120d/t的一體化農(nóng)家樂污水處理設(shè)備供應(yīng)商

山東普利斯環(huán)保主要生產(chǎn)各種型號(hào)的生活污水、醫(yī)院污水處理設(shè)備，小到3噸5噸，大到幾百噸，如果您有需要，不妨關(guān)注下我們，相信一次的合作會(huì)讓我們成為一生的朋友！

近年來, 石油、印染、化工、皮革等行業(yè)快速發(fā)展, 隨之而來的含鹽廢水量急劇增長(zhǎng).這類廢水通常采用傳統(tǒng)生物法進(jìn)行處理, 但由于其含有的高濃度無機(jī)鹽物質(zhì)會(huì)造成細(xì)胞溶解、生物質(zhì)呼吸速率降低、沉降性變差, 使得傳統(tǒng)生物法處理效率低下.針對(duì)此類廢水處理難度大、流程復(fù)雜、成本過高等問題, 尋找一種經(jīng)濟(jì)高效、簡(jiǎn)單實(shí)用的處理技術(shù)才能滿足日趨嚴(yán)格的行業(yè)污水排放標(biāo)準(zhǔn).

厭氧膜生物反應(yīng)器(anaerobic membrane bioreactor, AnMBR)是厭氧生物處理與膜分離技術(shù)相結(jié)合的污水處理技術(shù), 該技術(shù)通過膜過濾截留作用, 增加污泥濃度和污泥停留時(shí)間, 有利于積累對(duì)鹽度耐受的微生物. Yurtsever等[4]采用AnMBR處理含有不同質(zhì)量濃度(0~1 000 mg·L-1)NaCl的紡織合成廢水, 發(fā)現(xiàn)盡管生物質(zhì)濃度明顯降低, 但COD去除率仍高達(dá)90%以上; Jeison等分別用傳統(tǒng)和裝有膜的上流式厭氧污泥床反應(yīng)器處理含鹽廢水, 在Na質(zhì)量濃度由24 g·L-1降至16 g·L-1時(shí), 傳統(tǒng)污泥床反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸(VFA)濃度驟增, 反應(yīng)器內(nèi)嚴(yán)重酸化, 裝有膜的反應(yīng)器則運(yùn)行穩(wěn)定.這說明AnMBR在處理高鹽高有機(jī)物廢水時(shí), 不僅穩(wěn)定性良好, 而且表現(xiàn)出較高的耐沖擊負(fù)荷能力, 擁有廣闊的發(fā)展前景.

厭氧膜生物反應(yīng)器在實(shí)際工程中的應(yīng)用受到局限的主要原因是膜污染. Huang等利用浸沒式AnMBR處理生活污水, 發(fā)現(xiàn)膜污染在SRT為60d時(shí)得到*控制, 延長(zhǎng)或縮短SRT都會(huì)導(dǎo)致更多的顆粒物積累在膜表面, 增加膜污染.原曉玉等在25℃和35℃下分別運(yùn)行AnMBR, 觀察到溫度為35℃系統(tǒng)膜污染速率更低, 膜運(yùn)行周期更長(zhǎng). Huang等的研究表明較短的HRT會(huì)促進(jìn)生物量和可溶性微生物產(chǎn)物(soluble microbial products, SMP)中蛋白質(zhì)類物質(zhì)的增長(zhǎng)從而加速膜污染.目前對(duì)AnMBR在處理含鹽廢水條件下引起的膜污染特性研究還較少見.

本實(shí)驗(yàn)采用AnMBR處理模擬含鹽有機(jī)廢水, 重點(diǎn)考察提升鹽度對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行效能、產(chǎn)氣能力、污泥性質(zhì)、膜污染特性的影響, 以期為厭氧膜生物反應(yīng)器在實(shí)際處理含鹽廢水工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示, AnMBR反應(yīng)器主體是有機(jī)玻璃材料構(gòu)成的圓柱體, 高25 cm, 直徑22 cm, 有效容積為8 L. AnMBR設(shè)置溫控裝置, 通過電熱絲將溫度控制在(35±0.5)℃.由聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)制成的中空纖維膜組件, 膜表面積0.235 m2, 平均孔徑0.22 μm, 以懸掛方式置于污泥混合懸浮液中.

1.配水箱; 2.進(jìn)水泵; 3.加熱絲; 4.中空纖維膜組件; 5.溫控探頭; 6.攪拌子; 7.磁力攪拌器; 8.氣體收集裝置; 9.壓力表; 10.出水泵圖 1 AnMBR反應(yīng)器裝置及示意 Fig. 1 Schematic diagram of the AnMBR
本實(shí)驗(yàn)進(jìn)水通過蠕動(dòng)泵流入反應(yīng)器, 利用磁力攪拌使之與污泥懸浮液混合均勻, 水力停留時(shí)間設(shè)置為6 d.反應(yīng)器外部設(shè)有氣體收集裝置, 采用排水法收集厭氧反應(yīng)產(chǎn)生的沼氣.膜組件與出水泵間設(shè)置真空表監(jiān)測(cè)跨膜壓差(transmembrane pressure, TMP), 當(dāng)TMP超過35 kPa時(shí), 對(duì)膜組件進(jìn)行物理化學(xué)清洗.

1.2 污泥與進(jìn)水水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)所用接種污泥取自青島市麥島污水處理廠, 接種污泥的混合液懸浮固體濃度(mixed liquid suspended solids, MLSS)為31.9 g·L-1, 接種體積1 L.反應(yīng)器進(jìn)水采用配制的模擬含鹽有機(jī)廢水, 其組成為：C6H6O6、CH3COONa、NH4Cl和KH2PO4, 按COD:N:P≈55:5:1比例配制成模擬含鹽有機(jī)廢水.鹽度采用投加海水晶控制, 由于海水晶含有Ca2+、Fe2+、Mg2+、Mn2+、Zn2+和Co2+等離子, 因此進(jìn)水不額外添加微量元素.

1.3 出水水質(zhì)與污泥性質(zhì)分析方法

COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定; pH采用雷茲PHS-3DpH計(jì)測(cè)定; VFA和氣體采用氣相色譜法測(cè)定; 混合液懸浮固體濃度(MLSS)和混合液揮發(fā)性懸浮固體(mixed liquor volatile suspended solids, MLVSS)采用重量法測(cè)定; 蛋白質(zhì)采用Folin-酚試劑法[11]; 多糖采用*-硫酸法測(cè)定.

1.4 膜污染特性分析方法

出水時(shí)啟動(dòng)蠕動(dòng)泵, 待真空壓力表讀數(shù)穩(wěn)定后, 將該讀數(shù)記為當(dāng)天跨膜壓差(TMP)值, 同時(shí)收集一定體積水量并記錄耗時(shí), 即可計(jì)算當(dāng)天膜通量和膜總阻力.膜總阻力根據(jù)Darcy公式[式(1)計(jì)算：

(1)
式中, R為膜總阻力, m-1; ΔP為跨膜壓差(TMP), Pa; μ為滲濾液動(dòng)力黏度系數(shù), Pa·s; J為膜通量, L·(m2·h)-1.

膜面污染物特征及其元素組成采用掃描電子顯微鏡(SEM)和能量散射X射線能譜儀(EDX)分析, 膜面污染物有機(jī)成分采用三維熒光光譜(EEM)分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 AnMBR運(yùn)行特性

2.1.1 鹽度對(duì)COD去除效果的影響

AnMBR運(yùn)行分為兩階段, 包括54 d啟動(dòng)階段和64 d鹽度提升階段.啟動(dòng)階段進(jìn)水COD從900 mg·L-1逐步上升并穩(wěn)定在2 100 mg·L-1.如圖 2所示, 反應(yīng)器對(duì)COD的去除率在初期因?yàn)樗νＡ魰r(shí)間(HRT)過短而出現(xiàn)劇烈波動(dòng), 調(diào)整HRT后, COD去除率提高至97%以上.鹽度提升階段, 在一定鹽度范圍內(nèi)COD去除率隨進(jìn)水含鹽量增加略有上升, 說明適當(dāng)?shù)柠}度通過調(diào)節(jié)微生物滲透壓和酶活性, 提高了微生物利用有機(jī)物的能力; COD去除率在鹽度增加到9.1g·L-1時(shí)急速下降, 此后雖然延長(zhǎng)了每個(gè)鹽度適應(yīng)期, 但出水COD濃度仍在增加, COD去除率終在鹽度為10g·L-1時(shí)降至80%以下, 這可能是因?yàn)檩^高的鹽濃度使微生物胞外滲透壓過高, 導(dǎo)致細(xì)胞脫水產(chǎn)生質(zhì)壁分離、細(xì)胞質(zhì)溶解并終裂解死亡.

圖 2 AnMBR對(duì)COD去除效果 
2.1.2 鹽度對(duì)pH、VFA的影響

在厭氧處理過程中, 產(chǎn)甲烷菌的適pH范圍在6.8~7.2之間, 當(dāng)進(jìn)水pH在上述范圍內(nèi)時(shí), 分析圖 3(a)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器運(yùn)行過程中出水pH除在啟動(dòng)初期出現(xiàn)波動(dòng)外, 平均值在8.0~8.5之間, 表明反應(yīng)器內(nèi)無酸化現(xiàn)象發(fā)生.

圖 3 反應(yīng)器出水pH和VFA濃度變化 
揮發(fā)性脂肪酸(VFA)濃度是判斷厭氧反應(yīng)器性能特別是產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌活性的重要指標(biāo).如圖 3(b)所示, VFA含量隨有機(jī)負(fù)荷增加而降低并穩(wěn)定在150mg·L-1左右, 這與Jeison等提高有機(jī)負(fù)荷產(chǎn)生更多量VFA的研究結(jié)果不同, 分析原因可能是其反應(yīng)器酸化隨有機(jī)負(fù)荷增加升高達(dá)65%, 而本實(shí)驗(yàn)中AnMBR運(yùn)行良好未發(fā)生酸化現(xiàn)象, 大量的有機(jī)酸被分解轉(zhuǎn)化成為甲烷、二氧化碳等物質(zhì).鹽度提升階段, 短期鹽度增加使產(chǎn)甲烷菌利用VFA的能力下降, VFAzui高增加到342mg·L-1; 當(dāng)鹽度在0.9~9.1 g·L-1范圍內(nèi)增加時(shí), VFA總量下降且乙酸在VFA總量中的占比明顯提高, 而在所有VFA中, 乙酸和丁酸有利于甲烷形成, 其中乙酸的貢獻(xiàn)超過70%, 這說明鹽度在這一范圍內(nèi)變化時(shí)能促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌將揮發(fā)性有機(jī)酸轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳的效率提升, 有利于反應(yīng)器產(chǎn)甲烷性能提高.

2.1.3 鹽度對(duì)氣體產(chǎn)量與組成的影響

從圖 4觀察到氣體產(chǎn)量和甲烷百分比在鹽度為1.3~2.1g·L-1時(shí)都達(dá)到了大值, 甲烷百分比穩(wěn)定在46%~65%范圍內(nèi), 這與Song等的研究結(jié)果相似; 當(dāng)鹽度高于2.1g·L-1后, 氣體產(chǎn)量和甲烷占比整體呈下降趨勢(shì), 在110 d后, 與圖 3(a)和圖 3(b)對(duì)比發(fā)現(xiàn)雖然反應(yīng)器內(nèi)pH值升高, 乙酸濃度和VFA總量增加, 但氣體產(chǎn)量和甲烷占比均明顯下降, 分析原因可能是一方面產(chǎn)酸菌對(duì)環(huán)境pH值的適應(yīng)范圍較寬, 一些產(chǎn)酸菌在pH值為5.5~8.5范圍內(nèi)生長(zhǎng)良好, 另一方面產(chǎn)甲烷菌比產(chǎn)酸菌對(duì)鹽度更敏感, 高鹽度使產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞滲透壓失衡、酶活性下降, 且鹽度越高乙酸硝化產(chǎn)生甲烷的量越少.

圖 4 AnMBR氣體產(chǎn)量和甲烷含量
2.2 AnMBR污泥性質(zhì)

2.2.1 鹽度對(duì)污泥濃度的影響

圖 5反映了AnMBR運(yùn)行期間污泥濃度的變化情況.混合液懸浮固體濃度(MLSS)和混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)在啟動(dòng)階段略有波動(dòng), 基本穩(wěn)定在5.0~6.0g·L-1之間; 隨著鹽度提升, MLVSS/MLSS不斷下降, 二者均呈現(xiàn)先增加趨勢(shì), 且在鹽度為2.1~9.1 g·L-1范圍內(nèi)增加明顯, 其原因可能是活性污泥中的微生物在這一鹽度范圍內(nèi)生長(zhǎng)代謝加快, 微生物量增加; 當(dāng)鹽度大于9.1 g·L-1時(shí), 二者均減少, 說明過高的鹽度會(huì)使微生物裂解死亡并分泌大量胞外聚合物終使污泥濃度下降.

圖 5 活性污泥MLSS和MLVSS變化
2.2.2 鹽度對(duì)污泥沉降性能的影響

分析圖 6發(fā)現(xiàn)污泥體積指數(shù)(SVI)在啟動(dòng)階段由126.94mL·g-1突增到140.38mL·g-1, 這可能是水力停留時(shí)間過短同時(shí)反應(yīng)器運(yùn)行初期存在跑泥現(xiàn)象造成的; 隨著反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)負(fù)荷的增加, SVI逐漸降低, 說明污泥絮體因微生物生長(zhǎng)代謝所分泌的胞外產(chǎn)物而絮凝在一起, 使得污泥沉降性能增強(qiáng).鹽度提升階段, SVI值在鹽度為0.3~3.1 g·L-1范圍內(nèi)下降, 說明這一范圍的鹽度使得各個(gè)微生物群落結(jié)合得更緊密; 但當(dāng)鹽度繼續(xù)升高時(shí), SVI值增加, 可能是高鹽度微生物細(xì)胞裂解死亡后細(xì)胞質(zhì)和分泌物大量懸浮在混合液中, 導(dǎo)致污泥沉降性能變差.

圖 6 污泥SVI值變化 
2.2.3 鹽度對(duì)SMP、EPS的影響

圖 7直觀地呈現(xiàn)了鹽度提升階段AnMBR污泥混合液中溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)和胞外聚合物(EPS)的變化. SMP[圖 7(a)]隨鹽度提升先穩(wěn)中有降后增加, 除個(gè)別點(diǎn)外EPS[圖 7(b)]隨鹽度提升而增加.分析原因可能是一方面一定范圍鹽度促進(jìn)微生物生長(zhǎng)代謝提高了其對(duì)多糖、蛋白質(zhì)等有機(jī)物的利用能力, 分泌更多的胞外聚合物; 另一方面, 過高的鹽度使微生物細(xì)胞脫水裂解死亡釋放出蛋白酶等有機(jī)物, 導(dǎo)致污泥混合液中蛋白質(zhì)和多糖的積累.

圖 7 SMP和EPS濃度變化
2.3 膜污染特性

2.3.1 膜污染程度表征

跨膜壓差(TMP)是衡量膜污染程度的重要參數(shù), 這是因?yàn)榕c膜結(jié)垢有關(guān)的顆粒和膠體等物質(zhì)會(huì)堵塞膜孔導(dǎo)致跨膜壓差明顯增加.以膜組件開始運(yùn)行到TMP超過35 kPa取出清洗計(jì)為一個(gè)周期, 分析圖 8發(fā)現(xiàn)AnMBR的中空纖維膜組件在118 d內(nèi)一共運(yùn)行了3個(gè)周期, 啟動(dòng)階段TMP的快速增加可能是由于膜孔的快速阻塞和膠體物質(zhì)在膜表面聚集形成凝膠層.隨后膜的運(yùn)行周期延長(zhǎng), 這可能是因?yàn)榉磻?yīng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定, 適當(dāng)增加鹽度能促進(jìn)微生物對(duì)有機(jī)物的降解效能, 污泥中的SMP、EPS中的蛋白質(zhì)和糖類等物質(zhì)減少, 膜污染相較第1周期減輕.而膜運(yùn)行的第3周期TMP較前兩周期增加得更為緩慢, 除以上原因外還可能是反應(yīng)器*在恒定過濾時(shí)間和恒定過濾流量的條件下運(yùn)行, 凝膠層和濾餅層積累得更為緩慢.

圖 8 跨膜壓差變化
膜總阻力的變化規(guī)律與TMP基本相同.使用物理化學(xué)法清洗被污染的膜組件, 重新運(yùn)行時(shí)起始的膜總阻力總是要高于前一周期, 分析其原因可能是物理化學(xué)法并不能清洗掉全部的膜垢, 一些難以降解的物質(zhì)會(huì)不斷積累在膜孔中形成不可逆膜垢.

2.3.2 膜面污染物的掃描電鏡-能譜(SEM-EDX)分析

通過SEM觀察運(yùn)行結(jié)束后膜面污染物的形態(tài)(圖 9), 發(fā)現(xiàn)大量顆粒、膠體物質(zhì)聚集在中空纖維膜表面形成密實(shí)的污染層, 幾乎觀察不到未被堵塞的膜孔, 說明膜污染十分嚴(yán)重.膜面污染物中還出現(xiàn)一些方形的、有棱角的、類似結(jié)晶狀的物質(zhì), 這極有可能是污泥混合液中的無機(jī)鹽離子在膜表面結(jié)晶所致.

圖 9 膜面污染物SEM圖
采用EDX分析膜面污染物中的無機(jī)成分組成發(fā)現(xiàn)(圖 10和表 1), C、O、S可認(rèn)為是膜面污染物的有機(jī)成分, 無機(jī)成分則為Na、Mg、Al、Si、Cl、K、Ca和Fe. Wang等發(fā)現(xiàn)由Mg、Al、Fe、Ca和Si等元素組成的無機(jī)物質(zhì)沉積在膜表面和有機(jī)物結(jié)合形成的凝膠層是造成膜污染的重要原因.金屬離子在通過膜時(shí), 可被微生物細(xì)胞和大分子有機(jī)物因電荷中和而絡(luò)合, 形成致密的膜垢, 加速膜污染.

表 1 膜面污染物中主要元素所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%  

2.3.3 膜面污染物的有機(jī)成分分析

目前普遍認(rèn)為溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)和胞外聚合物(EPS)是膜面污染物主要有機(jī)成分, 其組成包括糖類和蛋白質(zhì)等. 表 2展示了污泥混合液和膜污染物中SMP、EPS的含量, 其中膜污染物中兩者的含量要遠(yuǎn)大于混合液中的含量, 分析原因可能是混合液中的污染物在反應(yīng)器*運(yùn)行中不斷在膜面積累, 并通過絮凝、絡(luò)合、架橋等一系列相互作用, 使得污染物之間結(jié)合更加致密.

表 2 污泥混合液與膜面污染物中SMP和EPS含量(MLSS) /mg·g-1 

圖 11顯示了通過三維熒光光譜(EEM)分析膜面污染物的結(jié)果.觀察到圖譜中主要有3個(gè)熒光峰, 對(duì)應(yīng)的有機(jī)成分分別為中等激發(fā)波長(zhǎng)類*(Ⅳ區(qū))、低激發(fā)波長(zhǎng)類絡(luò)氨酸(Ⅱ區(qū))以及高激發(fā)波長(zhǎng)類腐殖酸(Ⅴ區(qū)).這表明蛋白質(zhì)與腐殖酸類物質(zhì)是膜面有機(jī)污染物的主要成分.

3 結(jié)論

(1) 鹽度對(duì)AnMBR處理廢水的運(yùn)行效能有較大影響, 當(dāng)鹽度大于9.5g·L-1時(shí), COD去除率迅速?gòu)?8%降至80%以下, 反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸積累, 氣體產(chǎn)量和甲烷占比均減少.

(2) 隨著AnMBR系統(tǒng)的鹽度不斷提升, 污泥性質(zhì)有較大變化, MLSS和MLVSS緩慢增長(zhǎng), 在鹽度為9.1g·L-1時(shí)達(dá)到大值, SVI先從126.94 mL·g-1降至53.23 mL·g-1后上升, SMP和EPS增長(zhǎng)相對(duì)穩(wěn)定.

(3) 中空纖維膜組件在118 d內(nèi)運(yùn)行了3個(gè)周期, 且隨鹽度增加膜運(yùn)行周期由31 d延長(zhǎng)為48 d.用SEM-EDX分析發(fā)現(xiàn)膜面污染物中有類似結(jié)晶狀物質(zhì), Na、Mg、Al、Si、Cl、K、Ca和Fe為主要無機(jī)元素.用EEM分析膜面污染物發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)與腐殖酸是膜面有機(jī)污染物的主要成分.

(4) 綜合鹽度對(duì)AnMBR運(yùn)行特性、污泥性質(zhì)和膜污染的影響, 將進(jìn)水鹽度逐漸提升并控制在2.1~3.1 g·L-1范圍內(nèi)能使系統(tǒng)處理含鹽有機(jī)廢水效率達(dá)到zui高, 并有效減緩膜污染.(來源：環(huán)境科學(xué) 作者：閆歡汐)

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