MABR技術(shù)在水體增氧和微污染水體水質(zhì)凈化中的應(yīng)用研究

葛誠 張悅 梁汀 段騰騰 胡邦

摘要：為改善微污染水體水質(zhì)，針對(duì)MABR技術(shù)在水體增氧和微污染水體水質(zhì)凈化效果進(jìn)行小試研究。結(jié)果表明：利用MABR技術(shù)對(duì)曝氣水體增氧，增氧效果遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)曝氣方式;通過對(duì)不同運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行增氧對(duì)比試驗(yàn)，確定最佳參數(shù)為膜尺寸10 m × 1 m、斷面流速為0.12 m/s、曝氣流量為3 m3/h;在最佳運(yùn)行參數(shù)下，確定單位膜面積溶解氧增量為0.3655 mg/L/m2以及增加1 mg/L溶解氧的氣體流量和膜面積比值為1.313 m3/m2;在最佳運(yùn)行參數(shù)下，對(duì)微污染水體進(jìn)行提質(zhì)試驗(yàn)，COD、TP、NH4+-N和TN去除率分別為73.08%、38.33%、95.75%和20.18%，優(yōu)于傳統(tǒng)曝氣。

Abstract： To improve the water quality of micro-polluted water， a small-scale study was conducted on the effect of MABR technology on water oxygenation and water purification of micro-polluted water. The results show that using MABR technology to increase oxygen in aerated water body is much better than traditional aeration method. Through the contrast experiment of oxygenation for different operating parameters， the best parameters are determined as membrane size 10 m × 1 m， cross-section flow rate 0.12 m/s and aeration flow rate 3 m3/h; Under the optimum operating parameters， it is determined that the increment of dissolved oxygen per unit membrane area is 0.3655 mg/L/m2， and the ratio of gas flow to membrane area with 1 mg/L dissolved oxygen is 1.313 m3/m2. Under the optimal operating parameters， the quality improvement test of slightly polluted water body shows that the removal rates of COD， TP， NH4+-N and TN are 73.08%， 38.33%， 95.75% and 20.18% respectively， and the purification effect is better than traditional aeration.

近年來，傳統(tǒng)生物水處理技術(shù)與其它學(xué)科，如材料科學(xué)、自動(dòng)化控制過程和膜科學(xué)交叉融合，成為水處理技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。生物膜法與富氧氣體分離膜的結(jié)合形成了無泡膜曝氣生物反應(yīng)器（MABR）水處理技術(shù)。MABR具有獨(dú)特的異向傳質(zhì)過程，即將生物膜分為三層，從內(nèi)到外依次為好氧層、兼氧層和厭氧層。因此，MABR可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物（COD）降解和含氮物質(zhì)脫除等集成強(qiáng)化功能[1]。目前，人們對(duì)MABR的研究主要集中于基礎(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域，大規(guī)模商業(yè)化工程應(yīng)用僅停留在小試和中試階段，且主要針對(duì)工業(yè)廢水。因此，需要加快該技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和工業(yè)化進(jìn)程。

城市河道水體污染通常是因?yàn)楣こ探ㄔO(shè)占用河道，造成水系不通，生活污水和工業(yè)廢水隨意排放，造成河道生態(tài)破壞，排入河道的污染物超出了河道水體的自凈能力，水體溶解氧降低，富營養(yǎng)化明顯，底泥在厭氧條件下產(chǎn)生硫化氫、氨氣等刺鼻性氣體以及鐵、錳硫化物等黑色物質(zhì)，甚至造成水體黑臭[2]。利用物理或者化學(xué)方法處理污染河道均不能達(dá)到理想的效果或者長(zhǎng)時(shí)間維持對(duì)污染物的削減作用，且這些方法施工、人力成本高，容易造成二次污染[3]。顯然，如果用MABR技術(shù)對(duì)河道水體污染物進(jìn)行處理，可能效果顯著且長(zhǎng)遠(yuǎn)，處理成本低，不會(huì)產(chǎn)生二次污染。但MABR在河道治理中的應(yīng)用很少。

本研究通過設(shè)計(jì)可控的小試裝置，對(duì)不同膜尺寸、曝氣流量和斷面流速下曝氣增氧效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，確定最佳曝氣條件，在此條件下完成MABR對(duì)微污染水體水質(zhì)凈化的研究。

1.試驗(yàn)裝置及方案設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)裝置

剖面如圖1所示，上下限位板為MABR膜提供支撐的同時(shí)可以保護(hù)進(jìn)氣管道可以順利彎曲進(jìn)而從圓筒中導(dǎo)出連接到外部的曝氣設(shè)備。卷曲的膜外存在保護(hù)外殼，可以有效減免水體中沙礫等細(xì)小尖銳物品對(duì)MABR膜的磨損以及在膜蜷曲時(shí)作為隔開物避免蜷曲導(dǎo)致膜損傷。上下出水口連接蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)水體自循環(huán)以及模擬真實(shí)河道中水體流動(dòng)。

1.2試驗(yàn)水源

本研究試驗(yàn)用水有兩種：一種是用于水體增氧研究用的自來水，另一種是模擬微污染水體的真實(shí)河水。其中，真實(shí)河水選用江南大學(xué)蠡湖校區(qū)內(nèi)河河水，河水水質(zhì)為pH為7.74、ORP為207 mV、COD為35 mg/L、NH4+-N為3.71 mg/L、TN為4.64 mg/L、TP為0.22 mg/L以及DO為2 mg/L。由于選用河道水質(zhì)比試驗(yàn)研究水質(zhì)要好，因此在選取的河水中外加營養(yǎng)物質(zhì)，使水質(zhì)達(dá)到研究用水。所添加的營養(yǎng)物質(zhì)以及配置所需的濃度值見表1。

1.3試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

常規(guī)條件下MABR增氧效果研究如下：利用氮?dú)鈱?shí)驗(yàn)裝置中自來水DO降低到1 mg/L，實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇如下：膜尺寸為10 m × 1 m、曝氣流量為3 m3/h、斷面流速為0.1 m/s。每隔2 h使用YSI Professional Plus多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)定裝置上取水口和中取水口處的DO濃度，共測(cè)定8次。隨后對(duì)不同膜尺寸、曝氣流量和斷面流速下增氧效果研究進(jìn)行相同處理和測(cè)定方式，其中膜尺寸設(shè)置為12 m × 1 m、10 m × 1 m和8 m × 1 m;曝氣流量設(shè)置為1 m3/h、2 m3/h和3 m3/h;斷面流速設(shè)定為0.12 m/s、0.1 m/s和0.6 m/s。

在完成水體增氧研究后，確定裝置最優(yōu)的運(yùn)行參數(shù)，并在此參數(shù)下完成微污染水體水質(zhì)凈化研究。每次實(shí)驗(yàn)分為對(duì)照組和MABR組，對(duì)照組不放入膜，MABR組放入膜，其它參數(shù)相同。測(cè)定水體NH4+-N、TN、TP和COD，測(cè)定時(shí)長(zhǎng)為12 d。

1.4 NH4+-N、TN、TP和COD測(cè)定方法

NH4+-N測(cè)定方法采用《中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ535—2009）納氏試劑分光光度法，該標(biāo)準(zhǔn)適用于地表水、地下水、生活污水和工業(yè)廢水中氨氮的測(cè)定;TN測(cè)定方法采用《中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 636—2012）堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，該標(biāo)準(zhǔn)適用于地表水、地下水、生活污水和工業(yè)廢水中總氮的測(cè)定;TP測(cè)定方法采用國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)》（GB11893—89）鉬酸銨分光光度法，該標(biāo)準(zhǔn)適用于地面水、污水和工業(yè)廢水;COD測(cè)定方法采用《中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ828—2017）重鉻酸鹽法，該標(biāo)準(zhǔn)適用于地表水、生活污水和工業(yè)廢水中化學(xué)需氧量的測(cè)定。

2.結(jié)果與討論

2.1常規(guī)條件下MABR增氧效果和分析

常規(guī)條件下MABR DO濃度變化如圖2所示。從圖2中可知，常規(guī)條件下，裝置運(yùn)行16 h后，中部取水口DO從1.68 mg/L上升到5.11 mg/L，上部取水口DO從1 mg/L上升到4.76 mg/L。其中，中部取水口處DO濃度一直高于上取水口處的DO濃度，可能是因?yàn)镸ABR設(shè)備是從底部開始曝氣，中部取水口處的位置更早有空氣從膜內(nèi)滲出到水體中。兩個(gè)取水口曝氣前4 h DO濃度增加較為緩慢，可能是曝氣前期MABR膜內(nèi)存在的空氣較少，需要曝氣量達(dá)到一定程度時(shí)MABR膜中才有足夠的氣體可以透過中空纖維膜滲入水中。曝氣一定時(shí)間后，水中DO濃度開始穩(wěn)定增加直至達(dá)到水中DO飽和。

2.2不同膜尺寸下MABR增氧效果和分析

不同膜尺寸上部和中部取水口DO濃度變化結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖3中可知，裝置運(yùn)行16 h后，膜尺寸為12 m × 1 m、10 m × 1 m和8 m × 1 m的裝置上部取水口處，DO濃度從1 mg/L分別上升到4.23 mg/L、4.68 mg/L和4.37 mg/L。此外，MABR膜尺寸為10 m × 1 m時(shí)，MABR設(shè)備為水體提供的溶解氧最多，明顯高于12 m × 1 m和8 m × 1 m的膜。從圖4中可知，裝置運(yùn)行16 h后，膜尺寸為12 m×1 m、10 m×1 m和8 m×1 m的裝置上部取水口處DO濃度從1 mg/L分別上升到4.76 mg/L、4.63 mg/L和4.66 mg/L。三種不同膜尺寸中部取水口DO濃度上升趨勢(shì)一致，沒有明顯區(qū)別。綜上所述，10 m×1 m的MABR膜可以為裝置創(chuàng)造最大量的DO。

2.3不同斷面流速下MABR增氧效果和分析

不同斷面流速上部和中部取水口DO濃度變化結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖5中可知，斷面流速分別設(shè)置為0.06 m/s、0.1 m/s和0.12 m/s條件下，裝置運(yùn)行16 h后，上部取水口DO濃度從1 mg/L分別上升為4.06 mg/L、3.64 mg/L和5.02 mg/L。相同曝氣時(shí)間內(nèi)，其它參數(shù)相同的情況下，斷面流速為0.12 m/s時(shí)，MABR裝置的復(fù)氧效果最好。從圖6中可知，實(shí)驗(yàn)裝置斷面流速分別設(shè)置為0.06 m/s、0.1 m/s和0.12 m/s條件下，裝置運(yùn)行16 h后，中部取水口DO濃度從1 mg/L分別上升為3.64 mg/L、4.52 mg/L和5.30 mg/L。相同曝氣時(shí)間內(nèi)，其它參數(shù)相同情況下，斷面流速為0.12 m/s時(shí)，MABR裝置的復(fù)氧效果最好。綜上所述，為確保MABR裝置為水體提供更多的DO，斷面流速應(yīng)選擇為0.12 m/s。

2.4不同曝氣流量下MABR增氧效果和分析

不同曝氣流量上部和中部取水口DO濃度變化結(jié)果如圖7和圖8所示。從圖7中可知，實(shí)驗(yàn)裝置曝氣流量分別設(shè)置為3 m3/h、2 m3/h和1 m3/h時(shí)，裝置運(yùn)行16 h后，上部取水口DO濃度從1 mg/L分別上升為5.30 mg/L、3.51 mg/L和3.87 mg/L。曝氣流量為3 m3/h時(shí)，復(fù)氧效果最佳，其次是1 m3/h，2 m3/h復(fù)氧能力最弱。從圖8中可知，實(shí)驗(yàn)裝置曝氣流量分別設(shè)置為3 m3/h、2 m3/h和1 m3/h時(shí)，裝置運(yùn)行16 h后，上部取水口DO濃度從1 mg/L分別上升為4.06 mg/L、3.61 mg/L和3.93 mg/L。曝氣流量為3 m3/h和1 m3/h時(shí)的復(fù)氧能力接近且均大于2 m3/h時(shí)的復(fù)氧能力。綜上所述，曝氣流量為3 m3/h時(shí)，MABR復(fù)氧效果最好。

2.5 MABR技術(shù)在微污染水體水質(zhì)凈化效果研究

為考察微污染水體在MABR技術(shù)和常規(guī)曝氣下，水體中NH4+-N、TN、TP和COD的變化，對(duì)兩種情況下的水體進(jìn)行12 d的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。COD濃度變化如圖9所示，TP濃度變化如圖10所示，NH4+-N濃度變化如圖11所示，TN濃度變化如圖12所示。

由圖9可知，MABR組和對(duì)照組對(duì)于COD的去除均有一定效果，其中MABR組的COD去除率為73.08%，對(duì)照組COD去除率為51.92%。MABR組對(duì)于COD的去除效果明顯優(yōu)于對(duì)照組?？赡苁且?yàn)镸ABR的無泡曝氣特點(diǎn)導(dǎo)致供氧傳質(zhì)阻力較小而實(shí)現(xiàn)較高的氧轉(zhuǎn)移效率[4]，以及膜外的生物膜結(jié)構(gòu)中生物膜表層的污染物濃度最高但是溶解氧濃度最低，而在靠近曝氣膜的生物膜內(nèi)層，污染物濃度達(dá)到最低但溶解氧濃度卻最高。

由圖10可知，MABR組TP濃度變化范圍為0.74～1.20 mg/L，對(duì)照組TP濃度變化范圍為0.92～1.20 mg/L。兩者對(duì)于TP的去除率分別為38.33%和23.33%。可以看出，MABR技術(shù)對(duì)于TP的去除效果并不明顯，可以是因?yàn)樵谡麄€(gè)試驗(yàn)處理過程中，沒有污泥從水體排出，被磷酸鹽積聚的生物體（PAOs）吸收的磷可能會(huì)釋放回水中[5]，從而導(dǎo)致TP去除效果不明顯。另外，磷的初始濃度為1.0 mg/L左右，相比于工業(yè)污水、城市生活污水濃度在幾十到幾百mg/L左右，濃度較低，或許也是影響其降解效果的因素[6]。

由圖11可知，MABR組NH4+-N濃度變化范圍為0.26～6.12 mg/L，對(duì)照組NH4+-N濃度變化范圍為0.73～6.04 mg/L。對(duì)照組和MABR組的NH4+-N去除效果都很明顯，并且MABR組的效果更好。由于曝氣的作用，水體中DO濃度升高，硝化作用增強(qiáng)，導(dǎo)致NH4+-N降解。

由圖12可知，MABR組TN濃度變化范圍為20.25～25.37 mg/L，TN去除率為20.18%;對(duì)照組TN濃度變化范圍為22.46～25.14 mg/L，TN去除率為10.67%。曝氣有助于TN濃度的降低，且MABR技術(shù)效果更佳。由于亞硝酸鹽非常容易被氧化為硝酸鹽[7]，且長(zhǎng)期曝氣水中有機(jī)氮含量較小，因此我們認(rèn)為NH4+-N濃度和NO3--N的變化可近似反映TN的變化，結(jié)合圖11中NH4+-N快速降解，可知存在NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N的過程。

3.結(jié)論與建議

（1） 最優(yōu)的運(yùn)行參數(shù)為：膜尺寸10 m × 1 m、斷面流速為0.12 m/s、曝氣流量為3 m3/h;

（2） 該材料的MABR膜增加1mg/L溶解氧的氣體流量和膜面積比值為1.313 m3/m2;

（3） 利用MABR技術(shù)凈化微污染河道水體，對(duì)COD的去除率可達(dá)到73.08%，對(duì)TP的去除率可達(dá)到38.33%，對(duì)NH4+-N的去除率為95.75%，對(duì)TN的去除率為20.18%。

（4） 本次試驗(yàn)用水微生物活性較低，如果通過接種活性污泥來提高微生物活性，可以進(jìn)一步增加污染物的去除。

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