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纯氧曝气MBR与普通活性污泥法的比较蒋家骅1叶军波2（1浙江省.临海市环境保护监测站,浙江临海317000;2.华东理工大学,上海200237）摘要纯氧曝气MBR和普通活性污泥法在运行参数的控制方面存在着很大区别，主要表现在反应器内的MLSS浓度、去除负荷、剩余污泥处置等方面。同时纯氧曝气MBR在对VOC的去除、减少泡沫等多方面具有优势。本文就纯氧曝气和空气曝气在运行控制的差异进行分析并就二者在应用中的经济效益进行了比较，得出纯氧曝气MBR不仅能节省基建投资和运行费用，而且抗冲击能力强、处理效果好。关键词纯氧曝气活性污泥纯氧曝气和普通空气曝气在动力学上存在着巨大差别[1]，笔者结合多年从事纯氧曝气在膜生物反应器（纯氧曝气MBR）中的工程应用，对纯氧曝气MBR和普通活性污泥法两种工艺进行了运行控制、基建投资、运行费用以及处理效果等方面的对比，为纯氧曝气在废水处理中的工程应用提供参考。1纯氧曝气和空气曝气运行控制参数的差异1.1溶解氧浓度在好氧活性污泥法的运行中，溶解氧（DissolvedOxygen，简称DO）浓度是一个重要的控制参数。曝气池中DO浓度的高低直接影响着有机物的去除效率和活性污泥的生长，曝气过程有效的运行控制是一个非常重要的方面。系统的溶解氧供应不充分，微生物的代谢将受到影响，污染物的去除效率下降；系统溶解氧过高，微生物进行消耗性内源呼吸，活性污泥的量将减少，活性污泥的絮状结构也将受到破坏，同时也是对能源的一种浪费。所以一般控制曝气池出水端DO浓度在2mg/l。对于难生物降解有机污染物的去除，控制较高的DO浓度，可以提高微生物活性，提高污染物去除效果，如石化废水处理一般控制曝气池内溶解氧浓度在6mg/L[2]。如此高的DO浓度，采用普通的空气曝气方式很难达到，同时在经济上也是不合适的，此时采用纯氧曝气可以解决此问题。对于膜生物反应器（MembraneBioreactor，简称MBR）处理抗生素废水，当进水负荷达到6.0kgCOD/m3.d-1，空气曝气很难满足DO需求，而采用纯氧曝气可以使进水负荷达到10.0kgCOD/m3.d-1。【此数据是出自文献还是作者的实际工程数据？建议注明。】同时低DO浓度一直被认为是引起丝状菌污泥膨胀的主要因素之一。丝状菌由于具有较大的比表面积和较低的氧饱和常数，在低DO浓度下比絮状菌增殖得快，从而导致丝状菌污泥膨胀。纯氧曝气可维持生化池内较高的DO，可有效避免丝状菌污泥膨胀。1.2污泥浓度废水好氧生物处理的主要原理是利用微生物的代谢活动将废水中的有机物转变为二氧化碳、水和能量，同时微生物得到增殖。所以反应器内的微生物数量决定了反应器的处理能力。一定条件下，反应器内污泥浓度越高，污染物降解量越大，即反应器可承受的进料负荷越高。污泥浓度的高低和处理工艺、进水特征、操作方式有很大关系。污泥浓度还和氧的传递、有机物的传递、膜污染等有关。MBR的优势就在于可以避免微生物流失，尤其是可以在反应器内保持难生物降解微生物的数量，由于曝气的限制，在一定的负荷下，空气曝气MBR污泥浓度一般在10g/l以下，而纯氧曝气MBR可在反应器内保证12～20g/l的污泥浓度。高的污泥浓度使高负荷进料成为可能，高负荷带来了占地面积减少等效益。同时在一定MLSS范围内，反应器内混合液污泥浓度越高，出水总氮越低，同步硝化-反硝化更为明显。1.3去除负荷由于纯氧曝气可保持较高的污泥浓度，且较高的DO浓度使微生物的活性增强，即反应器内微生物的数量增多、活性增强，这就意味着同样的反应器可以处理更多的废水，反应器有着更高的进料负荷和去除负荷。如MBR试验，空气曝气MBR进料负荷为6.0kgCOD/m3.d-1，而采用纯氧曝气可以使进水负荷达到10.0kgCOD/m3.d-1，负荷增大了66%。同时，纯氧曝气和空气曝气相比更耐负荷冲击。1.4剩余污泥在相同污泥负荷条件下，随着反应器中DO的升高，污泥产率呈现降低的趋势，控制较高的DO值可以减少剩余污泥量，节省污泥处理费用。在同一个DO水平下，系统的污泥产率随着污泥负荷的升高而升高。曝气反应器内微生物数量相对较多，可利用的底物较少，即初始的能量水平较低，微生物的生长主要反映在细胞体内分子聚合物质的积聚和个体变大上，没有或只有很少的细胞会产生增殖，当污泥浓度较低而进料负荷较高时，有相对较多的底物提供给较少数量的微生物，初始的能量水平就较高，这样就可能提供足够的能量去完成细胞分裂增殖过程中的各种不同的反应：如合成酵素、蛋白质和核酸的反应等，使细胞的数量增加。也就是说在较高污泥负荷下产生单位质量生物质需要消耗的底物质量相对较多，剩余污泥量较多，所以在MBR内控制较高的污泥浓度和较低的污泥负荷可以减少剩余污泥的排出，一般剩余污泥量可减少30%，节省了污泥处置费用。2纯氧曝气的独特优势2.1对VOC的去除挥发性的有机化合物（VolatileOrganicCompand，简称VOC）的种类很多，如芳香烃（苯、甲苯、二甲苯等）、脂肪烃（丁烷、汽油等）、卤代烃（四氯化碳、氯仿、氯乙烯、氟里昂等）、醇（甲醇、丁醇等）、醛（甲醛、乙醛等）、酮（丙酮等）、醚（乙醚等）、酯（乙酸乙酯、乙酸丁酯等）等都属于VOC的范畴。在处理含有VOC物质的废水时，空气曝气使废水中的VOC大量挥发到空气中，对周围环境造成很大的影响，而采用纯氧曝气处理废水，过程中产生的废气量很小，仅为传统空气法的1%～2%，大多数挥发性物质被污泥所吸附并最终降解为无害的物质，避免了VOC对环境的影响。2.2泡沫问题几乎所有的污水处理厂都存在着泡沫问题，产生泡沫除和进水水质有关外，生物性泡沫也占很大比重。泡沫严重时会将污泥大量带出，使好氧生物处理系统瘫痪。另外，泡沫带来的环境问题也很重要，会给运行操作带来很大不便。有证据表明，提高反应器内污泥浓度可在一定程度上缓解泡沫问题。同时曝气量的大小也对泡沫的产生有重要影响。纯氧曝气由于其很小的曝气量，一般不存在泡沫问题，另外如采用纯氧MIXFLOW等工艺，使纯氧和污水相接触、溶解，反应池内几乎不存在泡沫。3纯氧曝气MBR与普通活性污泥法经济性比较文献[3][4]的一个污水处理厂的运行结果表明，与普通活性污泥法相比，纯氧曝气活性污泥法在曝气时间、曝气池容积、占地面积、能源消耗和基建费用方面具有明显优势。以日处理量3000m3，进水COD浓度2000mg/l为例，采用纯氧曝气MBR和普通曝气活性污泥法工艺进行对比分析，分析结果见表1。表1纯氧曝气MBR和空气曝气活性污泥法经济性比较单位：万元工艺项目纯氧MBR（一体式）普通活性污泥法一、基建投资313.0570.01.1土建33.0346.01.1.1主反应池25.0（1500m3）300.0（12000m3）1.1.2沉淀池030.0（1000m3辐流式）1.1.3风机房、泵房6.012.01.1.4基础、地面硬化2.04.01.2设备280.0224.01.2.1膜组件225.001.2.2风机10.0（2台37KW离心风机）36.0（3台110KW离心风机）1.2.3曝气头3.0（旋混曝气头）24.0（旋混曝气头）1.2.4提升泵4.020.01.2.5沉淀池配套040.01.2.6污泥脱水设备18.034.01.2.7管道10.030.01.2.8配电10.040.01.3装机容量90KW350KW二、运行费用213.5/年261.3/年2.1电费20.0/年（0.5元/KW.H）90.0/年（0.5元/KW.H）2.2氧气费用72.0/年（800元/吨氧，不含租赁费）02.3水费6.012.02.4污泥处置费20.090.02.5人工费12.0（4人）24.0（8人）2.6折旧83.545.32.6.1膜折旧（按3年）75.0/年02.6.2土建折旧（按20年）1.617.32.6.3设备折旧（8年）6.928.0三、吨水运行费2.37元/吨水2.90元/吨水四、出水COD（mg/l）100300注：按每年运行300天计算，不含地价。从表1可以看出，采用纯氧曝气MBR工艺基建投资比空气曝气工艺投资节约45.09%，运行费用节省18.29%，且出水指标要大大好于空气曝气工艺。4结论纯氧曝气和空气曝气的对比表明，纯氧曝气可减少废水中VOC对环境的影响，可避免泡沫对操作造成的不利影响，可使反应池内DO达到6mg/l，具有更高的进料负荷、抗冲击能力强，并可减少剩余污泥产量。将纯氧曝气与MBR结合，可使反应池内MLSS达到12g/l，使高负荷进料成为可能，可大幅减少反应池的占地面积。工程实例表明，纯氧曝气MBR工艺的基建投资比普通活性污泥法投资节约45.09%，运行费用节省18.29%，且前者的出水指标大大好于后者。参考文献[1]顾夏声.废水生物处理数学模式[M].北京：清华大学出版社，1982[2]陈应新.纯氧曝气系统在高浓度有机石化污水处理中的应用.化工设计,2003（1）：41～43[3]胡侃.水污染控制工程[M].武汉：武汉工业大学出版社，1998[4]李志娟.纯氧曝气在城市污水处理中的经济性比较.城市环境与城市生态2005，18（1）：22～24