污水處理膜工藝分析

1、污水處理膜工藝分析近年來(lái)，膜生物反應(yīng)器(membra ne bioreactor,MBR由于具有出水水質(zhì)好、占地面積小、剩余污泥少、操作管理方便等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理與回用領(lǐng)域得到了快速的推廣應(yīng)用。然而，目前MBR仍然面臨著膜污染較重的問(wèn)題，影響了工藝的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。2008年，國(guó)外學(xué)者提出了一種新型的 MBF替代工藝，正滲透膜生物反應(yīng)器(osmotic membra ne bioreactor,OMBR。OMB睞用正滲透(forward osmosis , FO)膜代替?zhèn)鹘y(tǒng) MBF中使用的微濾(micro-filtration, MF)膜或超濾(ultra-filtration , OF)膜來(lái)

2、實(shí)現(xiàn)泥水分離。由于FO過(guò)程借助兩側(cè)的滲透壓差而不是外加壓力作為驅(qū)動(dòng)力，與MBF相比，OMBR具有工藝能耗低、膜污染趨勢(shì)小、出水水質(zhì)可靠等優(yōu)點(diǎn)。作為一種新型的污水處理方法，OMBRI前仍處于研究階段，遇到的瓶頸之一就是鹽度的積累。F0膜的高效截留和反向鹽擴(kuò)散導(dǎo)致OMBF內(nèi)鹽度大幅上升，直接造成滲透壓差的減少和FO膜通量的大幅衰減，同時(shí)對(duì)微生物活性產(chǎn)生不利影響。考慮到MF膜具有允許溶解性鹽透過(guò)的特性，筆者在之前的研究中提出了采用MF膜來(lái)控制OMBF中鹽度積累的設(shè)想，成功實(shí)現(xiàn)了鹽度的控制。以此為基礎(chǔ)，在本研究中提出了一種 新型的污水處理與回用工藝一禍合MF的OMBR ( micro-filtrati

3、on and forward osmosismembrane bioreactor, MFO-MBR) 。MFO-MB中 FO膜的出水滿足飲用水的標(biāo)準(zhǔn)，可以作為 高品質(zhì)的回用水，而 MF膜的出水可以滿足城市雜用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?；诖?，MFO-OMB在今后的污水處理與回用領(lǐng)域應(yīng)該具有良好的應(yīng)用前景。已有的關(guān)于OMB的研究均是采用 HTI生產(chǎn)的三醋酸纖維(cellulose triacetate , CTA) 材質(zhì)的FO膜。最近面世的另一種材質(zhì)的FO膜一聚酞胺復(fù)合薄膜(thin film compositepolyamide , TFC)的穩(wěn)定性和親水更好，且反向鹽滲透更低，具有更好的應(yīng)用前景。因此

4、， 本文選取HTI公司生產(chǎn)的TFC材質(zhì)的FO膜構(gòu)建MFO-MBR并從運(yùn)行通量、出水水質(zhì)、鹽度 積累、污泥性質(zhì)和膜污染等方面來(lái)考察MFO-MB處理生活污水的運(yùn)行性能。1實(shí)驗(yàn)部分1.1實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)采用的MFO-MB裝置如圖1所示，主要由生物反應(yīng)器、空氣供給系統(tǒng)、進(jìn)水系統(tǒng)、 出水系統(tǒng)、FO膜組件、MF膜組件和汲取液系統(tǒng)等組成。生物反應(yīng)器的有效體積為7. 0 L ,在膜元件下方連續(xù)曝氣， 一方面為反應(yīng)器提供氧氣， 另一方面增加膜面的剪切力， 減緩膜污 染。實(shí)驗(yàn)使用的MF膜為聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)材質(zhì)的平板膜，其平均孔徑為0. 2 um 。 FO膜為H

5、TI公司生產(chǎn)的TFC材質(zhì)的平板膜。所用F0膜為非對(duì)稱膜，分為活性層和支撐層，且已有研究表明膜污染物更易于在支撐層沉積，因此本實(shí)驗(yàn)所采用的膜的朝向?yàn)椤盎钚詫映蛟弦骸?。F0膜和MF膜元件的有效面積分別為0.057 m2和0.060m2 MF膜的通量控制在(11 士 1)LM H。汲取液選取1.0 mol / L的氯化鈉溶液，并通過(guò)電導(dǎo)率儀控制濃度，當(dāng)電導(dǎo)率儀示數(shù)小 于設(shè)定值時(shí)，濃鹽泵就會(huì)將5. 0 mol / L的氯化鈉溶液打入汲取液池中，以保證汲取液濃度穩(wěn)定，從而提供穩(wěn)定的滲透壓差，排除由于汲取液稀釋而引起的通量下降的影響。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在(25 士 1) C的恒溫室內(nèi)運(yùn)行，HRT控制在(5.

6、 5 士 0. 5 ) h, SRT 為10d,曝氣量為0. 45 士 0. 02 ) m3 / h，污泥濃度最終穩(wěn)定在(2. 5 士 0.2) g / L，進(jìn)水為人工配置的生活污水，連續(xù)運(yùn)行30 d。1.2接種污泥和實(shí)驗(yàn)用水實(shí)驗(yàn)接種污泥取自連續(xù)處理模擬生活污水3個(gè)月以上的浸沒(méi)式 MBR混合液懸浮固體濃度(mixedliquor suspended solids,MLSS) 為 5.5 -7.0 g / L，混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)為 3. 85 -5. 95 g / L,MLVSS/MLSS 為 0. 70 - 0. 85。本實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)用水為人工配制的模擬生活污水，其中，葡

7、萄糖、碳酸氫錢和磷酸二氫鉀分別為其主要的碳源、氮源和磷源。浸沒(méi)式 MBR勺介紹和模擬生活污水的配方見(jiàn)文獻(xiàn)。1. 3膜污染評(píng)價(jià)裝置為考察MFO-MB中 FO膜污染情況，本實(shí)驗(yàn)采用膜污染評(píng)價(jià)裝置進(jìn)行評(píng)價(jià)。 如圖2所示， 該裝置主要由原料液池、FO膜組件和汲取液系統(tǒng)等組成。 原料液池的有效容積為 0. 9 L。FO 膜組件分為上下相同的兩室，上側(cè)通汲取液，下側(cè)過(guò)進(jìn)料液，每室尺寸均為：寬40 mm長(zhǎng)85 mm深20 mm測(cè)試原料液為去離子水，汲取液為1. 0 mol / L氯化鈉，濃鹽為 5. 0 mol/ L氯化鈉，實(shí)驗(yàn)在25 C恒溫室中進(jìn)行，每 30 min測(cè)定一次通量，連續(xù)運(yùn)行 8 h。1.4實(shí)

8、驗(yàn)方法膜通量采用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積膜的透過(guò)量表示。進(jìn)水、活性污泥濾液、出水的NHQN濃度均用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。 進(jìn)水、活性污泥濾液、出水的TOC用 TOC分析儀(Shimadzu TOG-Vcsh, Japan)測(cè)定。和附著性胞外聚合的提取采用加熱離心提取法。SMP其中蛋白質(zhì)用考馬斯亮藍(lán) 0250染色法活性污泥中溶解性胞外聚合物(soluble microbial products , SMP)2片8. 5 cm x 4. 0 cm大小的污染膜，5. 0 mm x 5. 0 mm 的污染膜，于 38 °C分析污染膜面的形態(tài)和元索種類。此的物(bo und extracellula

9、r polymeric substa nces,BEPS) 和BEPS的含量均采用多糖和蛋白質(zhì)加和的形式表征， 測(cè)定，多糖采用苯酚一硫酸法測(cè)定。運(yùn)行結(jié)束后的污染膜組件，其中一面膜裁剪出分別用來(lái)分析清洗前和清洗后的膜通量；另一面裁取下烘干 2h,通過(guò) SEM-EDX( Hitachi 54800 , Japan ) 外，借助多重染色結(jié)合激光共聚焦顯微鏡(con focal laser scanning microscopy,CLSM)方法分析污染膜面的生物污染。結(jié)合已有文獻(xiàn)，使用異硫氰酸熒光索(fluoresceinisothiocyanate , FITC ) ，刀豆蛋白 A ( concan

10、avalin A , ConA )，卡爾科弗盧爾熒光增白劑(calcofluor white , Cw)和總細(xì)胞核酸染劑 SYTO 63四種染色劑分別對(duì) FO膜樣品的生物污染層中的蛋白質(zhì)，a -D-毗喃多糖，3 -D-毗喃多糖和微生物總細(xì)胞進(jìn)行染色，并分別在 488、552、405 和 638 nm 的激發(fā)波長(zhǎng)下通過(guò) CLSM ( LEICA TCS SPS , Germany) 進(jìn)行 觀察，染色劑的制備以及詳細(xì)的染色過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)。2結(jié)果與討論2. 1通量和鹽度的變化通量和混合液電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化如圖3所示。由圖3可知，反應(yīng)器內(nèi)電導(dǎo)率在剛加入FO膜后，即有大幅度上升，這主要是由于反向鹽滲透。5

11、d后電導(dǎo)率穩(wěn)定在1.7 mS / cm左右，這表明MF的引入成功實(shí)現(xiàn)了 MFO-MBR勺低鹽度環(huán)境。FO膜通量在初始運(yùn)行階段，隨 著時(shí)間的推移呈明顯下降趨勢(shì)，至第13天時(shí)穩(wěn)定在6. 5 LMH左右，之后隨時(shí)間的增加通量相對(duì)穩(wěn)定。需要指出的是，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，MF膜的通量始終維持在 11 LMH未發(fā)生通量的衰減。在已有關(guān)于未引入 MF膜的OMBF研究中，進(jìn)水水質(zhì)、汲取液種類及濃度和接種污泥 均相同的條件下，TFC膜通量在第10天后穩(wěn)定在3. 0 LMH反應(yīng)器內(nèi)電導(dǎo)率增加至 22 mS/ cm。與之相比，本研究的 MFO-MB具有更低的鹽度和更高的運(yùn)行通量。這說(shuō)明MF膜的引入不僅可以使反應(yīng)器維持

12、在低鹽環(huán)境，而且由于鹽度的下降造成了FO膜運(yùn)行通量的大幅提高。同時(shí)，與已有采用 CTA材質(zhì)FO膜的禍合MF膜的OMB相比，在相同的運(yùn)行條件下，TFC膜控制的鹽度(1.7 mS / cm 左右)低于CTA膜 (5. 0 mS / cm 左右)，這說(shuō)明TFC膜比CTA膜具 有更好的鹽度控制效果。圖3 F"膜通員和污泥混合液電導(dǎo)率的變化怙況電辱率°o0°*Qoo00oortoooO o°0 0° °O0OOHff15間4.2n_二、花上壬.o.5.0.5.od.o3.z 二 1 1 o0.05-2052/dSo Q o o- o4. TJ

13、LMlMl(UEW«S3OH濾液出水FOfi*AAA A f *152025時(shí)間訕圖4反應(yīng)器進(jìn)出水N町-N(叮和TOC(b)的變化情況2. 2 TOC和NH4+ -N的變化為了考察MFO-MB去除氨氮和有機(jī)物的性能，分別測(cè)定進(jìn)水、污泥濾液、FO膜和MF膜出水的NH4+-N和TOO度，結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，活性污泥濾液中的 NH4- -N濃度初始階段略高，隨后呈下降趨勢(shì)，最終穩(wěn)定在0. 5 mg / L左右，而MF出水和FO出水NH4+-N去除率始終高達(dá) 98%從圖4(b)還可以發(fā)現(xiàn)，污泥上清液TOCM度維持在18 m( / L左右，生物作用去除了88%勺有機(jī)物，而FO

14、的截留作用較 MF截留效果更突出，最終 FO出水TOC的去除率可達(dá)到 96%上,但是MF膜的出水TOC也始終小于10 mg/ L 。綜合NH4- -N和TOC的去除情況，MF膜的加入有效緩解了鹽度積累的問(wèn)題，使反應(yīng)器維持在低鹽度的 環(huán)境下運(yùn)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的濃度大幅下降，保證了出水水質(zhì)的穩(wěn)定。從出水水質(zhì)來(lái)看，MFO-MB中的MF的出水可以滿足城市雜用水的水質(zhì)要求，而 F0的出水在經(jīng)過(guò) R0的處理后完全可以達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。2. 3 EPS的變化EPS來(lái)自于正常的細(xì)胞分泌物、細(xì)胞裂解和水解產(chǎn)物，由多糖、蛋白質(zhì)、脂類、核酸等 組成，根據(jù)位

15、置和結(jié)合方式的不同可以分為BEPS和SMP MFO-MBF裝置中活性污泥的 SMP和BEPS的變化如圖5所示。需要指出的是，本研究采用多糖和蛋白質(zhì)相加的形式來(lái)表征EPS的量，由于本實(shí)驗(yàn)主要以葡萄糖為碳源，所有的SMF和BEPS都以多糖為主。這也與相關(guān)的報(bào)道一致。從圖5可以看出，活性污泥的 SMF和BEPS含量在初始階段都有上升的趨勢(shì)，然后趨于 穩(wěn)定。結(jié)合圖3中反應(yīng)器內(nèi)電導(dǎo)率的變化情況，初始階段鹽度的突然上升導(dǎo)致污泥產(chǎn)生大量的EPS而隨著時(shí)間的推移，反應(yīng)器內(nèi)鹽度穩(wěn)定，EPS的含量亦沒(méi)有較大的變化。在已有的OMBF研究中，由于鹽度沒(méi)有控制，會(huì)出現(xiàn)EPS含量持續(xù)上升的情況。然而，雖然本研究的EPS含

16、量比較穩(wěn)定，但是其含量較高?？紤]到EPS對(duì)膜污染的重要貢獻(xiàn)，穩(wěn)定的高EPS濃度可能會(huì)加重MFO-MB運(yùn)行過(guò)程中F0膜的生物污染。00005 4 3 2 1藝ly:ly:ly:l:ly:ly:%l:'y:g:3is 8pPSH-圖5反應(yīng)器內(nèi)EPS的變化情況結(jié)會(huì)能keV圖6 K）污染膜面SEM-EDX分析結(jié)果2. 4 FO膜污染2. 4. 1污染膜的外部形貌及元素組成為了原位分析膜面污染物的形態(tài)和組成，通過(guò)SEM和EDX分別分析膜面污染物的形態(tài)以及膜面元素的組成，結(jié)果如圖6所示。SEM吉果表示，膜面全部被污染物覆蓋，呈不規(guī)則形狀。EDX結(jié)果顯示，污染膜的成分包括C NO Na、Mg Al、

17、Si、P、S、CI、Ca和Fe等離子，其中無(wú)機(jī)污染離子主要為Na、Si、P、S、CI、Ca和Fe,其次為 Mg和Al。在MFO-MB運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)水和活性污泥中都 存在這些金屬離子，因此，進(jìn)水和活性污泥為無(wú)機(jī)污染的主要來(lái)源，這與已有研究結(jié)果相似。242污染膜的生物污染物圖7為MFO-MB連續(xù)運(yùn)行30 d后F0膜表面生物污染層中總細(xì)胞、蛋白質(zhì)、a -D-毗喃多糖及3 -D-毗喃多糖4種污染物質(zhì)的CLSM圖像。從圖7可以看出，F(xiàn)O膜的生物污染層主 要由總細(xì)胞、蛋白質(zhì)、a -D-毗喃多糖及3 -D-毗喃多糖這4種物質(zhì)組成，成分與已有研究相 似。微生物總細(xì)胞在膜面聚集且形成一層致密的污染層。蛋白質(zhì)與微

18、生物總細(xì)胞一樣，大量聚集成塊狀沉積在 F0膜表面，形成致密的蛋白質(zhì)污染層。與總細(xì)胞和蛋白質(zhì)相比，a -D-毗喃多糖的含量較少，且比較松散，孔隙率較大，而3 -D-毗喃多糖分布更松散，僅有部分呈條帶狀分布。與已有研究相比，本研究TFC污染膜面的生物總細(xì)胞的量明顯增多，這可能是由于鹽度緩解后，微生物的量有所增加。ffiv FU膜污染愿中做住物總細(xì)胞(襯遙白躲I門衛(wèi)4毗喃¥»(<=)和04毗喃多糖,)ffi CLSM圖像圖8 汚染膜清洗前后通眩的變化2. 5通量恢復(fù)情況實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，以去離子水為原料液，測(cè)定污染膜的水通量。測(cè)試結(jié)束后，立即將膜面的污染物采用自來(lái)水沖洗的方式進(jìn)行清洗，然后以去離子水為原料液，測(cè)定簡(jiǎn)單物理清洗后膜的水通量。污染 F0膜