生活汙水:傳統A2/O工藝及MBR膜工藝特性研究

發布時間:2018-02-21 11:50:26


傳統A2/O工藝是城市汙水處理廠應用最廣泛的生物處理工藝,是一種最標準同步脫氮除磷工藝,但是傳統A2/O工藝也存在兩個方麵的問題: 一是反硝化和厭氧釋磷之間存在碳源競爭問題,同時菌體汙泥齡要求不同,使傳統A2/O工藝很難同時具有很高的脫氮除磷效果; 二是產生大量剩餘汙泥,增加了後續處理費用. 針對傳統A2/O工藝的碳源競爭問題,研究者將傳統工藝中的缺氧區提前,形成了倒置A2/O工藝,讓厭氧區和好氧區相連,使厭氧釋磷後保持較高的吸磷動力,同時提高了脫氮除磷的效果;

  隨著城鎮汙水處理廠提標改造計劃的實施,常規A2/O工藝難以滿足《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(GB 18918-2002)中一級A標準的要求. MBR膜:具有HRT短、 產泥少、 出水水質好等優點,MBR膜的高效截留作用能使世代時間較長的菌種有足夠的生長時間,反應器內能保持較高的汙泥濃度,不僅提高處理效果,同時能減少汙泥的產生量、 節省大筆汙泥處理費用.

  本研究將倒置A2/O和MBR膜組合起來形成組合工藝,處理模擬生活汙水,擬解決傳統工藝的缺點,最大限度地提高脫氮除磷效果. 並通過FTIR技術分析膜表麵汙染物和MBR膜池內主要汙染物與膜之間微觀作用力兩方麵探究組合工藝膜汙染機製,以期為實際汙水處理中工藝升級改造及減緩膜汙染提供有效依據.

  1 材料與方法

  1.1 實驗裝置與運行參數

  實驗所用倒置 A2/O-MBR裝置如圖 1所示. 原水經蠕動泵進入到缺氧池,再經擋板過流到厭氧池,再經穿孔擋板進入好氧池,好氧池膜區設置汙泥回流管,回流汙泥到缺氧池. 膜組件放置在好氧池泥水混合液中,經蠕動泵抽吸出水,抽停時間由時間繼電器控製.

  圖 1 實驗裝置示意

  實驗用膜為自製高強度PVA親水化改性複合膜,鑄膜液體係DMAC/PVDF/LiCl/PVA按一定比例配置而成. 將此複合膜製成簾式組件應用於倒置A2/O-MBR體係中,考察MBR體係中膜對顆粒物的去除及膜性能的變化. 複合膜基本參數如表 1所示,膜組件及MBR主要運行參數見表 2.

 

  表 1 複合膜的基本參數

 

  表 2 倒置A2/O-MBR係統主要參數

  參  反應器以倒置A2/O-MBR工藝連續運行,進水連續,出水抽停結合,抽8 min停2 min,每天膜淨工作時間19.2 h,反應器運行溫度為室溫(20-25℃),初始汙泥濃度分別為: 缺氧池6.5 g ·L-1、 厭氧池6 g ·L-1、 好氧池7g ·L-1,運行總時間52 d,SRT為15-20 d,每天排泥500 mL.

  1.2 汙泥與進水水質

  實驗所用汙泥取自西安市第四汙水處理廠,進水為模擬生活汙水,葡萄糖為碳源,NH4Cl為主要氮源(蛋白腖為輔助氮源),KH2PO4為磷源. 原水水質見表 3

 

  表 3 原水水質

  反應器接種汙泥後悶曝1 d,澄清後排去上清液,連續悶曝2 d後放入反應器進行連續運行培養. 連續培養3 d後,反應器進入正式運行.

  1.3 取樣及分析方法

  每天取樣一次,放於冰箱貯存待測. 其中COD、 氨氮、 硝酸鹽氮、 亞硝酸鹽氮、 總氮、 總磷、 MLSS等采用文獻中的標準方法測定,pH采用pH計測定,DO采用便攜式溶解氧儀測定.

  2 結果與討論 2.1 倒置A2/O-MBR工藝脫氮除磷效果 2.1.1 COD的去除

  倒置A2/O-MBR工藝對COD的去除如圖 2所示.

  圖 2 倒置A2/O-MBR對COD的去除效果

  由圖 2可知,係統對COD有很好的去除效果,出水COD穩定在20mg ·L-1以下. 主要是由於實驗用膜具有高效截留作用,使反應器內汙泥穩定增殖,汙泥量達傳統工藝的兩倍,因此,在相同汙泥負荷下,反應器體積大大降低,同時實現對原水中有機物的高效降解.

  2.1.2 氮素的去除

  倒置A2/O-MBR工藝對氨氮及TN的去除情況見圖 3和圖 4.

  圖 3 倒置A2/O-MBR對氨氮的去除效果

  圖 4 倒置A2/O-MBR對TN的去除效果

  由圖 3可知,該工藝出水氨氮穩定在0.01到1.12,低於《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(GB 18918-2002)中一級A標準,去除率達98.7%以上,一方麵由於好氧池後段膜池曝氣量大,有機負荷低,有利於自養硝化菌的生長,另外,膜的高效截留使得世代時間較長的硝化細菌不流失,從而硝化效果好[14]. 圖 4中從左到右四段回流比分別為300%、 250%、 150%、 100%,總氮平均去除率分別為90.23%、 82.92%、 80.6%、 71.46%. 混合液回流至缺氧池向反硝化過程提供硝態氮,作為反硝化過程的電子受體,以達到脫氮的目的. 回流比越大,回流至缺氧區的硝酸鹽量增加,可供反硝化的硝氮越多,反硝化比率提高,係統TN去除率也相應提高. 係統設計中缺氧區前置,反硝化碳源優先得到滿足,提高了係統整體脫氮能力.

  2.1.3 TP的去除

  倒置A2/O-MBR工藝對TP的去除如圖 5所示.

  圖 5 倒置A2/O-MBR對總磷的去除效果

  由圖 5可知,係統對總磷去除效果良好,出水總磷《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(GB 18918-2002)中一級A標準. 這是由於在倒置A2/O-MBR係統中,厭氧區與好氧區相連,汙泥中聚磷菌在厭氧池內充分將體內積聚的聚磷分解,分解能量一部分供聚磷菌生長另一部分供聚磷菌轉化為PHB,由厭氧池進入好氧池後,剛剛釋放磷的聚磷菌將在厭氧池集聚的大量PHB分解,釋放大量能量供其從汙水中更充分地攝取磷,從而提高反應除磷效果,同時經自製編織管複合膜出水濁度極小,吸磷後汙泥完全被截留,出水磷含量減少[15, 16]. 並且一部分回流混合液汙泥均經曆完整的釋磷吸磷過程,從而進一步增強了係統除磷的效果.

  2.1.4 濁度的去除

  整個實驗過程中,出水濁度始終穩定在0.05NTU以下. 說明自製高強度PVA親水化改性複合膜對濁度具有高效截留效果.

  2.2 MBR係統中膜汙染特性分析 2.2.1 複合膜使用前後膜表麵形貌對比

  圖 6為複合膜使用前後膜形貌對比.

  圖 6 膜使用前後膜表麵形貌對比

  結果說明: 複合膜使用後,膜表麵受到了一定程度的汙染,對比圖 6(c)和圖 6(d)膜表麵掃描電鏡圖可知,雖然使用後膜孔模糊能見,膜孔稀少,但是汙染物在膜表麵形成濾餅層幹燥後出現隆起和裂縫,說明濾餅層較厚但比較疏鬆,此時形成的濾餅層對膜過濾的通量影響較小.

  2.2.2 MBR係統中複合膜跨膜壓差變化

  圖 7為實驗條件下MBR係統TMP隨時間的變化圖.

  圖 7 MBR係統TMP變化

  整個實驗過程未對膜進行任何清洗,從圖 7可知,係統在運行的52 d裏,TMP在前2 d內增加明顯,從0.5 kPa突然增加到2.4 kPa,膜汙染速率較高,這是因為係統在過濾初期,汙泥混合液中顆粒在膜表麵吸附,引起膜孔堵塞,形成了膜的初始汙染[17, 18],因此TMP增長較快. 隨著膜孔堵塞繼續發展,在隨後的40 d內TMP從2.4 kPa增長到8 kPa,膜汙染速率為5.83 Pa ·h-1,此階段為膜的緩慢汙染階段[9]. 在此階段內,汙染物不僅在膜孔內吸附,且吸附發生在整個膜表麵,汙泥混合液中的生物絮體在膜表麵開始形成濾餅層,但此時的濾餅層對TMP的增長影響較小,TMP增長緩慢. 在反應器運行的最後10d裏,TMP從8 kPa驟增到16.5 kPa,膜汙染速率為35.42 Pa ·h-1,係統發生嚴重膜汙染.

  在整個實驗過程中,複合膜的通量保持(12±0.5)L ·(m2 ·h)-1不變,膜汙染平均速率低至 13.22 Pa ·h-1. Song等[10]采用 PVDF中空纖維膜處理市政汙水中,在膜通量為 15.4 L ·(m2 ·h)-1時,得出膜汙染速率約為 71 Pa ·h-1; 張傳義等[19]采用聚乙烯中空纖維膜處理生活汙水,保持膜通量為 12 L ·(m2 ·h)-1,膜汙染速率約 52.7 Pa ·h-1. 對比說明自製高強度複合膜具有良好的抗汙染能力,膜汙染過程緩慢,能在 MBR中保持低壓力穩定運行.

  2.2.3 膜表麵汙染物 FTIR分析

  FTIR技術是表征有機物官能團結構的有力手段[20, 21],為了表征膜池微生物代謝產物對膜汙染的影響,對膜池內溶解性微生物代謝產物(SMP)、 胞外聚合物(EPS包括LB、 TB),及膜表麵汙染物分別進行FTIR分析,結果如圖 8所示.

  圖 8 膜汙染物及反應器主要物質紅外分析結果

  FTIR測定結果顯示,膜表麵汙染層在3 300 cm-1附近出現一個吸收峰,是羥基基團中 O—H鍵的伸縮振動產生的,在 2 900 cm-1附近存在一個尖銳吸收峰,為芳香族類 C—H鍵的伸縮振動產生,同時圖譜存在兩個蛋白質二級結構的典型特征峰: 1 655 cm-1(酰胺 I帶)和1 540 cm-1(酰胺Ⅱ帶),在 1 065 cm-1 處存在一個較寬的吸收峰,表明有多糖及多糖類物質的存在,由此可以確定蛋白質和多糖是膜有機汙染的主要成分,課題組前期研究發現[22],這部分有機物多為親水性物質,因此說明自製高強度 PVA親水化改性複合膜在實驗過程中表現出較好的抗汙染性能. 並且根據 SMP/LB/TB圖譜對比分析可知,膜池內溶解性代謝產物和胞外聚合物均具有與膜表麵汙染層相似的有機官能團,但 SMP中主要包含多聚糖和腐殖酸,蛋白質肽鍵頻段較弱,LB(與細胞結合鬆散的胞外聚合物)的有機物質吸收峰與膜表麵汙染層成分最相似,並且相似有機物含量最高. 與文獻[23]等關於 MBR中溶解性物質與胞外聚合物對膜臨界通量影響的研究結果一致.

  2.2.4 膜池內主要汙染物與膜之間微觀作用力分析

  黏附力是指將微顆粒從某一平麵移走所需要的作用力,分子間的黏附力是分子間相互作用力的綜合體現[24]. 本課題組認為[25],超濾水處理過程中,水中有機汙染物在膜上產生的膜汙染主要是由於水中有機物與膜之間的相互作用力決定的. 在膜過濾初期,膜汙染程度主要是由水中汙染物和新膜之間相互作用力決定的,在膜過濾後期,膜汙染程度則主要由水中汙染物和被汙染膜(即被汙染膜上汙染物)之間的相互作用力決定. 前期研究也發現[25],無論針對哪一種汙染物,所對應的膜-汙染物之間的作用力均大於汙染物-汙染物之間的作用力,說明膜-汙染物之間的作用力是造成膜汙染的主要因素. 因此本研究使用課題組自製的PVDF微顆粒探針測定經PVA親水化改性後的PVDF膜-汙染物之間的黏附力,從而表征反應器內主要汙染物質與PVDF改性複合膜之間黏附力的大小.

  圖 9為PVDF微顆粒探針測定的反應器內3種微生物代謝產物與自製複合膜之間的典型黏附力曲線圖,縱坐標采用F/R(黏附力與微顆粒半徑的比值),從而消除探針PVDF顆粒半徑不同產生的影響. 由圖 9可知,微生物代謝產物與自製複合膜之間的黏附力大小順序為LB>TB>SMP,其黏附力的大小分別為3.55、 2.11和1.12 mN ·m-1,從而確定LB為膜主要汙染物,與FTIR分析結果一致.具體參見汙水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關技術文檔。

  圖 9 反應器中3種汙染物與膜之間的典型黏附力曲線

  3 結論

  (1)倒置A2/O-MBR係統對生活汙水中的有機物、 氨氮及總磷的去除效果良好,出水COD小於20mg ·L-1,去除率始終高於95%,出水氨氮平均濃度為0.16 mg ·L-1,去除率大於98%,出水總磷也保持較低水平,均達到《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》中的一級A標準. 實驗中不同回流比對COD、 氨氮及總磷的去除效果影響較小,但回流比對總氮的去除有一定的影響,當回流比為100%時去除率較低,當回流比從100%增加到300%時,去除率增大,同時出水濁度均小於0.05NTU,基本不受實驗條件影響.

  (2)在整個實驗過程中,膜出水采用恒流、 間歇式,並且以低壓穩定運行,長時間內保持跨膜壓差增長緩慢,膜汙染平均速率低至 13.22 Pa ·h-1,表明自製的複合中空纖維膜具有較好的抗汙染能力,膜汙染過程緩慢,能在MBR中保持低壓穩定運行,且對汙染物表現出良好的截留效果.

  (3)傅裏葉紅外光譜分析表明,多糖和蛋白質是膜有機汙染的主要成分,多為親水性物質,膜麵濾餅層主要物質與LB最相近. 並且AFM分析得出LB與膜之間黏附力最大,說明LB為膜主要汙染物,與FTIR分析一致.(來源及作者:西安建築科技大學環境與市政工程學院 王旭東 馬亞斌 王磊 楊怡婷 黃丹曦 夏四清)

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