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污水处理膜工艺分析

浏览量:4684 发布时间:2019-06-28


  近年来,膜生物反应器由于具有出水水质好、占地面积小、剩余污泥少、操作管理方便等优点,在污水处理与回用领域得到了快速的推广应用。然而,目前MBR仍然面临着膜污染较重的问题,影响了工艺的经济性和稳定(解释:稳固安定;没有变动)性。2008年,国外学者提出了一种新型的MBR替代工艺,正渗透膜生物反应器。OMBR采用正渗透膜代替传统MBR中使用的微滤膜或超滤膜来实现泥水分离。由于FO过程借助两侧的渗透压差而不是外加压力作为驱动力,与MBR相比,OMBR具有工艺能耗低、膜污染趋势小、出水水质可靠等优点。作为一种新型的污水处理方法,OMBR目前仍处于研究阶段,遇到的瓶颈之一就是盐度的积累。FO膜的高效截留和反向盐扩散导致OMBR内盐度大幅上升,直接造成渗透压差的更大化减少和FO膜通量的大幅衰减,同时对微生物活性产生不利影响。
  考虑到MF膜具有允许溶解性盐透过的特性,笔者在之前的研究中提出了采用MF膜来控制OMBR中盐度积累的设想,成功实现了盐度的控制。以此为基础,在本研究中提出了一种新型的污水处理与回用工艺―祸合MF的OMBR 。MFO-MBR中FO膜的出水满足饮用水的标准,可以作为高品质的回用水,而MF膜的出水可以满足城市杂用水的水质标准。基于此,MFO-OMBR在今后的污水处理与回用领域应该具有良好的应用前景。
  已有的关于OMBR的研究均是采用HTI生产的三乙酸纤维材质的FO膜。最近面世的另一种材质的FO膜一聚酞胺复合薄膜的稳定性和亲水更好,且反向盐渗透更低,具有更好的应用前景。因此,本文选取HTI公司生产的TFC材质的FO膜构建MFO-MBR,并从运行通量、出水水质、盐度积累、污泥性质和膜污染等方面来考察MFO-MBR处理生活污水的运行性能。
  1 实验部分
  1.1 实验装置
  本实验采用的MFO-MBR装置如图1所示,主要由生物反应器、空气供给系统、进水系统、出水系统、FO膜组件、MF膜组件和汲取液系统等组成。生物反应器的有效体积为
  7. 0 L,在膜元件下方连续曝气,一方面为反应器提供氧气,另一方面增加膜面的剪切力,减缓膜污染。

  实验使用的MF膜为聚偏氟乙烯材质的平板膜,其平均孔径为0. 2 um。中空纤维膜纺丝机外形像纤维状,具有自支撑作用的膜。它是非对称膜的一种,其致密层可位于纤维的外表面/如反渗透膜,也可位于纤维的内表面(如微滤膜和超滤膜)。对气体分离膜来说,致密层位于内表面或外表面均可。 FO膜为HTI公司生产的TFC材质的平板膜。所用FO膜为非对称膜,分为活性层和支撑层,且已有研究(research)表明膜污染物更易于在支撑层沉积,因此本实验所采用的膜的朝向为“活性层朝向原料液”。FO膜和MF膜元件的有效面积分别为0. 057 m2和0. 060 m2。MF膜的通量控制在LM H。
  汲取液选取1.0 mol / L的氯化钠溶液,并通过电导率仪控制浓度,当电导率仪示数小于设定值时,浓盐泵就会将
  5. 0 mol / L的氯化钠溶液打入汲取(吸取汲取教训)液池中,以保证汲取液浓度稳定(解释:稳固安定;没有变动),从而提供稳定的渗透压差,排除由于汲取液稀释而引起的通量下降的影响。
  整个实验过程在℃的恒温室内运行,HRT控制在 h, SRT为10 d,曝气量为0. 45士0. 02 ) m3 / h,污泥浓度最终稳定在 g / L,进水为人工配置的生活污水,连续运行30 d。
  1. 2 接种污泥和实验用水
  实验接种污泥取自连续处理模拟生活污水3个月以上的浸没式MBR,混合液悬浮固体浓度为5.5 -7.0 g / L,混合液挥发性悬浮固体浓度为
  3. 85 -
  5. 95 g / L,MLVSS/MLSS为0. 70 - 0. 85。本实验采用的实验用水为人工配制的模拟生活污水,其中,葡萄糖、碳(C)酸氢钱和磷酸二氢钾分别为其主要的碳源、氮源和磷源。浸没式MBR的介绍和模拟生活污水的配方见文献。
  1. 3 膜污染评价装置
  为考察MFO-MBR中FO膜污染情况,本实验采用膜污染评价装置进行评价。如图2所示,该装置主要由原料液池、FO膜组件和汲取液系统等组成。原料液池的有效容积为0. 9 L。 FO膜组件分为上下相同的两室,上侧通汲取液,下侧过进料液,每室尺寸均为:宽40 m
  M、长85 m
  M、深20 mm。测试原料液为去离子水,汲取液为
  1. 0 mol / L氯化钠,浓盐为
  5. 0 mol / L 氯化钠,实验(experiment)在25℃恒温室中进行,每30 min测定一次通量,连续运行8 h。

  1. 4实验方法
  膜通量采用单位时间内通过单位面积膜的透过量表示。进水、活性污泥滤液、出水的NHQ -N浓度均用标准方法测定。进水、活性污泥滤液、出水的TOC用TOC分析仪测定。
  活性污泥中溶解性胞外聚合物和附着性胞外聚合物的提取采用加热离心提取法。 SMP和BEPS的含量均采用多糖和蛋白质加和的形式表征,其中蛋白质用考马斯亮蓝0250染色法测定,多糖采用苯酚一硫酸法测定。
  运行结束后的污染膜组件,其中一面膜裁剪出2片
  8. 5 cm x
  4. 0 cm大小的污染膜,分别用来分析清洗前和清洗后的膜通量;另一面裁取
  5. 0 mm x
  5. 0 mm的污染膜,于38℃下烘干2h,通过SEM-EDX分析污染膜面的形态和元索种类。此外,借助多重染色结合激光(LASER)共聚焦显微镜的方法分析污染膜面的生物污染。结合已有文献,使用异硫氰酸荧光索,刀豆蛋白A ,卡尔科弗卢尔荧光增白剂和总细胞核酸染剂SYTO 63四种染色剂分别对FO膜样品的生物污染层中的蛋白质,α-D-毗喃多糖,β-D-毗喃多糖和微生物总细胞进行染色,并分别在488、 552、 405和638 nm的激发波长下通过CLSM 进行观察,染色剂的制备以及详细的染色过程(guò chéng)参见文献。
  2 结果与讨论
  2. 1 通量和盐度的变化
  通量和混合液电导率随时间的变化如图3所示。中空纤维膜纺丝机通过膜技术进行水处理,应用于制药、酿造、餐饮、化工、市政污水回佣、医院、小区污水会用、造纸等生产生活污水处理。膜分离技术是一种广泛应用于溶液或气体物质分离、浓缩和提纯的分离技术。膜壁微孔密布,原液在一定压力下通过膜的一侧,溶剂及小分子溶质透过膜壁为滤出液,而大分子溶质被膜截留,达到物质分离及浓缩的目的。膜分离过程为动态过滤过程,大分子溶质被膜壁阻隔,随浓缩液流出,膜不易被堵塞,可连续长期使用。膜生物反应器在污水处理,水资源再利用领域,MBR又称膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor ),是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术。由图3可知,反应器内电导率在刚加入FO膜后,即有大幅度上升,这主要是由于反向盐渗透(Osmosis)。5d后电导率稳定在
  1. 7 mS / cm左右,这表明MF的引入成功实现了MFO-MBR的低盐度环境。FO膜通量在初始运行阶段,随着时间的推移呈明显下降趋势,至第13天时稳定在
  6. 5 LMH左右,之后随时间的增加通量相对稳定(解释:稳固安定;没有变动)。需要指出的是,在整个运行过程(guò chéng)中,MF膜的通量始终维持在11 LMH,未发生通量的衰减。在已有关于未引入MF膜的OMBR研究中,进水水质、汲取液种类及浓度和接种污泥均相同的条件下,TFC膜通量在第10天后稳定在
  3. 0 LMH,反应器内电导率增加至22 mS / cm。与之相比,本研究的MFO-MBR具有更低的盐度和更高的运行通量。这说明MF膜的引入不仅可以使反应器维持在低盐环境,而且由于盐度的下降造成了FO膜运行通量的大幅提高。同时,与已有采用CTA材质FO膜的祸合MF膜的OMBR相比,在相同的运行条件下,TFC膜控制的盐度低于CTA膜,这说明TFC膜比CTA膜具有更好的盐度控制效果。

  2. 2 TOC和NH4+ -N的变化
  为了考察MFO-MBR去除氨氮和有机物的性能,分别测定进水、污泥滤液、FO膜和MF膜出水的NH4+ -N和TOC浓度,结果如图4所示。从图4可以发现,活性污泥滤液中的NH4+ -N浓度初始阶段略高,随后呈下降趋势,最终稳定在0. 5 mg / L 左右,而MF出水和FO出水NH4+ -N去除率始终高达98%。从图4还可以发现,污泥上清液TOC浓度维持在18 mg / L左右,生物作用去除了88%的有机物,而FO的截留作用较MF截留效果更突出,最终FO出水TOC的去除率可达到96%以上,但是MF膜的出水TOC也始终小于10 mg / L 。综合NH4+ -N和TOC的去除情况,MF膜的加入有效缓解了盐度积累的问题,使反应器维持在低盐度的环境下运行,有效提高了NH4+ -N的生物去除效果,而由于FO膜的高截留性能,TOC的浓度大幅下降,保证了出水水质的稳定。从出水水质来看,MFO-MBR中的MF的出水可以满足城市杂用水的水质要求,而FO的出水在经过RO的处理后完全可以达到饮用水的标准。
  2. 3 EPS的变化
  EPS来自于正常的细胞分泌物、细胞裂解和水解产物,由多糖、蛋白质、脂类、核酸等组成,根据位置(position )和结合方式的不同可以分为BEPS和SMP。 MFO-MBR装置中活性污泥的SMP和BEPS的变化如图5所示。需要指出的是,本研究采用多糖和蛋白质相加的形式来表征EPS的量,由于本实验主要以葡萄糖为碳(C)源,所有的SMP和BEPS都以多糖为主。这也与相关的报道一致。
  从图5可以看出,活性污泥的SMP和BEPS含量在初始阶段都有上升的趋势,然后趋于稳定。结合图3中反应器内电导率的变化情况,初始阶段盐度的突然上升导致污泥产生大量的EPS,而随着时间的推移,反应器内盐度稳定,EPS的含量亦没有较大的变化。在已有的OMBR研究中,由于盐度没有控制,会出现EPS含量持续上升的情况。然而,虽然本研究的EPS含量比较稳定,但是其含量较高。考虑到EPS对膜污染的重要贡献,稳定的高EPS浓度可能会加重MFO-MBR运行过程中FO膜的生物污染。

  2. 4 FO膜感染
  2.
  4. 1 污染膜的外部形貌及元素组成
  为了原位分析(Analyse)膜面污染物的形态和组成,通过SEM和EDX分别分析膜面污染物的形态以及膜面元素的组成,结果如图6所示。
  SEM结果表示,膜面全部被污染物覆盖,呈不规则形状。EDX结果显示,污染膜的成分包括
  C、
  N、
  O、N
  A、M
  G、A
  I、S
  I、
  P、
  S、C
  I、Ca和Fe等离子,其中无机污染离子主要为N
  A、S
  I、
  P、
  S、C
  I、Ca和Fe,其次为Mg和Al。在MFO-MBR运行过程中,进水和活性污泥中都存在这些金属离子,因此,进水和活性污泥为无机污染的主要来源,这与已有研究结果相似。
  2.4.2 污染膜的生物污染物
  图7为MFO-MBR连续运行30 d后FO膜表面生物感染层中总细胞、蛋白质(protein)、α-D-毗喃多糖及β-D-毗喃多糖4种污染物质的CLSM图像。从图7可以看出,FO膜的生物污染层主要由总细胞、蛋白质、α-D-毗喃多糖及β-D-毗喃多糖这4种物质组成,成分与已有研究相似。微生物总细胞在膜面聚集且形成一层致密的污染层。蛋白质与微生物总细胞一样,大量聚集成块状沉积在FO膜表面,形成致密的蛋白质污染层。与总细胞和蛋白质相比,α-D-毗喃多糖的含量较少,且比较松散,孔隙率较大,而β-D-毗喃多糖分布更松散,仅有部分呈条带状分布。与已有研究相比,本研究TFC污染膜面的生物总细胞的量明显增多,这可能是由于盐度缓解后,微生物的量有所增加。

  2. 5 通量恢复情况
  实验结束后,以去离子水为原料液,测定污染膜的水通量。测试结束后,立即将膜面的污染物采用自来水冲洗的方式进行清洗,然后以去离子水为原料液,测定简单物理清洗后膜的水通量。污染FO膜以及物理清洗后的膜通量如图8所示。采用膜评价装置在同等测试条件下获得新TFC膜初始通量为
  14. 1LM H。从图8可以看出,污染膜通量仅为新膜通量的72.8 %,下降了27.2%。然而,经过简单的物理清洗后,FO膜的通量恢复为新膜通量的84.0%,提升了11.2%,但与新膜仍有一定的差距。这说明加入MF膜后,在盐度得到控制的前提下,膜污染成为通量衰减的主要原因,且主要为不可逆污染。与同等运行条件下的CTA膜相比,TFC膜在经过物理清洗后的通量恢复效果较差。在今后的研究中需要继续开展TFC膜的化学清洗研究,进一步提升通量的恢复效果。具体参见污水宝商城资料(Means)或
  3 结论
  1)MF的引入有效减缓了OMBR中盐度的积累,并大幅提升了FO膜的运行通量。与CTA材质的FO膜相比,TFC材质的FO膜具有更好的盐度缓解效果和更高的运行通量。
  2) MFO-MBR具有较好的TOC和NH4+ -N的去除效果,MF的出水可以满足城市杂用水的水质要求,而FO出水中TOC和NH4+ -N的去除率分别高达96%和98%。
  3 ) MFO-MBR运行30 d后,TFC膜表面覆盖厚厚的污染层,除了无机物外,主要有机和生物污染物为总细胞、蛋白质、α-D-毗喃多糖及β-D-毗喃多糖,且以微生物和蛋白质为主。
  4)在盐度得到控制后,膜污染成为通量衰减的主要原因,对污染膜进行简单的物理清洗后,通量略有提升。

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