第三章 A/O-MBR 的启动及富铁污泥吸附磷的特性研究

3.1 引言

        随着污水处理厂出水水质标准的不断提高，促使广大水处理工作者一方面不断完善优化现有的技术手段，另一方面需要加速研发新型高效的水处理方法。膜生物反应器（MBR）由于其占地面积小、出水水质优，近年在市政污水处理以及中水回用方面受到越来越多的关注。许多国内外学者对膜生物反应器进行大量的研究，并由实验室阶段逐渐转向中试或应用在膜生物污水处理厂，反应器启动至稳定过程，反应器内的微生物群落结构由于生存环境的变化而发生一系列的变化，活性污泥内的微生物种群会为适应新的环境而做出改变。

          本研究针对 A/O-MBR 工艺处理市政污水的效能进行研究与探索，系统考察了反应器的启动阶段的相关特性，另外还利用 SEM、3DEEM 等技术手段客观反应了反应器启动前后膜污染及出水变化情况。最后，利用成功启动的膜生物反应器污泥和三氯化铁来研究富铁活性污泥对水溶液中的溶解性磷酸盐的吸附特性，寻求铁盐的最佳投加比例，以期为后期实验中 MBR 长期投加三氯化铁建立联系。

3.2 材料与方法

3.2.1 吸附动力学实验取 

          200 mL 反应器好氧池中污泥混合液，经 48 h 密封厌氧状态释磷后，锥形瓶内上清液磷浓度不再变化，则以此为初始磷浓度。以不同的 Fe/P（mol/mol）的投加比例，投加 FeCl3，每组设置三个平行样，随后置于恒温振荡器（150 r·min-1， （25±1）℃） 上密闭振荡并计时，按照设定时间快速取样，将取得的样品离心过滤后使用分光光度法测定滤液中磷的浓度，并分别以取样时间及磷浓度为横纵坐标绘制其吸附动力学曲线。

3.2.2 吸附等温线实验

         取 200 mL 反应器好氧池中污泥混合液，经 48 h 密封厌氧释磷后，锥形瓶内上清液磷浓度不再变化，以此为初始磷浓度。分别以 HCl、NaOH 调节锥形瓶内 pH值至不同水平：4.0±0.1、5.5±0.1、7.0±0.1、8.5±0.1、10.0±0.1；称量 0.05 g 的 FeCl3 于 5 个锥形瓶中，密封后恒温振荡（150 r·min-1，（25±1）℃）。振荡 24h 后取样，离心过滤后使用分光光度法测定剩余磷的浓度，并分别以吸附平衡时溶解性磷酸盐浓度 Ce、富铁污泥的单位吸附量 qe作为横纵坐标绘制其吸附等温曲线。FeCl3 的投加量依次为 0.1 g、0.2 g、0.4 g、0.6 g。

3.2.3 其他分析方法
         本实验中化学需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、溶解性磷酸盐（PO43--P）、混合液悬体浓度（MLSS）和可挥发性固体浓度（VSS）的浓度皆根据标准方法测定所得。

3.3 结果与讨论

3.3.1 污泥特性变化

         活性污泥的 MLSS 显示了膜生物反应器内微生物的相对数量，侧面反应微生物处理能力。MLVSS 为除去无机物后的活性污泥净重，体现了该体系内微生物的活性。MLVSS/MLSS 越高表明该活性污泥的活性越好，是衡量活性污泥反应器的重要指标之一。对于膜生物反应器而言，较高的污泥浓度决定了较高的有机物去除效果和较高的耐冲击负荷的能力，同时还可以降低反应器中活性污泥的有机负荷[38]。但污泥龄过长会导致活性污泥老化上浮、生物降解率下降、膜污染加剧。定期从膜生物反应器好氧段排出一定量的泥水混合物以保持反应器内污泥浓度保持在6.0 g/L 左右，污泥龄保持在 30 d 左右。

       在膜生物反应器中，接种污泥浓度的 MLSS 为 5.4 g/L，在前 15 天，MLSS 呈 现出一定的增长趋势，这是由于未进行人工排泥，中空纤维膜的高效截留使得污泥浓度逐渐升高。当污泥的 MLSS 达到 6.0 g/L 时，进行人工排泥，保持最佳的污泥负荷。随着反应器进入稳定运行阶段，MLVSS/MLSS 由 0.5 左右上升至 0.8 左右， 并可以持续维持该数值，这也反映出反应器内的微生物可以保持较高的活性。

        采用光学显微镜对反应器运行过程中的活性污泥状态进行实时观察，尤其是观察活性污泥混合液内的原生、后生动物的数量、形态和生理特征，通过活性污泥的特征及内部原生、后生动物的种类，从而推断反应器当前所处的状态。光学显微镜放大倍数采用 16×16。观察到的原生、后生动物通过其形态和特性，并与标准图进行比对对照。从而确认其种类，进而间接反映活性污泥及反应器整体的运行状态。

        如图 3.2 所示：图 A、B 为启动阶段活性污泥镜检结果，两者分别为：草履虫、三刺榴弹虫。草履虫属于快速游泳型的种属，细菌大量分散于混合液中，意味着活性污泥的凝聚、沉降性能较差，对污染物的处理能力差。三刺榴弹虫则经常在 BOD负荷较低、溶解氧浓度高的情况下出现。图 C、D 为反应器启动完成镜检时存在于活性污泥中，两者分别为吸管虫、轮虫。吸管虫固着于菌胶团生长，用触手代替口摄取食物，其在运行工况由差逐渐变好的情况下可见，正常运行稳定的工况下少量出现。当出现轮虫类后生动物时，表明活性污泥性能良好，易成絮体、沉降性优良。通过观察原生动物间接表明，本实验运行的 A/O-MBR 启动基本完成。

3.3.2 各阶段 COD 去除情况

        如图 3.3 可知：污泥培养阶段 0-16 d，进水 COD 为 400 mg/L 左右。此阶段微生物处于适应时期，整体数量较少，需要较高浓度的碳源以快速提升活性污泥体系的处理水平。15 天时，反应器污泥浓度已达 6 g/L，即认为反应器已经拥有一定数量的微生物，且微生物已经初步适应反应体系，随后根据膜出水 COD 实时的监测情况，决定将进水 COD 降低至 300 mg/L 左右，以保持最佳的污泥负荷。随着活性污泥中适应反应器运行环境及微生物的增长，MLSS 增加，反应器的 COD 平均去除率达到 62.96%，说明活性污泥中的微生物已具备一定活性。反应器稳定阶段 17-47 d，进水 COD 为 300 mg/L 左右，出水的 COD 值较稳定且维持在较低的浓度水平，平均值为 36.05 mg/L，其 COD 平均去除率达到 87.23%。膜生物反应器由于其较高的污泥浓度及优秀的过滤作用，共同完成了对进水 COD 的高效去除。出水 COD 浓度满足污水处理一级 A 标准。

3.3.3 各阶段氨氮的去除情况

         反应器对氨氮的去除特性较 COD 不同，如图 3.4 所示，

3.3.4 各阶段磷的去除情况

        A/ O 法主要通过培养一定数量和活性的聚磷菌（PAOs）并利用该类菌可以在厌氧的条件下释磷、好氧的条件下过量吸磷的特征，将磷与反应器剩余污泥一起由好氧池排出至体系之外。聚磷菌对于厌氧、缺氧、好氧条件下的循环要求较 COD、氨氮的相关菌更佳严苛。反应器启动阶段，进水磷浓度为 3.1-4.6 mg/L，前 9 天，出水磷浓度较高，去除率较差，平均去除率为 18.76%。说明聚磷菌尚未大量繁殖，其活性较低。9 天后出水磷浓度有所提高并趋于稳定，去除率平均值为 56.43%，说明此时已经有一定数量的聚磷菌的存在且聚磷菌具有一定的活性。但是由于膜生物反应器其特性决定了难以达到较高的磷的去除，在未投加任何混凝剂时出水磷浓度为（1.55±0.61）mg/L，不能高效地去除污水中的磷，未达到 GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级 A 标准（0.5mg/L）。

3.3.5 各阶段出水三维荧光光谱特征

        三维荧光常用于表征水体中的不同特征组分，本研究利用三维荧光检测膜生物反应器启动至稳定运行期间膜组件出水情况。如图 3.6 所示，A 图为接种期上清液的三维荧光光谱图，其中荧光峰①的激发/发射波长值（Ex/Em）为 275-285/326-370 nm 对应的为蛋白质类中的色氨酸，该荧光团可能和微生物产生的类蛋白物质或氨基酸有关，并被报道是易被生物降解的一类物质；荧光峰②位于 Ex/Em为 240-270/300-350 nm 处，其对应的为类蛋白物质，此类物质可以被微生物有效利用从而消除[44]；这也侧面表明反应器接种活性污泥初期处理能力相对稳定期间略显不足。而峰③位于 Ex/Em 为 350-440/430-510 nm 处，其对应的为类腐殖酸类物质；B 图为启动期膜出水的三维荧光光谱图，荧光峰④位于 Ex/Em 为 240-270/370-440 nm，对应的为紫外腐殖酸类物质[45]。启动期对比接种初期，各类物质的去除效 果变化一般。C 图为启动完成后稳定期膜生物反应器出水，此时色氨酸物质以及类蛋白物质已经无法从出水中检测出来，只剩下类腐殖酸物质，而腐殖质类物质是典型的带黄色极性的难降解的有机物，单纯的利用活性污泥系统较难去除。由此可知：稳定运行期的 A/O-MBR 对比启动阶段可以更有效去除水中的蛋白类物质，反应器于 C 图阶段启动基本完成。

3.3.6 各阶段膜表面形貌特征

       扫描电镜（SEM）是一种观察物质微观形貌特征常用的手段之一，可直接对表面材料性状进行微观成像。扫描电镜照片（图 3.7）显示了中空纤维膜随着反应器运行的膜污染变化。A 图是新膜的表面图片，可见膜表面的涂层上留有许多小孔，孔径大小不等，膜表面清洁、光滑、平坦，未见有污染物在膜表面沉积。而 B 图显示启动期基本完成后膜表面的污染情况，由图可见，污染膜表面的微孔大部分都被膜表面的泥饼层所覆盖，大量污泥沉积在膜表面，导致无法直接观察到膜孔，混合液中的大分子物质在膜组件的过滤压差推动下，逐步沉积在膜表面，形成具有一定致密度的滤饼层结构。虽然该滤饼层被报道在污水处理中有助于强化膜组件对水中有机物及颗粒物的去除，但是它会增加过滤阻力、降低过滤通量，严重影响膜的正常出水 。当膜生物反应器运行时，膜表面污泥层将不可避免地形成，当膜组件的跨膜压差超过 50 kPa 时，需要进行反冲洗、物理清洗和化学清洗等手段加以控制。