生物资源技术 100(2009)3820-3824内容列表提供在ScienceDirect生物资源技术期刊主页:www.elsevier.com/locate/biortech在一个A2O-MBR反应器中实现污泥的脱氮除磷技术J. Rajesh Banu, Do Khac Uan, Ick-Tae Yeom * 土木及环境工程部门,SungKyunKwan大学,300,Chunchun-dong Jangan-gu,Suwon-Si,440-746、韩国，文章相关信息 文章来源2008年7月20日收录修正于2008年12月11日2008年12月15日通过2009年2月25日发布在网上关键词 A2O反应器MBR脱氮除磷技术TMP摘要在目前的研究中,一种先进的污水处理工艺研制出了在A2O-MBR过程合并减少剩余污泥和回收磷的技术。A2O-MBR反应器在17LMH流量下连续运行210天。然后在两周内逐步提高设计流量。这座反应器运行在两种不同的MLSS范围。热化学消化污泥运行在一个固定的pH值(11)和温度(75)下，可溶解的COD含量为25%。释放出的磷通过沉淀，转化为有机物等过程被送回厌氧罐。污泥的厌氧消化对COD和总磷的去除没有任何影响。反应器在210天的运行中,MBR通过膜过滤压差保持相对稳定。研究结果表明,所提出的流程配置在不降低处理水水质的情况下，有可能减少剩余污泥的产生。2008年Elsevier Ltd。版权所有。1.引言剩余污泥的减少和脱氮除磷是污水处理厂两个相关的重要课题。MBR过程由于具有更长的污泥龄，所以处理程度更高,污泥的产量相对较低(Wen et al., 2004)。在MBR反应器内污泥的产量大概降低28-68%，这取决于所用的污泥龄(Xia et al.,2008)。然而，通过减少污泥龄来降低污泥产量是受到限制的，因为生物膜上聚集太多的MLSS可能会有潜在的危害(Yoon et al., 2004)。在MBR反应器内这个问题可以通过引进污泥分解技术来解决。据报道，污泥分解技术可以提高污泥的可生化性能 (Vlyssides and Karlis, 2004)。总体来说，污泥的消化分解和生化处理是污泥减量化处理的基础。最新的技术提供了一些很有前途的污泥分解技术，包括：超声波分解(Guo et al., 2008)、脉冲动力分解(Choi et al.,2006)、臭氧氧化(Weemaes et al., 2000)、热分解(Kim et al., 2003)、碱催化分解(Li et al., 2008)、酸催化分解(Kim et al., 2003)、热化学分解(Vlyssides and Karlis, 2004)。在这些分解技术中，热化学分解法被认为是最简单而且最有效的方法(Weemaes and Verstraete, 1998)，在热化学分解法中，氢氧化钠水解法又被认为是最为有效的方法，(Rocker et al., 1999).。 一般来说，在A2O工艺过程中既可以脱氮也可以除磷。同时，这对在一个构筑物内，通过一系列的工艺，同步去除有机物也是很有利的(Tchobanoglous et al., 2003).。磷的去除主要是在有氧与缺氧交替的情况下通过聚磷微生物的过度摄取而达到的。在污泥的预处理中，一定量的可溶解磷将被投加，它可以增加磷在污水中的聚合度(Nishimura, 2001)。所以，在这些可溶解磷进入河流之前一定要去除掉。此外，工业化对磷资源的需求在不断地增长，在许多发达国家，一些研究已经开始着手从剩余污泥中提取磷资源，释放的磷通过钙盐沉淀析出的方法提取。考虑到这种情况，在最近的研究中，一些新式的处理工艺已经将三个过程整合在一起：一：在MBR工艺中进行热化学分解以进行污泥减量化处理；二：A2O工艺进行生物脱氮除磷；三：通过钙盐沉淀析出提取磷。取得的数据然后用来评价这种混合系统的性能。2.方法2.1 废水经过预处理的废水作为原水流入。这种进水中含有混合碳源、大量的营养元素、一个碱度控制系统(NaHCO3)和一些微量元素，主要成分包括：(L)210毫克葡萄糖、200毫克NH4C1、220毫克NaHCO3,22 34毫克KH2PO4。微量元素包括： 0.19 mg MnCl24H2O, 0.0018 mg ZnCl22H2O, 0.022 mg CuCl22H2O, 5.6 mg MgSO47H2O, 0.88 mg FeCl36H2O, 1.3 mg CaCl22H2O。这种混合污水每周准备三次，并且化学需氧量(COD)为210 1.5 mg/L, 总氮(TN)为401 mg/L和总磷(TP)为5.5 mg/L。2.2 A2O-MBR处理器A2O-MBR处理器，好氧部分的工作容积是83.4L，用一个挡板将它分为三部分，其中厌氧部分8.4L，缺氧部分25L，好氧部分50L，混合的污水通过泵吸的方式以一定的流速流入处理器中。一个流速传感器被安置在好氧池的底部来控制进水的流速。厌氧池、缺氧池、好氧池的水力停留时间分别是1h、3h、6h.为了更好地脱氮除磷，该装置设置了两种内循环，循环一是在厌氧段与缺氧段中进行，循环二是在好氧段与缺氧段中进行，厌氧段与缺氧段以较低的转速混合，以保证混合物中的悬浮固体始终处于悬浮状态。在好氧区域，曝气头被用来提供氧气以使有机物得到氧化和氨化，好氧池中的氧气浓度维持在3.5 mg/1，并通过溶解氧在线检测仪来控制。在五块大小为0.23pm的滤膜作用下，好氧池中发生固液分离。每块滤膜的工作面积为0.1m2。它们通过普通的管道被连在一起。一个真空泵连在管上以提供负压。在通常的管道中安装压力测量仪表来测定管内压力。泵的工作时间自动控制，每启动10分钟后自动关闭2分钟，如此循环。2.3 热化学分解污泥从MBR的好氧段流出的混合液体每日约有1.5%的流量被截留然后进入热化学消化系统，热化学消解反应运行在一个固定的pH 11(氢氧化钠)和温度为75，运行时间为3小时。经过热化学消解反应后悬浮物与污泥分离，经过消解的污泥可用于后续的厌氧生物化学反应(Vlyssides and Karlis, 2004)。所以这些污泥会被送入MBR反应器的厌氧段。2.4 磷的回收生石灰被用来做沉淀剂以回收浮在表面的含磷化合物，经过回收处理后的悬浮物被送回缺氧池用作碳源和氮源。2.5 化学分解对废水中的COD, MLSS, TP, TN应进行详细的分析(详见APHA方法,2003)，进水和出水中的氨氮含量通过离子选择性电极来测定(Thereto Orion, Model: 95一12)。分析样品中硝态氮减少量使用镉分析的方法(APHA,2003。3 结果与讨论图一数据记录了运行过程中反应器内MLSS的浓度，MBR反应器的一个优点是它可以在高浓度的MLSS下正常运行，反应器所用的EBPR污泥来自韩国的Kiheung污水处理厂。反应器开始运行的MLSS浓度是5700 mg/L，并随着时间的增加逐渐增加MLSS的浓度，到第38天时MLSS的浓度已经达到8100 mg/L。从此时起，通过回收剩余污泥来使MLSS的浓度维持在7500 mg/L，这个过程叫做步骤一。在表一中对缺少污泥消化（步骤一）与具备污泥消化所得数据进行了对比，具备污泥消化的试验负荷为0.12 gMLSS/gCOD.，与传统的活性污泥法0.4 gMLSS/gCOD相比相对低些(Tchoba-noglous et al., 2003)。在高浓度MLSS下处理量较低(Visva-nathan et al., 2000)，因此MBR工艺的处理能力应该小些。Rosenberger et al.等人建议采用MLSS的浓度范围(7.5一10.5 g/L)作为判断的指标。在他们的研究中，他们指出，通常情况下，在中等浓度(7一12 g/L).的MLSS浓度下，MLSS的增加对处理结果并没有影响。 在每天回收1.5污泥量的情况下，热化学污泥厌氧消化在第70天就开始了。污泥消化一般可分为两个阶段，阶段一（第70-139天)，阶段二(第140-210天)。在阶段二中，MBR反应器内的MLSS浓度维持在7500 mg/L左右，在阶段三中维持在10500 mg/L左右，这两个过程都证明了污泥消化在污泥减量化处理中的重要作用。阶段二与阶段三的负荷率为0.03g MLSS/gCOD,，和阶段一比较，这两个阶段分别减少58% 和 75%的污泥量。实验得到的数据说明阶段三比阶段一和二的处理能力要低些，这是因为在阶段三中有更多的生物固体进入反应池中。从这些数据可以看出，即便是引入污泥消化预处理，A2O的脱氮除磷效率也并没得到改变。一个实验分析显示，这些显示经过污泥消化和不经过污泥消化处理的试验数据并没有达到统计上的显著水平。 然而，在污水处理过程中，包括污泥消化过程，出水的水质会越来越坏，这是因为一些可溶但不可降解的微生物产物的释放(Ya-sui and Shibata, 1994; Salcai et al., 1997; Yoon et al., 2004)。在研究期间，溶解性化学需氧量在18-38 mg/L的水平上，对应出水中有机物的含量为4-12mg/L.。这些数据证明，在保证良好的和稳定的出水水质方面，膜法隔离起着重要的作用。 磷元素是引起海洋赤潮的主要营养元素，因此减少出水中磷元素的含量十分必要。幸运的是磷元素的总含量一直维持在1 mg/L(Mer-vat and Logan, 1996)。 图二数据显示在该研究中，A2O-MBR处理系统对磷的去除效率。即便是引入了污泥消化处理，A/O工艺对磷的去除效果也并不理想。在最新的研究中，通过生石灰吸收的方式使可溶性的磷元素变成磷酸盐沉淀，并在处理水流入河流之前被回收，所以由于污泥减量化处理而使出水中磷元素含量升高的可能性被大大减小。进水的磷元素浓度在5.5 mg/L左右，经过四周的处理，出水中磷元素的含量已经降到2.5 mg/L。开始磷的去除率比较低是因为聚磷微生物的生长率比较低，并且一些像缺氧这样的运行环境也不具备。经过最初一段时间，磷的去除效率逐渐提高。在A2O工艺中磷的去除主要靠聚磷微生物的过量摄取，这些微生物生长缓慢，并且易受外界环境的影响(Carlos et al., 2008)。在整个研究中，磷的去除率基本不受影响，一直处在74-82%。从实验的结果来看，热化学预处理对聚磷微生物基本无影响，在研究中，出水中磷的浓度一直维持在1 mg/L以下。图表三揭示热化学分解中磷元素的状况。在热化学分解过程中，生物体中固定的磷被溶解并被释放到溶液中。被溶解的磷大概占到45-50%。碱性物质被投加以增加溶液的PH使其保持在9.2-9.8.，这样的PH有利于形成磷酸盐以除去磷元素。溶液表面的磷可以通过投加生石灰吸收来除去，投加的比例为摩尔比2.1:1。图表四揭示了A2O-MBR处理工艺中硝化和反硝化过程。硝化是脱氮处理中最初的也是比较重要的一个过程，不彻底的硝化过程将使脱氮的处理效率大大降低(Morita et al., 2007 and Choi et al., 2008).。溶氧量是影响硝化效果的一个重要因素，当溶氧浓度降低到2.5 mg/1以下时，硝化作用的效率将会受到抑制(Bane et al., 2008).。为了保证良好的硝化条件，好氧池中的溶氧浓度需要维持在3.5 mg/1左右。在硝化作用的第二步中，经过硝化作用形成的硝酸盐在缺氧的条件下经过反硝化作用转化为氨气释放出。当反硝化作用后，溶液中的氮元素含量在4.6 mg/L左右。图表五说明在A2O-MBR处理工艺中总氮的去除效率。从图表可以明显看出