周晴，傅金祥，蘇錦明，趙玉華
(沈陽建筑工程學院 市政與環境工程系，遼寧 沈陽 110015)

　　摘要：針對溶解氧(DO)和氣水比對IMBR工藝出水效果的影響及能耗問題，從氣水比對DO的影響和DO對COD與NH3-N去除效果的影響著手，探討研究氣水比、溶解氧以及污水處理效果之間的最佳工作點。試驗結果表明，在ρ(MLSS)分別為4.23，4.09，3.70 g／L的運行條件下，MBR的最佳運行氣水比相應為35：1，25：1，17：1;溶解氧變化速率隨污泥濃度的下降而升高；DO的變化對COD的去除效果并不顯著；在高污泥濃度下，DO的質量濃度保持在2.63～4.85mg／L之間時，氨氮的去除率隨溶解氧濃度的上升而下降，氨氮去除率達90％以上；但DO濃度過低時，氨氮去除效果不佳。
　　關鍵詞：污水深度處理；IMBR；溶解氧；氣水比
　　中圖分類號：X703.3 文獻標識碼：A 文章編號：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

　　膜生物反應器是高效膜分離技術與活性污泥相結合的新型水處理技術。由于MBR對污染物去除效率高，出水水質穩定，操作簡單，易于管理的特點，具有廣闊的應用前景^[1]。但MBR工藝的廣泛應用不僅取決于自身技術的可行性，還取決于其經濟上的可行性。較高的運行費用是MBR推廣應用中遇到的主要問題之一。
　　能耗是污水處理工藝的一個重要的評價指標，直接關系到處理方法的可行性。顧平對抽吸一體式MBR能耗分析表明：曝氣的能耗占總能耗96％以上^[2]。 Gander測定了MBR能耗數據，發現浸沒式和外置式MBR的能耗差別很大，外置式流程中，曝氣占總能耗的20％～ 50％，而浸沒式流程中，曝氣占總能耗的80％～100％^[3]。
　　MBR利用膜的高效截留作用，將活性污泥截留在生物反應器中，主要利用以好氧菌為主體的微生物種群對污染物進行降解，使污水得以凈化^[4]。溶解氧的不足，必將對微生物的生理活動產生不利的影響，從而影響污水的處理效果；而溶解氧過高，將導致有機污染物分解過快，使微生物缺乏營養，活性污泥易于老化，且能耗過高，增加了經濟成本^[5]。本文針對以上問題，通過試驗分析，尋求一個氣水比、溶解氧以及污水處理效果之間的最佳運行工況。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗材料與裝置
1.1.1 膜材料
　　膜組件為國產聚偏氟乙烯中空纖維簾式膜，膜孔徑為0.2 μm，纖維內徑0.5 mm，外徑為0.8mm，單套膜組件總面積為1 m²。
1.1.2 試驗裝置
　　本試驗采用2套并行的一體式膜生物反應器(IMBR)，試驗裝置見圖1。膜反應器為矩形有機玻璃柱，截面0.30m×0.20m，有效水深0.75 m，儲水容積43 L。反應器水面與出水之間的高差為膜出水提供驅動力，實際最大操作壓力為0.10MPa。通過氣體轉子流量計控制曝氣量。污水由高位水箱進入平衡水箱，再由平衡水箱分別進入2個膜生物反應器裝置，在此經過活性污泥的生化作用和膜的分離作用后出水。

1.2 原水水質與水質檢測
1.2.1 原水水質
　　本試驗水采用洗浴污水配制的模擬生活用水，水質情況見表１

表1 試驗用水水質

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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) 水溫/℃ pH值 濁度/NTU

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0.3～0.4 20～30 6.0～7.3 8～106

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注：LAS為表面活性劑。

1.2.2 分析方法
　　所有測定方法均按照“水與廢水監測分析方法第三版”(國家環保局1989年)進行。

2 運行效果及分析

2.1 不同污泥濃度下氣水比對溶解氧的影響
　　本實驗針對IMBR設計中常見的污泥濃度考察污泥濃度及氣水比對溶解氧的影響。
2.1.1 平均污泥的質量濃度為4.23g／L
　　由圖2所示，在此污泥的質量濃度下，氣水比由28：1緩慢調升至40：1。隨著氣水比的升高，溶解氧的質量濃度呈起伏狀緩慢上升。如DO回歸分析曲線所示，在氣水比為30：1～35：1的運行時段中，DO的上升速率最快，達0.175 mg／(L·h)。當氣水比達到35：1時，MBR反應器中的溶解氧的質量濃度為2.00mg／L，滿足反應器中活性污泥反應的需氧量，此時的氣水比為在ρ(MLSS)=4.23g／L的操作條件下的最佳氣水比。

2.1.2 平均污泥的質量濃度為4.09g／L
　　如圖3所示，在此污泥的質量濃度下，氣水比由15：1上升至30：1。由DO回歸分析曲線所示，當氣水比為25：1時，DO上升速率最快，達到0.201mg／(L·h)。此時ρ(DO)為2.11mg／L，足以供應反應所需的氧量。由此可見，在平均ρ(MLSS)為4.09g／L時，25：1為最佳運行氣水比，ρ(DO)=2.11mg/L。

2.1.3 平均污泥的質量濃度為3.70g／L
　　如圖4所示，在此污泥的質量濃度下，氣水比由20：1降至15：1。在運行56h后，氣水比降到18：1，此時DO的質量濃度下降速率最快，達到0.469mg／(L·h)，ρ(DO)為2.75 mg／L略高于MBR中需氧量。故此點僅為較佳點。最佳工作點氣水比為17：1，ρ(DO)=1.9 mg／L，在此MLSS下氣水比超過18：1后，ρ(DO）＞4.5mg／L遠超過活性污泥新陳代謝需氧量，為減少曝氣能耗，氣水比宜控制在17：1。

　　綜合以上3個階段，DO變化速率隨MLSS的降低而升高，在ρ(MLSS)分別為4.23，4.09，3.70mg／L的運行條件下，DO變化速率相應為0.175，0.201，0.469 mg／(L·h)，分析原因可能是由于MBR反應器內污泥的質量濃度的上升對DO的傳質有一定的負面影響造成的。在最佳運行工況下，氣水比隨MLSS的下降而下降，且能有效的減少曝氣量，節省能耗。
2.2 高污泥濃度下 DO對NH3-N去除效果的影響
　　在高污泥的質量濃度下，DO對NH3-N去除效果有一定的影響。而當ρ(MLSS)處于8～11g／L的運行條件下，改變氣水比對調節反應器中DO的作用已相當小，能耗急劇增加。因此，對于經濟的氣水比而言，ρ(MLSS)為8.19g／L為本實驗最佳的高污泥的質量濃度。
　　在平均ρ(MLSS)=8.19 g／L運行條件下，DO對NH3-N去除效果的影響如圖5所示。隨著溶解氧濃度的降低，氨氮的去除效果有逐漸升高的趨勢，其去除率由81.16％上升至92.95％，分析原因可能是高MLSS下，污泥絮體外表面DO的質量濃度較高，以好氧菌和硝化菌為主；而其內部由于氧的傳遞受阻，產生缺氧區，反硝化菌占優勢。而ρ(DO)>4.57mg／L時，此DO梯度由于外部DO過高，污泥絮體內部不易產生缺氧區，而導致反硝化反應進行不完全，氨氮處理效果隨DO的上升而下降。在ρ(DO)<0.5 mg／L的運行條件下，氨氮處理效果相當不理想，去除率均在50％以下。這是由于在高污泥濃度的運行條件下，ρ(DO)<0.5mg／L，維持不了好氧菌和硝化菌的代謝需氧量，以致氨氮去除率最低降至18.91％。

　　綜上所述，本實驗階段在平均ρ(MLSS)=8.19g／L，溶解氧的質量濃度保持在2.63～4.85 mg／L之間時，氨氮去除率可達90％以上，且氨氮去除效果隨DO值的降低而提高。
2.3 DO對COD的去除效果的影響
　　在平均污泥的質量濃度為4.08mg／L的運行條件下，DO對COD的去除效果的影響如圖6所示。試驗結果表明，當DO處于過飽和狀態，即水中ρ(DO）＞8.56mg／L(在20℃的條件下)，MBR具有良好的COD去除效果，其平均去除率可達95.68％。而隨DO的降低，COD的去除效果有下降趨勢。ρ(DO)在1.0～6.5 mg／L之間時，DO的下降對COD的去除效果沒有明顯影響，平均去除率保持在90％以上。當P(DO)<0.5 mg／L，在運行時間較短的條件下，MBR系統也能獲得較好的去除率。由此可見，在MBR中，DO的變化對COD的去除效果并不顯著。

3 結論

　　①本試樣階段在ρ(MLSS)分別為4.23，4.09，3.70g／L的運行條件下，MBR的最佳運行氣水比相應為35：1，25：1，17：1，此時的DO能滿足活性污泥的代謝的需氧量，并能有效的節省曝氣能耗，降低經濟成本。
　　②在IMBR中，DO變化速率隨污泥的質量濃度的下降而升高。
　　③在IMBR中，DO的變化對COD的去除效，果并不顯著。
　　④DO是影響MBR中氨氮處理效果的關鍵因素，在高污泥的質量濃度下，ρ(DO)保持在2.63～4.85mg／L之間時，氨氮去除率良好，氨氮的去除率隨溶解氧的質量濃度的上升而下降，在低DO下，氨氮去除效果不佳。

參考文獻：
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　　[2]顧平，羅虹，楊造燕，等.中空膜生物床處理生活污水的中試研究[J].中國給水排水，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]李軍，傅金祥，汪力，等.IMBR法處理洗浴污水的試驗研究[J].沈陽建筑工程學院學報，2003，19(1)：53-58.
　　[5]汪力，傅金祥，王長生，等.IMBR法處理生活污水的試驗研究[J].沈陽建筑工程學院學報，2003，19(1)：50-52.

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作者簡介：周晴(1980-)，女，廣西桂林人，碩士研究生。