO回归分析曲线所示，当气水比为25：1时，DO上升速率最快，达到0.201mg／(L·h)。此时ρ(DO)为2.11mg／L，足以供应反应所需的氧量。由此可见，在平均ρ(MLSS)为4.09g／L时，25：1为最佳运行气水比，ρ(DO)=2.11mg/L。

2.1.3 平均污泥的质量浓度为3.70g／L
　　如图4所示，在此污泥的质量浓度下，气水比由20：1降至15：1。在运行56h后，气水比降到18：1，此时DO的质量浓度下降速率最快，达到0.469mg／(L·h)，ρ(DO)为2.75 mg／L略高于MBR中需氧量。故此点仅为较佳点。最佳工作点气水比为17：1，ρ(DO)=1.9 mg／L，在此MLSS下气水比超过18：1后，ρ(DO）＞4.5mg／L远超过活性污泥新陈代谢需氧量，为减少曝气能耗，气水比宜控制在17：1。

　　综合以上3个阶段，DO变化速率随MLSS的降低而升高，在ρ(MLSS)分别为4.23，4.09，3.70mg／L的运行条件下，DO变化速率相应为0.175，0.201，0.469 mg／(L·h)，分析原因可能是由于MBR反应器内污泥的质量浓度的上升对DO的传质有一定的负面影响造成的。在最佳运行工况下，气水比随MLSS的下降而下降，且能有效的减少曝气量，节省能耗。
2.2 高污泥浓度下 DO对NH3-N去除效果的影响
　　在高污泥的质量浓度下，DO对NH3-N去除效果有一定的影响。而当ρ(MLSS)处于8～11g／L的运行条件下，改变气水比对调节反应器中DO的作用已相当小，能耗急剧增加。因此，对于经济的气水比而言，ρ(MLSS)为8.19g／L为本实验最佳的高污泥的质量浓度。
　　在平均ρ(MLSS)=8.19 g／L运行条件下，DO对NH3-N去除效果的影响如图5所示。随着溶解氧浓度的降低，氨氮的去除效果有逐渐升高的趋势，其去除率由81.16％上升至92.95％，分析原因可能是高MLSS下，污泥絮体外表面DO的质量浓度较高，以好氧菌和硝化菌为主；而其内部由于氧的传递受阻，产生缺氧区，反硝化菌占优势。而ρ(DO)>4.57mg／L时，此DO梯度由于外部DO过高，污泥絮体内部不易产生缺氧区，而导致反硝化反应进行不完全，氨氮处理效果随DO的上升而下降。在ρ(DO)<0.5 mg／L的运行条件下，氨氮处理效果相当不理想，去除率均在50％以下。这是由于在高污泥浓度的运行条件下，ρ(DO)<0.5mg／L，维持不了好氧菌和硝化菌的代谢需氧量，以致氨氮去除率最低降至18.91％。

　　综上所述，本实验阶段在平均ρ(MLSS)=8.19g／L，溶解氧的质量浓度保持在2.63～4.85 mg／L之间时，氨氮去除率可达90％以上，且氨氮去除效果随DO值的降低而提高。
2.3 DO对COD的去除效果的影响
　　在平均污泥的质量浓度为4.08mg／L的运行条件下，DO对COD的去除效果的影响如图6所示。试验结果表明，当DO处于过饱和状态，即水中ρ(DO）＞8.56mg／L(在20℃的条件下)，MBR具有良好的COD去除效果，其平均去除率可达95.68％。而随DO的降低，COD的去除效果有下降趋势。ρ(DO)在1.0～6.5 mg／L之间时，DO的下降对COD的去除效果没有明显影响，平均去除率保持在90％以上。当P(DO)<0.5 mg／L，在运行时间较短的条件下，MBR系统也能获得较好的去除率。由此可见，在MBR中，DO的变化对COD的去除效果并不显著。

3 结论

　　①本试样阶段在ρ(MLSS)分别为4.23，4.09，3.70g／L的运行条件下，MBR的最佳运行气水比相应为35：1，25：1，17：1，此时的DO能满足活性污泥的代谢的需氧量，并能有效的节省曝气能耗，降低经济成本。
　　②在IMBR中，DO变化速率随污泥的质量浓度的下降而升高。
　　③在IMBR中，DO的变化对COD的去除效，果并不显著。
　　④DO是影响MBR中氨氮处理效果的关键因素，在高污泥的质量浓度下，ρ(DO)保持在2.63～4.85mg／L之间时，氨氮去除率良好，氨氮的去除率随溶解氧的质量浓度的上升而下降，在低DO下，氨氮去除效果不佳。

参考文献：
　　[1]邹联沛，王宝贞，范延臻，等.SRT对膜生物反应器出水水质的影响研究[J].中国给水排水，2000，16(7)：16-18.
　　[2]顾平，罗虹，杨造燕，等.中空膜生物床处理生活污水的中试研究[J].中国给水排水，2000，16(3)：5-8.
　　[3]GanderM. Aerobic MBRs for domestic wastewater treatment：a　review with cost considerations[J].Separation and purification Technology，2000，20(18)：119-130，
　　[4]李军，傅金祥，汪力，等.IMBR法处理洗浴污水的试验研究[J].沈阳建筑工程学院学报，2003，19(1)：53-58.
　　[5]汪力，傅金祥，王长生，等.IMBR法处理生活污水的试验研究[J].沈阳建筑工程学院学报，2003，19(1)：50-52.

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作者简介：周晴(1980-)，女，广西桂林人，硕士研究生。