MBBR-MBR組合工藝處理生活污水效能及膜污染研究
【蘭州純水設備http://www.ilangnet.cn】構建了移動床生物膜反應器(MBBR)-膜生物反應器(MBR)組合工藝處理生活污水,考察了其對污染物的去除效果和膜污染情況。結果表明,MBBR-MBR對NH4+-N和COD的去除率均能達到97%以上。MBR中跨膜壓隨運行時間延長呈先慢速增加后快速增加的特點,活性污泥微生物胞外聚合物(EPS)和微生物代謝產物(SMP)是膜污染的重要物質,普通的化學清洗并不能使MBR膜組件恢復到新膜的水平,膜污染呈不可逆性。EPS的表觀分子量分布較廣泛,而SMP的表觀分子量呈單峰特征,主要以小分子量物質為主。
移動床生物膜反應器(MBBR)工藝是一種新型高效的污水處理方法,依靠曝氣和水流的提升作用使填料處于流化狀態,進而逐漸形成懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜,使移動床生物膜充分利用整個反應器空間,發揮附著相和懸浮相生物的優越性,使之揚長避短,相互補充。與以往填料不同的是,懸浮填料因能與污水多次接觸而被稱為“移動的生物膜”。MBBR工藝綜合了傳統流化床以及生物接觸氧化法的優點,其適應性很強、運行穩定可靠,并且水頭損失小、不堵塞、無需反沖洗,有著良好的抗沖擊負荷的能力[1]。近年來,國內外學者針對MBBR工藝處理生活污水、工業廢水、高氨氮有機廢水、垃圾滲濾液等方面做了大量試驗研究,均取得了良好的結果[2,3,4]。其規格可大可小,從幾t∕d的污水處理裝置到幾萬、幾十萬t∕d的污水處理廠;其方法靈活多變,可以和多種工藝進行自由組合,滿足不同水質、水量場合,具有廣泛的應用前景。蘭州純水設備
膜生物反應器(MBR)是一種由膜分離單元和生物處理單元相結合的新型水處理技術,該技術以膜組件替代二沉池,可以進行高效的固液分離;由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中特效菌(特別是優勢菌群)的出現,使其生化反應速率大大提高;同時,有機負荷率(F∕M)的降低減少了剩余污泥產生量,甚至無剩余污泥,從而解決了傳統活性污泥法存在的出水水質不穩定、污泥容易膨脹等問題。國內外對MBR工藝已有很多研究:歐陽雄文等[5]肯定了MBR工藝的脫氮除磷效果;Rosenberger等[6]驗證了MBR工藝處理市政污水有很好的效果。目前,MBR工藝已在美國、德國、法國和埃及等10多個國家得到廣泛應用[7,8]。
MBBR-MBR組合工藝是將二者有機結合起來,形成一體化的移動床膜生物反應器,該組合工藝與單獨的MBBR和MBR工藝相比進一步減少了剩余污泥的產生量,提高了脫氮效果,減少了膜污染,抗沖擊負荷能力得到進一步的提高[9]。現有報道[10]主要研究了生物填料在反應器中劇烈運動時碰撞膜表面濾餅層進而造成的膜污染情況。筆者主要對各反應器中生物質如胞外聚合物(EPS)和可溶性微生物產物(SMP)進行研究,著重闡述了反應器存在形式和表觀分子量分級,以期為MBBR-MBR組合工藝膜污染理論研究提供參考,并為污水處理工藝的選擇提供依據。
1 材料與方法
1.1 試驗裝置
試驗裝置如圖1所示。整套裝置由MBBR和MBR串聯而成,總有效容積為7 L。從圖1可以看出,2個反應器均為圓柱形容器,底部均設有排泥閥,在MBR與MBBR之間設有污泥回流管道。MBBR中所用填料為直徑15.0 mm的聚乙烯材料,填充比為30%。MBR中膜組件所用膜為中空纖維膜,膜孔徑為0.4 μm,總有效過濾面積為0.02 m2。MBR和MBBR均設置了沙球曝氣器,給混合液充氧,使反應器中混合液溶解氧(DO)濃度保持在6.0~7.0 mg∕L,曝氣過程中還可以產生水力剪切力和攪動混合液,進而減緩膜的污染。曝氣量由玻璃轉子流量計調節,使其保持在1.0 L∕min。通過每天排放剩余污泥控制污泥齡(SRT)為80 d,水力停留時間(HRT)為17 h。反應器接種污泥取自北京某污水處理廠。
在膜吸壓力初次達到35 kPa時,進行1次反沖洗;待膜吸壓力再次升至50 kPa,接近蠕動泵的閾值時對膜進行化學清洗,即結束反應器運行,取出膜組件沖洗去掉濾餅層,再采用1%的NaClO溶液將其浸泡過夜,第2天再以清水沖洗。
1.2 試驗配水
MBBR-MBR組合工藝通過蠕動泵進水,進水為人工合成生活污水,其具體組分如表1所示。
1.3 常規指標測定方法
選取NH4+-N濃度和COD作為監測指標,以反映MBBR-MBR組合工藝的脫氮和對有機物的去除效果。試驗中常規監測項目及其分析方法如表2所示。
1.4 EPS提取及檢測
以蛋白質、多糖、DNA、總有機碳(TOC)濃度來表征活性污泥微生物胞外聚合物(EPS)的濃度。采用陽離子交換樹脂(CER)法將活性污泥中的EPS從微生物細胞中分離出來[11]。首先將CER以70 g∕g[12]加入到80 mL活性污泥中,以130 r∕min振蕩2 h,然后將混合液以12 000 r∕min離心15 min以去除MLSS,測定上清液各指標即為EPS和微生物代謝產物(SMP)濃度總和。同時取80 mL不加CER的活性污泥進行振蕩離心,測定上清液各指標即為SMP濃度。EPS濃度可由差減法求得。
以牛血清蛋白為標樣,用蛋白質快速測定試劑盒(Sigma-Aldrich,美國)測定樣品中蛋白質的濃度;以葡萄糖做標準曲線,用蒽酮法測定樣品中多糖的濃度[13];DNA濃度由紫外分光光度計測定260 nm處的光密度(OD260)計算得出;總有機碳(TOC)濃度由日本島津TOC分析儀測定。
1.5 EPS和SMP表觀分子量分級
采用超濾膜法進行EPS和SMP分子量分級的測定。選用美國Millipore公司的YM系列超濾膜,其對應的截留分子量分別為1、10、100 kDa。氮氣加壓超濾器(8200型,美國Amicon公司),其有效容積為200 mL,有效過濾面積為28.7 cm2,最大耐壓為517.2 kPa,內設磁力攪拌裝置。膜過濾采用平行法,即將待測樣品先用0.45 μm玻璃纖維膜過濾,出水分別通過分子量由大到小的超濾膜,測定濾出液蛋白質、多糖、DNA和TOC的濃度,其對應的分子量分布區間用差減法求得。
2 結果與討論
2.1 污染物去除效果
MBBR-MBR組合工藝的基本參數如表3所示。從表3可以看出,NH4+-N和COD的平均去除率分別為99.2%和97.2%,表明該組合工藝對NH4+-N和COD均有較好的去除效果。一方面,由于微生物附著生長在填料表面形成生物膜,曝氣使其處于流化狀態,保證了良好的傳質條件,從而實現了對污染物的高效去除;另一方面,MBR膜組件的完全截留作用使MBR的污泥停留時間與水力停留時間完全分離,同時保持了反應器內很高的污泥濃度,使大量硝化菌在反應器內積累,從而有利于NH4+-N的去除。Shore等[4]驗證了MBBR對NH4+-N有很高的去除率,可達90%。Wang等[14]采用缺氧∕好氧MBR處理食品廢水,NH4+-N進水濃度高達400~660 mg∕L時,去除率超過91%。王勇等[15]對MBR運行過程中活性污泥沉降性能對膜污染的影響進行了研究,結果表明,隨著污泥容積指數(SVI)的增大,膜污染平均速率呈增加趨勢,膜過濾周期逐漸縮短,因此在實際MBR系統運行過程中,應盡可能控制和維持SVI在較低的范圍,以延長膜污染周期,減少運行費用。本試驗中SVI平均值低于200,總體膜污染情況處于良好狀態。
蘭州純水設備2.2 膜污染情況
MBR反應器跨膜壓隨運行時間變化見圖2。從圖2可以看出,隨反應器運行時間增加,跨膜壓增大速率先慢后快。膜表面的泥餅層處于一種動態平衡狀態,成為過濾的主要阻力[16]。運行40 d時,MBR內跨膜壓達到35 kPa,首次對膜進行反沖洗,反沖洗后跨膜壓有所降低;運行54 d時跨膜壓達到45 kPa,對膜組件進行化學清洗,清洗后跨膜壓降至1 kPa;隨著運行時間的增加,很快又出現膜污染現象,且污染速度較反應器使用新膜的初始階段更快,不到30 d跨膜壓便達到35 kPa,表明普通的化學清洗并不能使MBR膜組件恢復至新膜水平,這可能是由于一些小粒徑物質吸附在膜表面堵塞了膜孔所致。Wisniewski等[17]用微濾膜過濾城市污水處理廠的污泥,考察不同膜面流速下溶解性物質對膜污染的影響,得出溶解性物質引起的膜污染幾乎構成了50%的膜過濾阻力。Meng等[18]報道了SMP除了容易在膜面沉積外,還會引起膜孔濾餅層內后生孔道的堵塞,使膜阻力大幅升高。在整個試驗過程中,膜組件清洗的周期隨著運行時間的增加逐漸縮短,說明有些膜污染是不可逆的。
2.3 EPS和SMP各組分濃度
表征EPS和SMP的各組分濃度如表4所示。從表4可以看出,在MBBR和MBR反應器中,以TOC表征的EPS濃度最高,以TOC表征的SMP濃度較低。DNA是EPS的重要組分,在MBBR和MBR中濃度分別為6.70和7.10 mg∕g。多糖是SMP重要組分,且MBR中多糖濃度明顯高于MBBR,但蛋白質和DNA濃度相差不大。
膜污染是影響MBR長期穩定運行的關鍵因素,國內外學者針對膜污染的主要影響因素進行了大量研究。在膜污染產生過程中,雖然一些小分子物質會堵塞膜孔,但濾餅層的形成是影響膜污染的主要因素之一,在膜組件運行過程中活性污泥微生物絮體會很快在膜表面沉積形成濾餅層,從而造成膜通量的下降。微生物代謝產物EPS和SMP對膜污染有重要影響,活性污泥性質分析是當前的研究熱點。Drews等[19,20]認為EPS是膜阻力主要貢獻者,EPS濃度與活性污泥中濾餅層阻力的回歸相關系數大于0.9,且在活性污泥的每一個生理狀態,EPS濃度越高,膜污染越嚴重。不同種類的EPS對膜污染的貢獻程度不同,Mukai等[21]發現,超濾的膜通量與EPS中蛋白質和多糖的比例有關,膜通量隨著蛋白質比例的減少而增加。張洪杰等[22]通過模擬膜污染的過程,并采用掃描電鏡觀察新膜及污染膜表面,發現SMP對膜污染有重要影響,在濾餅層形成的過程中,SMP會不斷地填充微生物絮體之間的空隙,從而使濾餅層變得更加緊密,因此濾餅層的緊密程度與SMP的濃度有很大關系,從而影響膜污染的速度。
2.4 EPS和SMP表觀分子量分布醫院用純水設備
通過逐級超濾法對EPS中各組分進行了表觀分子量分級試驗,結果如圖3所示。由圖3可以看出,蛋白質以分子量大于100 kDa的大分子量物質為主,在2個反應器中的濃度均在0.2 mg∕g以上,占40%~47%;分子量小于1 kDa的物質次之,為0.14~0.17 mg∕g;分子量為1~100 kDa的物質濃度最低,約為0.1 mg∕g,僅占20%左右。MBBR中小分子量物質濃度大于MBR,其余分子量的物質濃度相差不大。多糖各分子量的物質濃度相差不大,小于1 kDa的小分子量物質和10~100 kDa物質的濃度接近,為0.5 mg∕g左右,占22%~34%。但在MBBR中小分子量物質的濃度明顯高于MBR。DNA的分子量分布規律和蛋白質相反,小分子量物質濃度明顯高于其他分子量,在2個反應器中均超過2.5 mg∕g,且相差不大,占50%左右;而大分子量物質濃度和中間分子量物質濃度均呈現MBBR中高于MBR。TOC的分子量分布規律和蛋白質基本相同,但其大分子量物質濃度更高,在MBBR中達到了3.0 mg∕g,約占51%,在MBR中也達到了2.4 mg∕g,約占48%;中間分子量物質濃度次之,約為1.5 mg∕g;小分子量物質濃度約為1.0 mg∕g,占20%左右。
SMP中各組分分子量分布如圖4所示。從圖4可以看出,蛋白質的分子量分布以小分子量物質為主,其濃度遠高于其他分子量物質,在2個反應器中均超過1.3 mg∕g,約占80%,且MBBR中濃度大于MBR;其他分子量物質濃度均較低,不足0.2 mg∕g。多糖的分子量分布規律與蛋白質基本相同,也是以小分子量物質為主,占50%以上;中間分子量物質濃度與大分子量物質濃度較接近,均在0.3 mg∕g左右。DNA的分子量分布也以小分子量物質為主,濃度約為0.5 mg∕g,占55%以上;其次是中間分子量物質,中間分子量物質中又以1~10 kDa分子量物質為主,占30%左右;大分子量物質濃度較低,在MBBR中為0.05 mg∕g,在MBR中濃度更低,僅占6%。TOC的分子量分布與DNA相似,不同分子量的物質濃度由高到低依次為小分子量物質(占50%以上)、中間分子量物質、大分子量物質(占20%以下),且MBBR中的大分子量物質濃度低于MBR,中間分子量物質濃度高于MBR。
總體來說,MBBR-MBR組合工藝中,MBBR與MBR中EPS和SMP的表觀分子量分布規律差別不大。2個反應器中EPS表觀分子量分布均較廣,SMP的表觀分子量分布主要集中于小于1 kDa的物質,呈單峰特征。MBBR內分子量小于1 kDa的物質濃度高于MBR。有研究認為小分子量物質會堵塞膜表面孔隙,并可沉積在表面形成黏液層,從而引起膜污染[23]。董濱等[24]對不同泥齡下MBR中SMP的膜污染行為進行研究發現,SMP中的碳水化合物較蛋白質更易在MBR中積累,污泥齡短時尤為顯著,SMP組分對膜污染的影響為碳水化合物>蛋白質,小分子量組分>大分子量組分。
醫院用純水設備(1)MBBR-MBR組合工藝對人工合成生活污水的處理效果良好,NH4+-N和COD的去除率都很高,是一種穩定、高效的污水處理工藝。
(2)MBR跨膜壓隨反應器運行逐漸增大,增加速度先慢后快,由于小粒徑物質堵塞了膜孔徑,普通的化學清洗并不能使MBR膜組件恢復到新膜的水平。
(3)MBBR和MBR反應器中,DNA是EPS的主要組分,而多糖是SMP的主要組分,EPS與SMP是膜污染的重要物質。
(4)EPS的表觀分子量分布范圍較廣,SMP的表觀分子量分布呈單峰特征,主要以小分子量物質為主。蘭州去離子水設備，蘭州水處理設備， 工業純水設備，醫院用純水設備。
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