復合式自生動態膜生物反應器處理表面活性劑廢水
摘 要: 將動態膜技術與懸浮填料工藝相結合而構建了復合式自生動態膜生物反應器。采用該反應器處理表面活性劑廢水,當懸浮填料的填充比為40%時,對濁度、COD、LAS和NH3-N的去除率分別可達98%、95%、97%和94%以上。兩邊側向曝氣不僅能夠加大膜面的錯流流速,而且還使錯向流分布得更加均勻,同時由于懸浮填料的摩擦作用,使得自生動態膜的增長較慢,保證了出水通量的穩定,延長了清洗周期。可見,該工藝適合于處理表面活性劑廢水。
關鍵詞: 復合式自生動態膜生物反應器; 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 在生活和生產中得到了廣泛應用,其產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的廢水會對環境造成污染。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]。
動態膜反應器的概念由Marcinkowsky提出,之后很多學者[4~6]針對膜生物反應器膜的成本高、抗污染能力差等問題,利用價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現固液分離。
有研究表明,向反應器中投加一定數量的懸浮載體可提高其生物量,同時還能起到增大傳質面積、強化傳質效果以及改善處理效果的作用[7、8]。但將動態膜技術與懸浮填料工藝組合進行研究的報道則較少。筆者針對動態膜的膜污染問題,在一體式自生動態膜生物反應器中加入懸浮填料而構成復合式自生動態膜生物反應器(HSFDMBR),并采用其處理表面活性劑廢水,考察了除污性能。
1 試驗裝置與方法
1·1 試驗裝置試驗裝置見圖1。2
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| 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3根穿孔曝氣管,正常運行時開啟兩側的曝氣管, 為微生物供氧,同時提供一定的膜面沖刷流速以防止膜面被堵塞;周期結束時仍保持側邊兩曝氣管開啟,同時開啟中間的曝氣管進行水力沖洗。
與普通的自生動態膜生物反應器相比,該反應器具有如下特點:①采用管式膜,共分為3層,內部為中空的PVC支撐骨架,中部為不銹鋼絲網均勻支撐層,外部為孔徑非常均勻的人造絲網(孔徑約50 μm),混合液透過過濾面進入膜組件內的空腔,并通過收集管自流出水;②采用側向曝氣和下方曝氣,曝氣強度分別為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摩擦還可防止動態膜增長過快,從而延長了清洗周期,保證了反應器出水水質的穩定性。
1·2 測試項目及方法
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:亞甲藍分光光度法,濁度: 光電式濁度儀。
1·3 原水水質
原水采用人工配制,其水質如表1所示。
| 表1 原水水質 |
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1·4 活性污泥馴化與掛膜
接種污泥取自上海東區污水廠的曝氣池,加入反應器后污泥濃度為2 000 mg/L左右。該污泥呈棕褐色,且生物相豐富。進水量采用1. 35 L/h,即膜通量為20 L/(m2·h)左右。采用連續流的方式進行馴化,并逐步提高進水中表面活性劑的含量,使污泥逐步適應原水水質。
為防止懸浮填料影響動態膜的形成,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器。此時,動態膜已經形成 (21 d時),同時由于懸浮填料上生物膜的增厚而對動態膜的影響適中。
2 結果與討論
2·1 工藝優化
2·1·1 曝氣方式
HSFDMBR其實是一體式膜生物反應器(MBR) 的一種特殊形式,因此也存在膜污染的問題。然而動態膜容易被破壞,不能像一般的MBR那樣邊運行邊由下方曝氣來減緩膜污染,而應該通過側向曝氣來加速膜面錯流,達到減緩膜污染的目的,因此曝氣方式的選擇非常重要。筆者對兩邊側向曝氣與單邊側向曝氣的效果進行了比較,發現前者的效果明顯優于后者。
兩邊側向曝氣是將單邊曝氣的曝氣量平均分為兩部分,這使得循環動力的分布更加均勻,因而減小了回流混合液對接近曝氣區的膜表面的沖刷作用, 避免了“漏洞”的出現,同時也避免了水力短路現象,使膜面能夠保持相近的錯流流速,防止了死角的出現。另外,對保持懸浮填料的流態穩定也起到了良好作用,而懸浮填料對膜面的沖刷作用則去掉了動態膜表面的松散污泥,提高了動態膜的質量,延緩了膜污染,穩定了出水通量。
2·1·2 填充比的確定
填料是微生物生長繁殖的場所,較大的填充比意味著較高的生物量,但是填充比過大會導致填料不能完全流化,將破壞反應器內的流態,導致處理效果下降。因此,應根據反應器的結構、曝氣方式、填料特性等選擇合適的填充比。
清水試驗結果表明,當填充比為30%時,填料的流化效果較好,呈懸浮狀態;當填充比為60%時, 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。為進一步優化填充比,選取30%、40%和50%三種填充比進行研究,結果如圖2所示(21~36 d)。
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| 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LAS、 COD和NH3-N的去除率均呈上升趨勢。對自生動態膜的觀察結果表明,當填充比為50%時膜面上有一定的“漏洞”。綜合考慮自生動態膜的穩定性和除污效果,選擇填充比為40%。
2·2 除污效果
2·2·1 對SS的去除
在混合液通過基質膜進行過濾時,其表面會形成動態生物膜,它具有類似于微濾/超濾膜的作用。因此,動態膜對SS是否有良好的去除能力是考察動態膜生物反應器性能的一個重要指標。
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| 圖3 下方曝氣后出水SS隨時間的變化 |
由圖3可以看到,由于下方曝氣的強度很大,對絲網表面的動態膜產生了強烈的沖刷作用,因此最初出水的SS相當高,可認為動態膜已被破壞。但隨著過濾時間的延長,出水中的SS不斷下降, 30 min 時即降到10 mg/L以下, 36 min后在出水中已檢測不到SS。與傳統活性污泥工藝相比,MBR內污泥的粒徑要小一些,絕大部分的粒徑<50μm[9]。研究中絲網的孔徑約為0. 05 mm,因此可以認為,對SS 具有截留作用的并不是絲網本身,而是能夠快速形成的動態膜。
與此相對應,濁度也呈快速下降趨勢,最終的出水濁度能夠穩定地保持在5 NTU以下,去除率達 98%以上。
2·2·2 對其他污染物的去除
系統運行至第37~96 d時,考察了C/N值分別為(3∶1)、(5∶1)、(7∶1)、(9∶1)的條件下,反應器對COD、LAS、氨氮的去除效果。
結果表明,對COD的去除率隨著碳氮比的提高而提高,在進水COD為120~360 mg/L時,出水 COD為10~14 mg/L;反應器出水的COD濃度比上清液的COD濃度略有下降,表明動態膜對污染物具有一定的截留作用。
在進水LAS濃度為20~180mg/L時,出水LAS 濃度為2~2. 5 mg/L,反應器對LAS的去除率隨進水LAS濃度的增加而逐漸提高(達到97%以上), 與對COD去除率的變化趨勢基本一致;當碳氮比為 9∶1時,污泥對LAS的去除率相比碳氮比為7∶1 時略有下降,說明LAS對活性污泥產生了一定的抑制作用。
當進水氨氮為40 mg/L時,出水氨氮為1. 2~ 2. 5 mg/L,對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
由于動態膜對SS具有良好的截留作用,使得反應器內的污泥濃度穩步提高。前期進行的污泥濃度與膜通量關系的試驗結果表明,當污泥濃度>5 g/L 時,膜通量下降幅度較大。因此當污泥濃度達到5 g/L后開始排泥,使其保持在4~4. 5 g/L。反應器內污泥的MLVSS/MLSS值為0. 8~0. 91,表明其具有較高的活性。為了進一步了解污泥的活性,測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DHA的測定結果見圖4。
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| 圖4 脫氫酶活性的變化 |
在試驗初期,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,經歷10 d左右便恢復到較高的水平;馴化結束后, 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DHA產生顯著影響。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有機物的分解活性,測定結果見表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 |
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3 結論
① 利用普通的人造絲網作為基材,將其直接浸沒于生物反應器內,加以懸浮填料而構成復合式自生動態膜生物反應器,當采用其處理表面活性劑廢水時,動態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%;大多數時間里,出水SS為零;當懸浮填料的填充比為40% 時,對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器,既避免了對動態膜形成的影響,又提高了反應器的處理效率,同時還延長了反應器的沖洗周期,在一定程度上提高了反應器出水水質的穩定性。
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