复合式自生动态膜生物反应器处理表面活性剂废水
摘 要: 将动态膜技术与悬浮填料工艺相结合而构建了复合式自生动态膜生物反应器。采用该反应器处理表面活性剂废水,当悬浮填料的填充比为40%时,对浊度、COD、LAS和NH3-N的去除率分别可达98%、95%、97%和94%以上。两边侧向曝气不仅能够加大膜面的错流流速,而且还使错向流分布得更加均匀,同时由于悬浮填料的摩擦作用,使得自生动态膜的增长较慢,保证了出水通量的稳定,延长了清洗周期。可见,该工艺适合于处理表面活性剂废水。
关键词: 复合式自生动态膜生物反应器; 表面活性剂废水; 生物膜; 填料; 填充比; 膜通量
直链烷基苯磺酸钠(LAS)作为一种阴离子表面活性剂,具有良好的去污、乳化、渗透等能力,因而 在生活和生产中得到了广泛应用,其产量约占世界洗涤剂总用量的40%左右[1]。但LAS本身有一定毒性[2],所以含LAS的废水会对环境造成污染。处理LAS废水的方法很多,其中生物降解是去除LAS 行之有效的方法[3]。
动态膜反应器的概念由Marcinkowsky提出,之后很多学者[4~6]针对膜生物反应器膜的成本高、抗污染能力差等问题,利用价格低廉的膜基材代替微滤膜(或超滤膜),并借助所形成的滤饼层和凝胶层的过滤作用来实现固液分离。
有研究表明,向反应器中投加一定数量的悬浮载体可提高其生物量,同时还能起到增大传质面积、强化传质效果以及改善处理效果的作用[7、8]。但将动态膜技术与悬浮填料工艺组合进行研究的报道则较少。笔者针对动态膜的膜污染问题,在一体式自生动态膜生物反应器中加入悬浮填料而构成复合式自生动态膜生物反应器(HSFDMBR),并采用其处理表面活性剂废水,考察了除污性能。
1 试验装置与方法
1·1 试验装置试验装置见图1。2
 |
| 图1 一体式HSFDMBR示意图 |
HSFDMBR为圆柱形,有效容积为5. 4 L。膜组件的有效过滤面积为0. 07 m2,由压力差自流出水, 上清液及污泥样品则从中部水阀取出。膜组件底部设3根穿孔曝气管,正常运行时开启两侧的曝气管, 为微生物供氧,同时提供一定的膜面冲刷流速以防止膜面被堵塞;周期结束时仍保持侧边两曝气管开启,同时开启中间的曝气管进行水力冲洗。
与普通的自生动态膜生物反应器相比,该反应器具有如下特点:①采用管式膜,共分为3层,内部为中空的PVC支撑骨架,中部为不锈钢丝网均匀支撑层,外部为孔径非常均匀的人造丝网(孔径约50 μm),混合液透过过滤面进入膜组件内的空腔,并通过收集管自流出水;②采用侧向曝气和下方曝气,曝气强度分别为12、36 m3/(m2·h);③活性污泥与生物膜共同作用,而且悬浮填料的翻动摩擦还可防止动态膜增长过快,从而延长了清洗周期,保证了反应器出水水质的稳定性。
1·2 测试项目及方法
COD:重铬酸钾法,氨氮:纳氏试剂分光光度法, 污泥浓度:重量法, LAS:亚甲蓝分光光度法,浊度: 光电式浊度仪。
1·3 原水水质
原水采用人工配制,其水质如表1所示。
| 表1 原水水质 |
 |
1·4 活性污泥驯化与挂膜
接种污泥取自上海东区污水厂的曝气池,加入反应器后污泥浓度为2 000 mg/L左右。该污泥呈棕褐色,且生物相丰富。进水量采用1. 35 L/h,即膜通量为20 L/(m2·h)左右。采用连续流的方式进行驯化,并逐步提高进水中表面活性剂的含量,使污泥逐步适应原水水质。
为防止悬浮填料影响动态膜的形成,将填料放入另取的曝气池污泥中以同样方式挂膜,待挂膜成功后再将填料放入反应器。此时,动态膜已经形成 (21 d时),同时由于悬浮填料上生物膜的增厚而对动态膜的影响适中。
2 结果与讨论
2·1 工艺优化
2·1·1 曝气方式
HSFDMBR其实是一体式膜生物反应器(MBR) 的一种特殊形式,因此也存在膜污染的问题。然而动态膜容易被破坏,不能像一般的MBR那样边运行边由下方曝气来减缓膜污染,而应该通过侧向曝气来加速膜面错流,达到减缓膜污染的目的,因此曝气方式的选择非常重要。笔者对两边侧向曝气与单边侧向曝气的效果进行了比较,发现前者的效果明显优于后者。
两边侧向曝气是将单边曝气的曝气量平均分为两部分,这使得循环动力的分布更加均匀,因而减小了回流混合液对接近曝气区的膜表面的冲刷作用, 避免了“漏洞”的出现,同时也避免了水力短路现象,使膜面能够保持相近的错流流速,防止了死角的出现。另外,对保持悬浮填料的流态稳定也起到了良好作用,而悬浮填料对膜面的冲刷作用则去掉了动态膜表面的松散污泥,提高了动态膜的质量,延缓了膜污染,稳定了出水通量。
2·1·2 填充比的确定
填料是微生物生长繁殖的场所,较大的填充比意味着较高的生物量,但是填充比过大会导致填料不能完全流化,将破坏反应器内的流态,导致处理效果下降。因此,应根据反应器的结构、曝气方式、填料特性等选择合适的填充比。
清水试验结果表明,当填充比为30%时,填料的流化效果较好,呈悬浮状态;当填充比为60%时, 填料的流化效果较差,部分沉在了底部,即使加大曝气量,也不能使全部填料均很好地悬浮。为进一步优化填充比,选取30%、40%和50%三种填充比进行研究,结果如图2所示(21~36 d)。
 |
| 图2 不同填充比下HSFDMBR的除污效果 |
从图2可以看出,随着填充比的增大,对LAS、 COD和NH3-N的去除率均呈上升趋势。对自生动态膜的观察结果表明,当填充比为50%时膜面上有一定的“漏洞”。综合考虑自生动态膜的稳定性和除污效果,选择填充比为40%。
2·2 除污效果
2·2·1 对SS的去除
在混合液通过基质膜进行过滤时,其表面会形成动态生物膜,它具有类似于微滤/超滤膜的作用。因此,动态膜对SS是否有良好的去除能力是考察动态膜生物反应器性能的一个重要指标。
 |
| 图3 下方曝气后出水SS随时间的变化 |
由图3可以看到,由于下方曝气的强度很大,对丝网表面的动态膜产生了强烈的冲刷作用,因此最初出水的SS相当高,可认为动态膜已被破坏。但随着过滤时间的延长,出水中的SS不断下降, 30 min 时即降到10 mg/L以下, 36 min后在出水中已检测不到SS。与传统活性污泥工艺相比,MBR内污泥的粒径要小一些,绝大部分的粒径<50μm[9]。研究中丝网的孔径约为0. 05 mm,因此可以认为,对SS 具有截留作用的并不是丝网本身,而是能够快速形成的动态膜。
与此相对应,浊度也呈快速下降趋势,最终的出水浊度能够稳定地保持在5 NTU以下,去除率达 98%以上。
2·2·2 对其他污染物的去除
系统运行至第37~96 d时,考察了C/N值分别为(3∶1)、(5∶1)、(7∶1)、(9∶1)的条件下,反应器对COD、LAS、氨氮的去除效果。
结果表明,对COD的去除率随着碳氮比的提高而提高,在进水COD为120~360 mg/L时,出水 COD为10~14 mg/L;反应器出水的COD浓度比上清液的COD浓度略有下降,表明动态膜对污染物具有一定的截留作用。
在进水LAS浓度为20~180mg/L时,出水LAS 浓度为2~2. 5 mg/L,反应器对LAS的去除率随进水LAS浓度的增加而逐渐提高(达到97%以上), 与对COD去除率的变化趋势基本一致;当碳氮比为 9∶1时,污泥对LAS的去除率相比碳氮比为7∶1 时略有下降,说明LAS对活性污泥产生了一定的抑制作用。
当进水氨氮为40 mg/L时,出水氨氮为1. 2~ 2. 5 mg/L,对氨氮的去除率始终保持在94%以上, 去除效果良好。
2·3 污泥特性
由于动态膜对SS具有良好的截留作用,使得反应器内的污泥浓度稳步提高。前期进行的污泥浓度与膜通量关系的试验结果表明,当污泥浓度>5 g/L 时,膜通量下降幅度较大。因此当污泥浓度达到5 g/L后开始排泥,使其保持在4~4. 5 g/L。反应器内污泥的MLVSS/MLSS值为0. 8~0. 91,表明其具有较高的活性。为了进一步了解污泥的活性,测定了污泥的脱氢酶活性(DHA)和氧吸收速率 (OUR)[10、11]。
2·3·1 脱氢酶活性
对DHA的测定结果见图4。
 |
| 图4 脱氢酶活性的变化 |
在试验初期,污泥的DHA不断下降,至第9天降到最低值;之后DHA开始缓慢提高,经历10 d左右便恢复到较高的水平;驯化结束后, DHA无显著变化,说明水力条件的差异以及碳氮比的变化并没有对DHA产生显著影响。从图4可以看出,活性污泥的脱氢酶活性略小于生物膜的。
2·3·2 氧吸收速率
采用氧吸收速率来反映污泥的硝化活性和对有机物的分解活性,测定结果见表2,可知污泥的活性高,处理效果好。
| 表2 污泥氧吸收速率的变化 |
 |
3 结论
① 利用普通的人造丝网作为基材,将其直接浸没于生物反应器内,加以悬浮填料而构成复合式自生动态膜生物反应器,当采用其处理表面活性剂废水时,动态膜能很快形成且除污效果好:出水浊度一直保持在5 NTU以下,去除率>98%;大多数时间里,出水SS为零;当悬浮填料的填充比为40% 时,对LAS、COD和氨氮的平均去除率分别为97%、 95%和94%。
② 活性污泥的脱氢酶活性略小于生物膜的, 表明在该反应器中活性污泥的活性低于生物膜的活性。
③ 将悬浮填料挂膜后再放入反应器,既避免了对动态膜形成的影响,又提高了反应器的处理效率,同时还延长了反应器的冲洗周期,在一定程度上提高了反应器出水水质的稳定性。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
如果需要了解更加详细的内容，请点击下载 
复合式自生动态膜生物反应器处理表面活性剂废水.rar
下载该附件请登录，如果还不是本网会员，请先注册
