生活污水中含有大量有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，若未經(jīng)有效處理直接排入天然水體會(huì)導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化，另外也會(huì)造成水資源的巨大浪費(fèi)。因此，條件許可情況下應(yīng)考慮對(duì)生活污水進(jìn)行再生利用處理。在眾多處理技術(shù)中，膜生物反應(yīng)器(MBR)具有處理效率高、出水水質(zhì)好、占地面積小、剩余污泥少等優(yōu)點(diǎn)[1, 2, 3]，近年來引起人們的廣泛關(guān)注。
為進(jìn)一步提高M(jìn)BR的處理效能，筆者擬在常規(guī)膜生物反應(yīng)器(MBR)的曝氣池中種植水生植物，將MBR改造為生態(tài)式膜生物反應(yīng)器(EMBR)[4]，并采用EMBR處理生活污水 ，以去除水中的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
EMBR曝氣池的尺寸為1 500 mm×667 mm× 2 000 mm，有效容積為2 m3。反應(yīng)器處理能力為200 L/h，水力停留時(shí)間(HRT)為10 h，污泥停留時(shí)間(SRT)為10 d。在曝氣池的水面上放置塑料泡沫，利用塑料泡沫固定、種植水生植物，試驗(yàn)種植的水生植物為蘆葦。在曝氣池一側(cè)安裝PVDF中空纖維膜組件，膜孔徑為0.2 μm。采用蠕動(dòng)泵抽吸出水，運(yùn)行方式為開8 min、停2 min。膜出水管上安裝真空表，當(dāng)真空表壓力到達(dá)20 kPa時(shí)停止運(yùn)行，對(duì)膜組件進(jìn)行清洗。膜組件下方安裝曝氣頭，提供微生物進(jìn)行新陳代謝所必需的溶解氧，并利用氣泡沖刷膜絲表面，控制膜污染。EMBR的工藝流程如圖1所示。
圖1 EMBR工藝流程
1.2 試驗(yàn)方法
采用EMBR處理某居民小區(qū)生活污水，每周從進(jìn)水管和膜出水管中各取樣3~4次，檢測(cè)指標(biāo)為COD、BOD5、NH3-N、TN和TP，試驗(yàn)周期超過3個(gè)月。將試驗(yàn)結(jié)果與曝氣池中未種植水生植物的MBR進(jìn)行比較，對(duì)EMBR去除有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的效能進(jìn)行研究。
試驗(yàn)期間，曝氣池內(nèi)水溫介于16.5~22.8 ℃，DO為(1.0±0.2) mg/L，膜通量為10 L/(m2·h)，蘆葦生物量約為7 510 g/m2，蘆葦根系附著的生物膜量約為 1 470 mg/L。曝氣池內(nèi)MLSS為3 670~3 810 mg/L，MLVSS為2 530~2 604 mg/L。試驗(yàn)期間原水水質(zhì)情況見表1。
1.3 檢測(cè)項(xiàng)目及方法
COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，BOD5采用生化需氧量標(biāo)準(zhǔn)法測(cè)定，NH3-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，TN采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測(cè)定;TP采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定，MLSS、MLVSS采用重量法[5]測(cè)定。DO用溶解氧儀測(cè)定，pH由pH計(jì)測(cè)定。
生物膜量的測(cè)定：取出所有蘆葦，將根系上附著的生物膜清除下來，烘干、稱重，所得質(zhì)量與曝氣池有效容積的比值即為生物膜量。蘆葦生物量的測(cè)定：清除根系附著的生物膜后，將蘆葦置于室溫下晾至表面附著水消失，此時(shí)蘆葦稱重所得質(zhì)量與曝氣池有效平面面積的比值即為蘆葦?shù)纳锪俊?/P>
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 對(duì)COD的去除效果
試驗(yàn)期間MBR和EMBR對(duì)COD的去除效果均較為穩(wěn)定，其中MBR對(duì)COD的去除率介于87.3%~92.8%，平均去除率為90.2%，EMBR對(duì)COD的去除率介于93.2%~97.2%，平均去除率為95.7%，可見EMBR對(duì)COD的去除效果明顯優(yōu)于MBR(見圖2)。
圖2 MBR與EMBR對(duì)COD的去除效果
2.2 對(duì)BOD5的去除效果
生活污水的可生化性較好，試驗(yàn)期間MBR和EMBR對(duì)BOD5均表現(xiàn)出良好的去除效果，且去除效果均較為穩(wěn)定。其中MBR對(duì)BOD5的去除率介于88.2%~93.8%，平均去除率為91.1%，而EMBR對(duì)BOD5的去除率介于94.1%~98.8%，平均去除率為97.3%。很明顯，EMBR能夠在MBR的基礎(chǔ)上進(jìn)一步去除生活污水中的BOD5(見圖3)。
圖3 MBR與EMBR對(duì)BOD5的去除效果
2.3 對(duì)NH3-N的去除效果
由于膜分離技術(shù)的介入，MBR的HRT與SRT相分離，反應(yīng)器可在較低的HRT與較高的SRT條件下運(yùn)行，而較高的SRT有利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，可提高反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除效果。考察了MBR與EMBR對(duì)NH3-N的去除效果，如圖4所示。
圖4 MBR與EMBR對(duì)NH3-N的去除效果
由圖4可知，MBR和EMBR均表現(xiàn)出良好的去除氨氮的效果，兩者對(duì)NH3-N的去除率均超過90%。其中MBR對(duì)NH3-N的平均去除率為92.8%，而EMBR對(duì)NH3-N的平均去除率為97.3%。
2.4 對(duì)TN的去除效果
一般而言，生物脫氮過程可分為2個(gè)步驟，第1個(gè)步驟是在好氧條件下的硝化反應(yīng)過程，第2個(gè)步驟是在缺氧條件下的反硝化反應(yīng)過程。在普通好氧式MBR中，好氧條件下的硝化反應(yīng)過程進(jìn)行得較為徹底，反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除效果較好，但由于缺少缺氧環(huán)境，反硝化反應(yīng)過程受到嚴(yán)重影響。因此好氧式MBR的脫氮效果較差。為了進(jìn)一步提高M(jìn)BR的脫氮效果，在試驗(yàn)過程中將DO控制在較低的水平(1.0 mg/L左右)，期望能在活性污泥內(nèi)部實(shí)現(xiàn)缺氧或厭氧微環(huán)境以實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化，然而從檢測(cè)結(jié)果來看，MBR的脫氮效果仍然不是很理想。MBR與EMBR對(duì)TN的去除效果如圖5所示。
圖5 MBR與EMBR對(duì)TN的去除效果
由圖5可知，MBR對(duì)TN的平均去除率僅為38.6%，脫氮效果較差，而EMBR對(duì)TN的平均去除率為48.7%，取得了較好的脫氮效果。
2.5 對(duì)TP的去除效果
考察了MBR與EMBR對(duì)TP的去除效果，如圖6所示。
圖6 MBR與EMBR對(duì)TP的去除效果
生物除磷過程也需要2個(gè)步驟，一個(gè)是厭氧條件下聚磷菌的釋磷過程，另一個(gè)是好氧條件下聚磷菌的吸磷過程。由圖6可知，MBR和EMBR均取得了良好的除磷效果，分析其原因應(yīng)該與DO濃度較低、SRT較小有關(guān)，DO較低有利于在活性污泥內(nèi)部和反應(yīng)器局部形成厭氧微環(huán)境，而SRT較小則有利于及時(shí)排除高磷污泥。另外，試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)顯示EMBR的除磷效果稍優(yōu)于MBR，MBR對(duì)TP的平均去除率為76.2%，而EMBR對(duì)TP的平均去除率為79.3%。
2.6 討論
水生植物能夠有效去除水中的有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。魏東慧等的研究結(jié)果表明，水田薺對(duì)TN、TP、NH3-N、COD的去除率分別為75.28%、93.00%、76.35%、83.74%，燈芯草對(duì)TN、TP、NH3-N、COD的去除率分別為89.30%、83.11%、83.41%、78.56%[6]。常會(huì)慶等的研究結(jié)果表明，伊樂藻對(duì)TN、TP、COD的去除率分別為62.9%、71.21%、43.33%，黃花水龍對(duì)TN、TP、COD的去除率分別為93.56%、97.74%、52.49%[7]。魏曉慧等的研究結(jié)果表明，蘆葦對(duì)TN、TP、NH3-N、COD的去除率分別為66.82%、53.15%、25.57%、50.57%[8]。
水生植物去除有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的作用機(jī)理主要包括以下幾種：(1)植物的吸收作用。水生植物可以直接從水體和底泥中吸收氮、磷，并將其同化為自身的結(jié)構(gòu)組成物質(zhì)。(2)微生物的降解作用。水生植物根系發(fā)達(dá)，比表面積較大，在根系表面可以附著生長(zhǎng)生物膜，對(duì)有機(jī)物進(jìn)行生物降解。(3)吸附、沉降作用。水生植物的根系表面可以吸附或黏附水體中的膠體[9]，從而起到去除污染物的作用。另外，水生植物在光合作用過程中可通過離子交換吸附以及自身的分泌物對(duì)一些礦質(zhì)元素(如Zn)起到螯合沉積作用[10]。
EMBR中不僅有活性污泥，在蘆葦根系表面還附著相當(dāng)數(shù)量的生物膜，微生物總量約為MBR的1.3倍，因此，EMBR具有很強(qiáng)的生物降解能力，能夠在MBR基礎(chǔ)上進(jìn)一步去除COD和BOD5;由于生物膜的SRT比活性污泥長(zhǎng)，更有利于世代周期長(zhǎng)的硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，因此EMBR的硝化能力比MBR強(qiáng);在DO濃度較低的情況下，EMBR不僅能夠在活性污泥內(nèi)部形成厭氧微環(huán)境，還能在生物膜內(nèi)部形成厭氧微環(huán)境，從而提高反應(yīng)器的反硝化能力，進(jìn)而提高脫氮效果;EMBR對(duì)TP去除率的提高可能與生物膜上附著微生物的同化作用有關(guān)[11, 12]。另外，蘆葦?shù)奈兆饔靡彩侨コ袡C(jī)物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的原因之一。蘆葦通過同化作用吸收有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)合成自身的組成物質(zhì)，最終達(dá)到凈化污水的目的。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)EMBR能夠有效去除有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)COD、BOD5、NH3-N、TN、TP的平均去除率分別為95.7%、97.3%、97.3%、48.7%、79.3%。
(2)EMBR處理效能的提高應(yīng)該主要?dú)w功于蘆葦根系附著的生物膜，生物膜可使EMBR對(duì)有機(jī)物及氮、磷的去除能力得到提高。另外，蘆葦?shù)耐兆饔靡彩荅MBR處理效能提高的原因之一。
(3)EMBR可作為分散式的小型污水再生利用裝置，對(duì)污水進(jìn)行就近處理、就近回用，其處理效率高且能美化環(huán)境。在反應(yīng)器運(yùn)行過程中應(yīng)關(guān)注水生植物的管理、收割以及在冬季的保溫。由于水生植物種植在曝氣池中，而曝氣池占地面積很小，因此水生植物的維護(hù)管理工作量不大，便于收割、易于控制。另外，由于EMBR占地面積很小，可將其因地制宜地安置于建筑物內(nèi)(例如地下室中)，且由于生活污水在冬季的水溫一般也較高，水生植物在冬季的保溫工作難度不大。
