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膜生物反应器臭氧化同步污泥减量新工艺的研究


第 29 卷第 4 期 2009 年 4 月

现代化工 Modern Chemical Industry

Apr. 2009 37

科研与开发

膜生物反应器臭氧化同步污泥减量 新工艺的研究
吴声东1 , 江水英1 , 万金保 2, 王 嵘3 ( 1. 南昌大学科学技术学院, 江西 南昌 330029; 2. 南昌大学环境科学与工程学院, 江西 南昌 330031; 3. 江西农业大学国土资源与环境学院, 江西 南昌 330045)
摘要: 提出将臭氧直接充入到 MBR 中的同步臭氧化污泥减量新工艺, 考察了同步臭氧化对 MBR 污泥产 率及出水水质的 影 响。结果表明臭氧投加量为 0 025 gO3 / gVSS 时, 同步 臭氧化对 MBR 具有 显著的 污泥减 量效果, 污泥产 率系数 Yobs为 0 0096 g ( MLSS) / g( COD) , 而对比工艺污泥产率系数 Yo bs为 0 1147 g( MLSS ) / g( COD) , 同时对 COD 和 NH + - N 的去除 率分别维持在 91% 4 和 95 7% 以上。 关键词: 污泥减量; 同步臭氧化; MBR 中图分类号: X703. 1 文献标识码: A 文章编号: 0253- 4320( 2009) 04- 0037- 03

A new process concept of in situ ozonation for sludge reduction in membrane bioreactor ( MBR)
WU Sheng dong1 , JIANG Shui ying1 , W Jin bao2 , WANG Rong3 AN
( 1. College of Science and T echnology, Nanchang University, Nanchang 330029, China; 2. School of Environmental Science and Eng ineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China; 3. College of Land Resources and Environment, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China) Abstract: A new process concept of in situ ozonation for sludge reduction in membrane bioreactor ( MBR) is proposed to investigate the effects of in situ ozonation on sludge production rate and effluent quality of MBR, which makes the MBR exposed to ozone at a dose of 0 025 gO3/ gVSS directly. The results show that in situ ozonation is able to reduce markedly the sludge production rate of the MBR, with a sludge production rate of 0 0096 gMLSS/ gCOD but the sludge production rate of the contrast process is 0 1147 gMLSS/ gCOD, and the removal rates of COD and NH+ N are above 91% and 95 7% respectively. 4 Key words: sludge reduction; in situ ozonation; MBR

活性污泥法产生大量剩余污泥的处理和处置成 本较 高, 占 污 水 处 理 厂 总 运 行 费 用 的 25% ~ 60%
[ 1]



[ 3- 10]

( 都是 将臭氧与 MBR 联用) , 笔者将臭 氧直

接加入膜生物反应器中进行同步污泥减量实验, 实 验表明, 该方法成本更低, 具有兼容性和推广价值。

。在各种污泥减量技术中( 改变工艺运行条

件、 物理化学法强化隐性生长、 解偶联代谢及微型动 物捕食等) , 臭氧因其污泥减量效果好、 无二次污染、 易于与现行的污水处理工艺相结合等特点, 具有广 阔前景
[ 2]

1
1 1

实验装置与方法
实验装置 实验装置如图 1 所示。2 个相同的 MBR 反应器

。当前关于臭氧化污泥减量技术的研究基

本认同臭氧对污泥减量具有很好的效率, 但其经济 性一直限制着该技 术的工业化应 用。在所见 报道 中, 未见将臭氧直接加入到生物反应器中进行污泥 减量的研究, 而是通过一个臭氧接触器后再将污泥 回流至生物反应器
[ 2]

同时运行, 一个作为对照系统, 一个作为同步臭氧化 系统。反应器均用 有机玻璃自制而成, 尺 寸为 200 mm 700 mm, 有效体积 13 L, 底部装有孔 径为 200 m 的半刚玉微孔曝气头, 由空气压缩机进行曝气。 污水由潜水泵 5 打入反应器 7 中, 空气和臭氧 各自由鼓风机 1 和臭氧发生器 13 通过微孔曝气头 3

。为节约该技术的投资和运行

成本, 受吴金玲、 Schlichter 和 B. S. Karnik 等 的启 B.
收稿日期: 2008- 12- 16

基金项目: 国家科技支撑计划课题( 2007BAB23C02) ; 中德国际科技合作项目( 2006DFB91920) 作者简介: 吴声东( 1981- ) , 男, 硕士, 助教, 主要研究方向为水污染控制及资源化技术、 污泥减量, wsd10162003@ yahoo. com. cn。

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现代化工

第 29 卷第 4 期

中, 污泥浓度增长迅速, 而投加臭氧的同步减量工艺 污泥质量浓度在 60 d 天内只增长了 513 mg/ L。

1 5

鼓风机; 2

气体流量计; 3 微孔曝气头; 4

废水箱;

潜水泵; 6 液体流量计; 7 右边为同步臭氧化系统 B) ; 8 10 电磁阀; 11 蠕动泵; 12

反应器( 左边为对照系统 A, 取样口; 9 尾式膜组件; 液位计; 13 臭氧发生器;

图 2 A、 两反应器污泥的变化 B 用污泥产率系数 Yobs来表征污泥减量的效果。 A、 两反应器在 60 d 内的 Yobs 见图 3。A 反应器中 B 的污泥产率系数 Yobs为 0 1147 g( MLSS) / g( COD) , B 反应 器的 污泥 产率 系数 Yobs 为 0 0096 g ( MLSS ) / g( COD) , 均大大小于传统的活性污泥工艺的污泥产 率系数
[ 14- 15]

14 氧气罐

图 1 实验装置示意图 进入反应器中与活性污泥进行反应, 水力停留时间 为 6 h, 出水由蠕动泵 11 将水从尾式膜组件 9 中抽 出, 并利用一套自制的 PLC 自动控制装置将膜控制 为出水 8 min, 间歇 3 min 以减缓膜污染。 该实验处理废水为人工模拟配制, 以葡萄糖、 氯 化铵、 磷酸二氢钾、 磷酸氢二钾等营养源按 BOD5 / N/ P 为 100 5 1 之比配制, 并投加适量微量元素。人 工配制的生活污水水质和微量元素组分见表 1。
表 1 人工配水水 质及微量元素组成
水质/ mg LCOD
+ NH4 1

, 且 B 反应器接近于污泥零排放, 这可

能与该实验的实验条件有利于 提高臭氧的利 用效 率, 特别是利 用微孔 曝气 头进 行充入 臭氧 等因 素 有关。

质量 微量元素 浓度/ g L1

质量 微量元素 浓度/ g L- 1 0 015 0 112 0 0025

指标

500~ 600 CaCl2 2H 2 O -N 50~ 60 4~ 6 MgCl2 6H2 O MnCl2 4H 2O

7 34 ZnSO4 5H 2O 25 07 CuCl2 2H 2 O 1 03 NaMnO4 2H 2O

TP

图 3 A、 两反应器污泥表观产率系数图 B 2 2 同步臭氧化出水水质的影响

注: 1 L 污水加入配水中微量元素的量为 0 1 mL。

2 2 1 同步臭氧化对出水 COD 的影响 1 2 实验方法 采用完全同步运行的 2 个 MBR 系统, 其中一个 直接投加剂量为 0 025 g/ g 的臭氧进行同步臭氧 化减量实验, 而另一个 则作为对比工 艺, 不充 入臭 氧。分析同步臭氧化对 MBR 污泥产率和出水水质 的影响。用污泥产率系数 Yobs来表示污泥的减量效 果, 污泥产率系数 Yobs 定义为微生物降解单位质量 的化学需 氧量( COD) 所产 生的悬浮固 体( SS) 的 量 ( mg) [ 12] 。出水 COD 和 NH 3- N 指标的测试方法参见 文献[ 13] 。
[ 11]

1 进水; 2

B 出水; 3 A 出水

图 4 进水和出水 COD 的变化 图 4 给出了污泥同步减量工艺及对比工艺进水 和膜出水 COD 的变化。两反应器进水水质一致, 控 制在 500~ 600 mg/ L 内, 在运行 60 d 的过程中, A 反 应器的出水水质较好, COD 在 25 mg/ L 左右, 去除率

2
2 1

结果与讨论
同步臭氧化对污泥产率的影响 两系统 MLSS 的变化如图 2 所 示, 在对比 工艺

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吴声东等: 膜生物反应器臭氧化同步污泥减量新工艺的研究

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稳定在 94% 以上。这得益于膜的高去除效率, 且该 实验所用的反应器为圆柱形, 底部用半刚玉曝气头 密封。曝气启动后, 整个反应器内气流均匀, 没有污 泥闲置死角, 这种结构优于传统反应器曝气装置的 设置。所 以 COD 去 除 效 果 高 于 已 见 的 文 献 报 道[ 16] , 当然这也可能与反应条件有关。 B 反应器出水 COD 较 A 反应器有所升高, 这是 因为臭氧的强氧化性将部分污泥絮体结构和微生物 细胞破坏, 使得污泥中的有机物浓度高于对比系统, 换言之, B 反应器的有机负荷高于 A, 高出的部分等 于系统减 少的 COD 和被 臭氧 直接 氧化 的 COD 之 和。所以臭氧化污泥同步减量工艺的出水 COD 随 有机负荷的升高而略有增加。尽管如此, 但 B 反应 器出水 COD 都维持在 50 mg/ L 以下, 去除率稳定在 91% 以上。加入臭氧后并未导致出水 COD 含量的 显著增加, 可见臭氧化对系统的出水 COD 没有明显 的影响, 这更体现了 MBR 系统的稳定性。 2 2 2 同步臭氧化对出水氨氮( NH 3- N) 的影响 臭氧化污泥同步减量工艺和对比工艺进水和膜 出水 NH4 - N 浓度如图 5 所示。未加臭氧的对比工 艺 A 中, MBR 表现出较稳定的 NH3- N 去除效果, 出 水 NH + - N 质量浓度一直保持在 1 78 mg/ L 以下, 4 平均去除率为 97 9% 。较高的 硝化能力主要 因为 污泥停留时间较长, 有利于硝化菌的生长。投加臭 氧的 B 反 应器出水 NH 4 - N 质量浓度 保持在 3 0 mg/ L 以下, 平均去除率为 95 7% 。这较对比工艺, 出水 NH + - N 浓 度 有 一 定 升 高, 去 除 率 下 降 了 4 2 2% , 可见臭氧化对系统的出水水质影响不大, 且 能满足出水的要求。
+ +

硝化能力基本没有影响, 可能是因为反应器中污泥 长时间的停留弥补了硝化菌 SRT 的减小[ 18] 。且该 实验 中 A 反 应器 的 NH + - N 去 除率 高 于蒋 轶 锋 4 等[ 16] 的 研 究 结 论 ( 其 实 实 验 得 到 的 去 除 率 为 95 48% ) , 这 可 能与 该 实验 的 污泥 停 留时 间 较 长 有关。

3

结语
臭氧能够促进细胞溶解, 通过强化系统中细菌

的隐性生长而实现污泥减量, 但在低臭氧浓度下, 并 不会对整个微生物系统造成破坏性的影响。在臭氧 投加量为 0 025 g( O3 ) / g( VSS) 时, 直接投加臭氧对 MBR 系统具有较好的污泥减量效果, 也并不会对系 统的出水水质形成太大的影响, 出水 COD 去除率稳 + 定在 91% 以上, NH4 - N 去除率较对比工艺只下降 了 2 2% 。 参考文献
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1 进水; 2

B 出水; 3 A 出水

图 5 进水和出水 NH 3- N 的变化 在水处理中, - N 等污染物的去除 属于专 属细菌的作用所致。在臭氧化过程中臭氧会杀死污 泥中部分硝化细菌[ 17] , 这样硝化菌在污泥系统中的 存活时间( SRT ) 就大大缩短, 这对系统的 NH + - N 去 4 除效果有一定的影响。但该实验中臭氧化对系统的
+ NH4

( 下转第 41 页)

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温青等: 微生物燃料电池对废水中对硝基苯酚的去除

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得到电流, 进而得到极化曲线。功率密度通过 P V = UI / V( mW/ m ) 计算, 其中 V 为反应液体积, m 。 阳极室测定对硝基苯酚和 COD 的采样 频率为 每天 1 次。每次采完水样, 以测定后的有机物及对 硝基苯酚浓度配置废水, 及时补充到阳极室内, 保证 阳极室内溶液体积恒 定。COD 采用重铬酸钾 法测 定; 对硝基苯酚浓度采用紫外分光光度法测定。
3 3

效果, 证明了 MFC 降解对硝基苯酚的可行性, 同时 该技术具有一定的耐冲击负荷能力, 这为酚类及其 他难生物降解化合物的处理提供了新的思路。 2 2 MFC 的产电特性 2 2 1 MFC 的输出电压 加入葡萄糖和对硝基苯酚( 400 mg/ L) 混合溶液 为燃料, 在外接电阻 1 000 条件下, 采用间歇方式 运行, MFC 的输出电压和电池中混合液的 COD 质量 浓度随时间的变化如图 2 所示。加入混合燃料后, MFC 输出电压随时间的 变化情况可以分为以 下几 个过程: 开始加入混 合燃料后, MFC 的输出 电压 迅速增加, 在短时间内达到最高值 0 293 V, 这是因 为加入燃料后, 微生物所需的营养物质充足, 其降解 有机物的速率较高; 达到最高值后, MFC 的 电压 在 0 29 V 左右稳定输出近 3 h, 但随后 MFC 的输出 电压快速下降到 0 27 V 左右; MFC 的输出电压随 着时间的增加缓慢下降, 到运行 135 h 左右时, MFC 的输出电压降至 0 2 V, 运行至近 144 h, 电压 降至 0 18 V。

2

结果与讨论
在实验室以前运行的以葡萄糖溶液为 燃料的

MFC 中, 加入 葡萄糖 和对 硝基 苯酚混 合溶 液进 行 MFC 的 运行, 研究 对硝基苯酚在 MFC 中的降 解情 况, 并考察 MFC 的产电性能。 2 1 MFC 中对硝基苯酚的降解 以葡萄糖和不同量的对硝基苯酚混合溶液作为 MFC 的燃料, 考察初始质量浓度分别为 22 5、 5、 71 113 0、 0 mg/ L 的对硝 基苯酚的降解情况, MFC 400 中对硝基苯酚的降解随时间的变化如图 1 所示。随 着 MFC 运行时间的增长, 对硝基苯酚的浓度逐渐降 低, 其去除率不断增加。在 22 5~ 400 0 mg/ L 较宽 的范围内, MFC 对对硝基苯酚的去除均有较好的

1

电压; 2

COD 质量浓度

图 2 MFC 输出电压和 COD 质量浓度随时间变化 另外, 由图 2 中 COD 质量浓度随时间的变化曲 线可以看出, 随着运行 时间的增加, 阳极液中 COD 的质量浓度不断降低, 运行 144 h, COD 的质量浓度 由 4 450 mg/ L 降低到 682 mg/ L, 去除率为 85% 。从 MFC 阳极室中有机物总量( COD) 来看, 有机物( 即混 合燃料中的对硝基苯酚和葡萄糖) 在阳极室微生物 图1 以葡萄糖和不同浓度的 p- NP 为混合 的作用下基本可实现完全分解。 2 2 2 MFC 的极化曲线和功率曲线 加入葡萄糖与对硝基苯酚( 400 mg/ L) 混合燃料,
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燃料时 MFC 中 p- NP 的降解随时间的变化 ( 上接第 39 页)
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