摘　要:　將動(dòng)態(tài)膜技術(shù)與懸浮填料工藝相結(jié)合而構(gòu)建了復(fù)合式自生動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器。采用該反應(yīng)器處理表面活性劑廢水,當(dāng)懸浮填料的填充比為40%時(shí),對(duì)濁度、COD、LAS和NH3-N的去除率分別可達(dá)98%、95%、97%和94%以上。兩邊側(cè)向曝氣不僅能夠加大膜面的錯(cuò)流流速,而且還使錯(cuò)向流分布得更加均勻,同時(shí)由于懸浮填料的摩擦作用,使得自生動(dòng)態(tài)膜的增長(zhǎng)較慢,保證了出水通量的穩(wěn)定,延長(zhǎng)了清洗周期?？梢?該工藝適合于處理表面活性劑廢水。

關(guān)鍵詞:　復(fù)合式自生動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器;　表面活性劑廢水;　生物膜;　填料;　填充比;　膜通量

直鏈烷基苯磺酸鈉(LAS)作為一種陰離子表面活性劑,具有良好的去污、乳化、滲透等能力,因而 在生活和生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用,其產(chǎn)量約占世界洗滌劑總用量的40%左右[1]。但LAS本身有一定毒性[2],所以含LAS的廢水會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。處理LAS廢水的方法很多,其中生物降解是去除LAS 行之有效的方法[3]。

動(dòng)態(tài)膜反應(yīng)器的概念由Marcinkowsky提出,之后很多學(xué)者[4~6]針對(duì)膜生物反應(yīng)器膜的成本高、抗污染能力差等問題,利用價(jià)格低廉的膜基材代替微濾膜(或超濾膜),并借助所形成的濾餅層和凝膠層的過濾作用來實(shí)現(xiàn)固液分離。

有研究表明,向反應(yīng)器中投加一定數(shù)量的懸浮載體可提高其生物量,同時(shí)還能起到增大傳質(zhì)面積、強(qiáng)化傳質(zhì)效果以及改善處理效果的作用[7、8]。但將動(dòng)態(tài)膜技術(shù)與懸浮填料工藝組合進(jìn)行研究的報(bào)道則較少。筆者針對(duì)動(dòng)態(tài)膜的膜污染問題,在一體式自生動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器中加入懸浮填料而構(gòu)成復(fù)合式自生動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器(HSFDMBR),并采用其處理表面活性劑廢水,考察了除污性能。

1　試驗(yàn)裝置與方法

1·1　試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置見圖1。2

圖1　一體式HSFDMBR示意圖

HSFDMBR為圓柱形,有效容積為5. 4 L。膜組件的有效過濾面積為0. 07 m2,由壓力差自流出水, 上清液及污泥樣品則從中部水閥取出。膜組件底部設(shè)3根穿孔曝氣管,正常運(yùn)行時(shí)開啟兩側(cè)的曝氣管, 為微生物供氧,同時(shí)提供一定的膜面沖刷流速以防止膜面被堵塞;周期結(jié)束時(shí)仍保持側(cè)邊兩曝氣管開啟,同時(shí)開啟中間的曝氣管進(jìn)行水力沖洗。

與普通的自生動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器相比,該反應(yīng)器具有如下特點(diǎn):①采用管式膜,共分為3層,內(nèi)部為中空的PVC支撐骨架,中部為不銹鋼絲網(wǎng)均勻支撐層,外部為孔徑非常均勻的人造絲網(wǎng)(孔徑約50 μm),混合液透過過濾面進(jìn)入膜組件內(nèi)的空腔,并通過收集管自流出水;②采用側(cè)向曝氣和下方曝氣,曝氣強(qiáng)度分別為12、36 m3/(m2·h);③活性污泥與生物膜共同作用,而且懸浮填料的翻動(dòng)摩擦還可防止動(dòng)態(tài)膜增長(zhǎng)過快,從而延長(zhǎng)了清洗周期,保證了反應(yīng)器出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。

1·2　測(cè)試項(xiàng)目及方法

COD:重鉻酸鉀法,氨氮:納氏試劑分光光度法, 污泥濃度:重量法, LAS:亞甲藍(lán)分光光度法,濁度: 光電式濁度儀。

1·3　原水水質(zhì)

原水采用人工配制,其水質(zhì)如表1所示。

表1　原水水質(zhì)

1·4　活性污泥馴化與掛膜

接種污泥取自上海東區(qū)污水廠的曝氣池,加入反應(yīng)器后污泥濃度為2 000 mg/L左右。該污泥呈棕褐色,且生物相豐富。進(jìn)水量采用1. 35 L/h,即膜通量為20 L/(m2·h)左右。采用連續(xù)流的方式進(jìn)行馴化,并逐步提高進(jìn)水中表面活性劑的含量,使污泥逐步適應(yīng)原水水質(zhì)。

為防止懸浮填料影響動(dòng)態(tài)膜的形成,將填料放入另取的曝氣池污泥中以同樣方式掛膜,待掛膜成功后再將填料放入反應(yīng)器。此時(shí),動(dòng)態(tài)膜已經(jīng)形成 (21 d時(shí)),同時(shí)由于懸浮填料上生物膜的增厚而對(duì)動(dòng)態(tài)膜的影響適中。

2　結(jié)果與討論

2·1　工藝優(yōu)化

2·1·1　曝氣方式

HSFDMBR其實(shí)是一體式膜生物反應(yīng)器(MBR) 的一種特殊形式,因此也存在膜污染的問題。然而動(dòng)態(tài)膜容易被破壞,不能像一般的MBR那樣邊運(yùn)行邊由下方曝氣來減緩膜污染,而應(yīng)該通過側(cè)向曝氣來加速膜面錯(cuò)流,達(dá)到減緩膜污染的目的,因此曝氣方式的選擇非常重要。筆者對(duì)兩邊側(cè)向曝氣與單邊側(cè)向曝氣的效果進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)前者的效果明顯優(yōu)于后者。

兩邊側(cè)向曝氣是將單邊曝氣的曝氣量平均分為兩部分,這使得循環(huán)動(dòng)力的分布更加均勻,因而減小了回流混合液對(duì)接近曝氣區(qū)的膜表面的沖刷作用, 避免了“漏洞”的出現(xiàn),同時(shí)也避免了水力短路現(xiàn)象,使膜面能夠保持相近的錯(cuò)流流速,防止了死角的出現(xiàn)。另外,對(duì)保持懸浮填料的流態(tài)穩(wěn)定也起到了良好作用,而懸浮填料對(duì)膜面的沖刷作用則去掉了動(dòng)態(tài)膜表面的松散污泥,提高了動(dòng)態(tài)膜的質(zhì)量,延緩了膜污染,穩(wěn)定了出水通量。

2·1·2　填充比的確定

填料是微生物生長(zhǎng)繁殖的場(chǎng)所,較大的填充比意味著較高的生物量,但是填充比過大會(huì)導(dǎo)致填料不能完全流化,將破壞反應(yīng)器內(nèi)的流態(tài),導(dǎo)致處理效果下降。因此,應(yīng)根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、曝氣方式、填料特性等選擇合適的填充比。

清水試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)填充比為30%時(shí),填料的流化效果較好,呈懸浮狀態(tài);當(dāng)填充比為60%時(shí), 填料的流化效果較差,部分沉在了底部,即使加大曝氣量,也不能使全部填料均很好地懸浮。為進(jìn)一步優(yōu)化填充比,選取30%、40%和50%三種填充比進(jìn)行研究,結(jié)果如圖2所示(21~36 d)。

圖2　不同填充比下HSFDMBR的除污效果

從圖2可以看出,隨著填充比的增大,對(duì)LAS、 COD和NH3-N的去除率均呈上升趨勢(shì)。對(duì)自生動(dòng)態(tài)膜的觀察結(jié)果表明,當(dāng)填充比為50%時(shí)膜面上有一定的“漏洞”。綜合考慮自生動(dòng)態(tài)膜的穩(wěn)定性和除污效果,選擇填充比為40%。

2·2　除污效果

2·2·1　對(duì)SS的去除

在混合液通過基質(zhì)膜進(jìn)行過濾時(shí),其表面會(huì)形成動(dòng)態(tài)生物膜,它具有類似于微濾/超濾膜的作用。因此,動(dòng)態(tài)膜對(duì)SS是否有良好的去除能力是考察動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖3　下方曝氣后出水SS隨時(shí)間的變化

由圖3可以看到,由于下方曝氣的強(qiáng)度很大,對(duì)絲網(wǎng)表面的動(dòng)態(tài)膜產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖刷作用,因此最初出水的SS相當(dāng)高,可認(rèn)為動(dòng)態(tài)膜已被破壞。但隨著過濾時(shí)間的延長(zhǎng),出水中的SS不斷下降, 30 min 時(shí)即降到10 mg/L以下, 36 min后在出水中已檢測(cè)不到SS。與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比,MBR內(nèi)污泥的粒徑要小一些,絕大部分的粒徑<50μm[9]。研究中絲網(wǎng)的孔徑約為0. 05 mm,因此可以認(rèn)為,對(duì)SS 具有截留作用的并不是絲網(wǎng)本身,而是能夠快速形成的動(dòng)態(tài)膜。

與此相對(duì)應(yīng),濁度也呈快速下降趨勢(shì),最終的出水濁度能夠穩(wěn)定地保持在5 NTU以下,去除率達(dá) 98%以上。

2·2·2　對(duì)其他污染物的去除

系統(tǒng)運(yùn)行至第37~96 d時(shí),考察了C/N值分別為(3∶1)、(5∶1)、(7∶1)、(9∶1)的條件下,反應(yīng)器對(duì)COD、LAS、氨氮的去除效果。

結(jié)果表明,對(duì)COD的去除率隨著碳氮比的提高而提高,在進(jìn)水COD為120~360 mg/L時(shí),出水 COD為10~14 mg/L;反應(yīng)器出水的COD濃度比上清液的COD濃度略有下降,表明動(dòng)態(tài)膜對(duì)污染物具有一定的截留作用。

在進(jìn)水LAS濃度為20~180mg/L時(shí),出水LAS 濃度為2~2. 5 mg/L,反應(yīng)器對(duì)LAS的去除率隨進(jìn)水LAS濃度的增加而逐漸提高(達(dá)到97%以上), 與對(duì)COD去除率的變化趨勢(shì)基本一致;當(dāng)碳氮比為 9∶1時(shí),污泥對(duì)LAS的去除率相比碳氮比為7∶1 時(shí)略有下降,說明LAS對(duì)活性污泥產(chǎn)生了一定的抑制作用。

當(dāng)進(jìn)水氨氮為40 mg/L時(shí),出水氨氮為1. 2~ 2. 5 mg/L,對(duì)氨氮的去除率始終保持在94%以上, 去除效果良好。

2·3　污泥特性

由于動(dòng)態(tài)膜對(duì)SS具有良好的截留作用,使得反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度穩(wěn)步提高。前期進(jìn)行的污泥濃度與膜通量關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)污泥濃度>5 g/L 時(shí),膜通量下降幅度較大。因此當(dāng)污泥濃度達(dá)到5 g/L后開始排泥,使其保持在4~4. 5 g/L。反應(yīng)器內(nèi)污泥的MLVSS/MLSS值為0. 8~0. 91,表明其具有較高的活性。為了進(jìn)一步了解污泥的活性,測(cè)定了污泥的脫氫酶活性(DHA)和氧吸收速率 (OUR)[10、11]。

2·3·1　脫氫酶活性

對(duì)DHA的測(cè)定結(jié)果見圖4。

圖4　脫氫酶活性的變化

在試驗(yàn)初期,污泥的DHA不斷下降,至第9天降到最低值;之后DHA開始緩慢提高,經(jīng)歷10 d左右便恢復(fù)到較高的水平;馴化結(jié)束后, DHA無顯著變化,說明水力條件的差異以及碳氮比的變化并沒有對(duì)DHA產(chǎn)生顯著影響。從圖4可以看出,活性污泥的脫氫酶活性略小于生物膜的。

2·3·2　氧吸收速率

采用氧吸收速率來反映污泥的硝化活性和對(duì)有機(jī)物的分解活性,測(cè)定結(jié)果見表2,可知污泥的活性高,處理效果好。

表2　污泥氧吸收速率的變化

3　結(jié)論

①　利用普通的人造絲網(wǎng)作為基材,將其直接浸沒于生物反應(yīng)器內(nèi),加以懸浮填料而構(gòu)成復(fù)合式自生動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器,當(dāng)采用其處理表面活性劑廢水時(shí),動(dòng)態(tài)膜能很快形成且除污效果好:出水濁度一直保持在5 NTU以下,去除率>98%;大多數(shù)時(shí)間里,出水SS為零;當(dāng)懸浮填料的填充比為40% 時(shí),對(duì)LAS、COD和氨氮的平均去除率分別為97%、 95%和94%。

②　活性污泥的脫氫酶活性略小于生物膜的, 表明在該反應(yīng)器中活性污泥的活性低于生物膜的活性。

③　將懸浮填料掛膜后再放入反應(yīng)器,既避免了對(duì)動(dòng)態(tài)膜形成的影響,又提高了反應(yīng)器的處理效率,同時(shí)還延長(zhǎng)了反應(yīng)器的沖洗周期,在一定程度上提高了反應(yīng)器出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。

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