HLB-MR反应器直接处理城市污水及回收有机物

万立国,林 巧,张文华,2*,任志敏,2,龙北生,2,熊 玲



HLB-MR反应器直接处理城市污水及回收有机物

万立国1,2,林 巧1,张文华1,2*,任志敏1,2,龙北生1,2,熊 玲1

(1.长春工程学院水利与环境工程学院,吉林 长春 130012；2.长春工程学院,吉林省城市污水处理重点实验室,吉林 长春 130012)

采用中空纤维超滤膜组件构建了高负荷生物絮凝-膜反应器(HLB-MR),对其直接处理城市污水及回收有机物进行了研究.结果表明:当水力停留时间(HRT)为1.0h,固体停留时间(SRT)为0.2d时,该工艺可回收进水总COD的60.8%,据估算约有39%的进水总COD可通过中温厌氧消化转化为甲烷能源回收,有机物的甲烷转化率为活性污泥法剩余污泥的2倍以上,能实现污水中有机物的高效回收和利用;经过有机物回收后膜出水的COD能稳定保持在30mg/L左右,且出水中氮、磷营养物保有值均较高又不含固体杂质和病原体,可将其用作灌溉用水,实现水资源回用;SRT分别为0.2,0.6,1.0d时,反应器对胶体COD絮凝效率分别为81.9%、95.1%、96.8%,絮凝效率越高,膜污染越轻,良好的生物絮凝效果可有效减轻膜污染,保证工艺的稳定运行.

生物絮凝；膜反应器；有机物回收；城市污水

城市污水中通常蕴含1.5~1.9KWh/(m3污水)的有机化学能[1],然而当前最主流的城市污水处理技术-好氧活性污泥工艺却利用微生物在有氧的条件下将污水中的有机物矿化为无机物,该过程不仅破坏了污水中有机物含有的潜在能量,而且还额外消耗了0.3~0.6KWh/(m3污水)的能量用于污染物去除[2],同时产生了大量难处理的剩余生物污泥,因而该工艺很难被视为一种可持续的污水处理技术.目前,开发新工艺回收城市污水中的有机物并将其资源或能源化已成为全球环保领域学者研究的热点.相关的研究主要集中在通过厌氧消化将污水中的有机物转化为能量载体甲烷[3],或通过微生物燃料电池将其转化为电能[4],亦或利用其生产更有价值的有机化合物[5].然而,由于城市污水中有机物浓度较低,很难经济高效地直接利用其产能或生产有机化合物产品,因此,对城市污水中有机物的预浓缩便成为实现其资源或能量化的关键步骤.

本研究通过控制极短的水力停留时间(HRT)和固体停留时间(SRT)构建了高负荷生物絮凝-膜反应器(HLB-MR),用其直接处理城市污水和回收有机物,其理念为利用微生物产生的胞外聚合物絮凝污水中的悬浮和胶体有机物,缓解后续膜分离过程中的污染,利用膜分离浓缩有机物和产生富含氮、磷营养物质的出水回用于农田灌溉[6].目前,已有研究对在极短HRT和SRT条件下的膜生物反应器(MBR)运行效果进行了研究,但他们大多采用人工合成废水或平板膜结构反应器[7-8].本研究采用了填充密度较大的中空纤维膜反应器来处理我国北方真实的城市污水,不同的进水水质和膜反应器结构是否会导致不同的研究结论目前尚不清楚.所以本研究通过对所构建反应器处理城市污水的效果、有机物的生物絮凝与回收效果以及膜污染特性的分析,探讨了该反应器处理我国北方城市污水和回收其中有机物的可行性.

1 材料与方法

1.1 实验装置与运行

如图1所示,实验过程中采用3组相同的HLB-MR反应器(反应器1、2、3)平行运行.每组HLB-MR反应器的容积为1.87L,内配备1束中空纤维膜组件(天津膜天膜科技股份有限公司,聚偏氟乙烯(PVDF)),膜面积为0.28m2,膜孔径为0.03μm,扣除膜组件所占的体积后反应器的有效容积为1.70L.反应器底部放置曝气砂盘用于提供冲刷膜丝表面和保证浓缩液混合均匀的空气,曝气量采用气体流量计控制在70L/min,反应器内的溶解氧浓度为6~ 8mg/L.采用蠕动泵抽吸的方式出水,为了去除膜表面的可逆污染,采用时间继电器控制蠕动泵每抽吸8min,停止2min,蠕动泵采用恒通量模式运行,通过控制出水通量保证3个反应器的HRT均为1h.跨膜压差(TMP)通过压力传感器输送到电脑中记录.3个反应器的浓缩液均采用蠕动泵排出,通过控制蠕动泵的排出量保证3个反应器的SRT分别为0.2, 0.6,1.0d.

实验原水取自吉林省长春市某处理规模为15万m3/d的城市污水处理厂沉砂池出水,每次取来的污水在4℃下储存且最多不超过3d,在进原水箱之前将污水通过3mm孔径的筛网过滤并将其温度调至室温(20℃左右).反应器进水的COD、TN、TP的浓度分别为:(324±16),(34.9±1.7),(6.5±0.5)mg/L.实验过程中的操作参数详见表1.

表1 实验操作参数

图1 实验装置示意

1.2 样品与分析

反应器通常在运行3倍的SRT时长后才会趋于稳定,本研究中3个反应器平行运行了12d,分别在第10,11,12d对反应器进水、浓缩液和出水进行取样分析.

COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、TP采用标准方法测定[9].在对样品COD进行检测时,将其分级为4类,即总COD(CODTO)、悬浮COD (CODSS)、胶体COD(CODCO)、溶解COD(CODSO). CODTO为对样品直接测定的COD,CODSS为CODTO与样品经过滤纸(12~25μm)过滤后滤液的COD之差,CODCO为滤纸过滤后滤液的COD与滤液经滤膜(0.45μm)过滤后的COD之差,CODSO为滤膜(0.45μm)过滤后所得滤液的COD.溶解氧(DO)采用溶解氧仪(WTW, OXI 3310-SET1)测定.

2 结果

2.1 HLB-MR反应器污水处理效果分析

如图2所示,SRT分别为0.2,0.6,1.0d的3个反应器出水的COD、TN、TP的浓度分别为:(29±1.5), (32±1.3),(4.5±1.2)mg/L;(32±1.0),(33.4±1.0),(4.8±1.2)mg/L;(34±0.7),(33.2±0.2),(5.5±0.3)mg/L.可见3个反应器对COD都有很好的去除效果,去除率均在90%左右,出水COD值均保持在30mg/L左右, 远低于中国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918- 2002)中一级A 标准(50mg/L)[10].然而,出水中氮、磷含量均较高,SRT分别为0.2,0.6,1.0d的3个反应器的TN、TP去除率分别为6%、31%; 4%、26%; 5%、15%.由于经过超滤膜的出水中不含悬浮物和病原菌,一方面可以考虑直接将这种富含氮、磷营养物的出水作为农田灌溉用水,实现污水的回用;另一方面可以考虑进一步回收“相对清洁”的出水中的氮、磷资源,在回收资源的基础上进一步实现污水达标排放或深度处理回用.

图2 不同SRT下反应器的污水处理效果

2.2 HLB-MR反应器回收有机物效果分析

如图3所示,SRT分别为0.2,0.6,1.0d的3个反应器内浓缩液的CODTO浓度分别为:(1142±16), (2264±10),(3140±45)mg/L.不同SRT条件下浓缩液的CODSS占CODTO的百分比范围为90.8%~97.1%,均高于原水中CODSS所占CODTO的百分比(77.6%);而CODCO和CODSO所占CODTO的百分比范围分别为:0.8%~2.4%,2.1%~6.8%,显著低于原水中CODCO和CODSO所占CODTO比例(9.6%和12.8%),这说明在3个反应器中CODCO均发生了生物絮凝.假设进水中所有的胶体呈游离态且完全被膜截留在浓缩液中,基于CODCO在原水中和SRT分别为0.2,0.6, 1.0d的反应器内浓缩液中的质量负荷所计算出的CODCO絮凝效率分别为:81.9%、95.1%、96.8%.由图4可知,随着SRT延长,CODCO的絮凝效率越高,越来越多的胶体转移到浓缩液污泥基质中.

图3 不同SRT下反应器内各类COD比例及絮凝效率

假设超滤膜对进水中的悬浮和胶体具有完全截留作用且不考虑有机物的矿化,CODSS、CODCO的理论浓缩因子等于SRT/HRT的比值,在SRT为0.2,0.6和1.0d时,其值分别为4.8,14.4和24;假设所去除的COD完全被超滤膜截留浓缩,则SRT为0.2,0.6和1.0d时,CODTO理论浓缩因子为所对应的去除率与SRT/HRT比值的乘积,其值分别为4.4,13.0和21.5.图4对不同SRT下反应器的CODTO、CODSS、CODCO的实际浓缩因子和理论浓缩因子进行了比较,实际和理论浓缩因子的差异主要因为有机物的矿化所导致.在SRT为1.0d时,尽管CODSS所占CODTO的百分比最高(97.1%),但基于CODSS实际浓缩因子仅为12.1,也就是占理论浓缩因子的比例为51%,而当SRT为0.6和0.2d时,其对应的比例分别为60%和86%.基于CODTO的分析可知,SRT分别为0.2,0.6,1.0d的3个反应器的实际浓缩因子占理论浓缩因子的比例分别为81%、54%、45%,与CODSS有着相同的变化趋势,这说明SRT越长,有机物矿化损失越大.基于CODCO的分析可知,SRT分别为0.2,0.6,1.0d的3个反应器的实际浓缩因子占理论浓缩因子的比例分别为18%、5%、3%,这说明随着SRT的延长,CODCO受到了矿化和絮凝双重作用的影响,导致其所占比例有很大程度的降低.

图4 不同SRT下反应器内各类COD的浓缩因子及比值

Fig.4 Concentration factors and their ratios for different classified COD of HLB-MR at different SRTs

对不同SRT下每个反应器系统的CODTO、TN和TP进行了质量平衡分析,如图5所示.对CODTO而言,其损失主要是由于有机物矿化引起,SRT越短,有机物的矿化损失越小,可分配至浓缩液中的CODTO越多.SRT分别为0.2,0.6,1.0d的3个反应器中所分配至浓缩液中CODTO占进水CODTO的比例分别为60.8%、45.4%、38.8%,对应的矿化损失值分别为31.8%、45.4%、51.2%.该矿化损失可能被高估,因为每次进行膜清洗时,尽管将清洗后混合液返回了相应的反应器中,但仍然会不可避免的带来一些有机物的损失.对于TN而言,进水中的TN仍然主要保留在出水中,SRT分别为0.2,0.6,1.0d的3个反应器出水中的TN占进水TN的比例分别为78%、90%、91.3%,说明氮素主要以溶解态的形式存在.SRT分别为0.2,0.6,1.0d所分配至浓缩液中TN的比例分别为19.2%、6.3%和3.4%,呈逐渐减少的趋势,说明SRT越长,有更多的氮素从悬浮和胶体态向溶解态转化.3个反应器TN损失的比例均较小,范围为2.8%~5.2%,由于3个反应器的SRT值均较短,在反应器中几乎都没有发生硝化反应(NH4+-N、NO2--N、NO3--N的检测分析也证明了此结论),所以TN几乎没有以N2的形式损失,其损失也可能缘于膜清洗过程所致.与TN类似,3个反应器出水中的TP较高,SRT分别为0.2,0.6,1.0d的3个反应器出水中的TP占进水TP的比例分别为57.3%、69.1%、81.2%,说明TP也主要以溶解态的形式存在,所对应SRT的反应器中浓缩液中TP的比例分别为16.2%、9.0%、5.8%,说明随着SRT的延长,浓缩液中的TP向出水中转移,这可能因为有机结合的磷在较高的SRT中转化成溶解性正磷酸盐的程度增强所致.此外,考虑到城市污水的pH值范围为6.0~9.0,污水中存在的Ca2+和Mg2+等阳离子,可能发生一些磷沉淀,推测较短SRT条件强化了这种沉淀效应,但这需要进一步研究证明.SRT分别为0.2,0.6,1.0d的3个反应器TP损失的比例分别为26.5%、22.0%、13.0%,TP的损失也可能缘于膜清洗过程所致,在较低的SRT时可能因为磷沉淀程度较高导致污泥中TP含量较高,所以在清洗膜表面污泥层时,较短SRT的反应器系统的TP损失值相应也较大.

图5 不同SRT下反应器CODTO、TN和TP的质量平衡

2.3 HLB-MR反应器膜污染特性分析

对不同SRT下每个反应器每次膜抽吸出水结束时的TMP进行了分析,如图6所示.SRT为0.2d的反应器,前8h期间TMP稳定且较低,均在5kPa以下,但随后,TMP迅速上升,在第18h时已接近40kPa,说明该阶段简单的抽停已不能满足去除膜表面污染的要求,需要从反应器内取出膜组件,利用干净的出水冲洗其表面.由图可知,相对于SRT为0.2d而言,SRT为0.6和1.0d时,反应器的TMP上升趋势明显变缓,而且经过物理清洗后,其TMP的变化规律呈现大致相同的变化趋势,这说明SRT越长其反应器内的膜污染越轻,这可能由于长SRT条件下良好的生物絮凝效果改善了膜污染状况.当3个反应器平行运行了42h左右,反应器的跨膜压差都已有较大升高,此时取出膜组件对膜表面污染物进行了常规的化学清洗(氢氧化钠(0.05%)+次氯酸钠(0.3%)溶液浸泡膜2h后用清水冲洗干净),发现经过化学清洗后的3个反应器的膜污染情况得到了很好的改善,在后续24h内3个反应器的TMP均在5kPa以下,而且之后TMP的上升趋势也较缓慢,说明常规的清洗方法即可使反应器的膜过滤特性得到理想的恢复.

图6 不同SRT下反应器的TMP变化

3 讨论

3.1 HLB-MR反应器回收有机物的评价分析

有机物的厌氧生物处理技术已经非常成熟并得到了广泛应用,但该技术仅对高浓度有机废水处理比较经济[11].实现城市污水中低浓度有机物的高效浓缩对回收利用污水中的有机物非常关键. HLB-MR反应器能实现城市污水有机物的有效浓缩和回收.对该反应器而言,SRT越短,污水中有机物的矿化损失越小,转移到浓缩液中的进水CODTO越多;在SRT为0.2d时,有60.8% 的进水CODTO转移到浓缩液,其产甲烷能力若根据Akanyeti等[7]的研究成果按64%估计,则该反应器可以使进水CODTO的39%作为甲烷能源回收,这至少是传统活性污泥法系统通过沉淀污泥厌氧消化回收甲烷产量的2倍[12-13].可见,利用HLB-MR反应器回收城市污水中的有机物具有可行性和经济性.

3.2 HLB-MR反应器资源化污水的评价分析

SRT分别为0.2,0.6,1.0d的3个反应器对COD都有很好的去除效果,去除率均在90%左右,出水COD值均保持在30mg/L左右.而这3个SRT所对应的反应器中浓缩液的溶解CODSO分别为(78±1),(77±0.5),(67±1)mg/L,均远高于其出水COD值.说明膜不仅对CODSS、CODCO有完全的截留作用,而且对CODSO存在降解或截留作用,而这种贡献可能归功于膜表面上所形成污泥层,其中的相关机制需要进一步研究,但可以确定的是HLB-MR反应器可以保证出水COD在较低的范围,有望直接达到排放标准的限值要求.由于反应器膜出水中不含固体和病原体且同时保留着大部分的氮和磷,这意味着可考虑将出水作为灌溉水源,实现污水回用.倘若出水需排放水体或进一步深度处理再生利用,可以考虑先对这种"低碳高氮磷"出水中的氮、磷资源进行回收利用,目前已有相关学者在这方面进行了研究并取得一些成果[14-16],这样HLB-MR反应器便可以通过与其他技术组合回收污水中氮、磷资源的同时实现污水的再生利用.

3.3 HLB-MR反应器实用性分析

HLB-MR反应器在极短的SRT下运行,除了能增加有机物回收率外,其较低的矿化程度和不发生硝化作用意味着需要更低的曝气输入,从而进一步降低系统总能耗.如果出水需要进一步脱氮,由于污水中碳源已回收,所以基于硝化和反硝化的传统脱氮技术已不再适合,此时可采用短程硝化和厌氧氨氧化的组合工艺[17],虽然该工艺仍然需要曝气以供给用于部分亚硝化的氧气,但是其输入的能量、产生的污泥和排放的CO2比传统的硝化-反硝化工艺要低得多[18,19].为了得到足够高浓度的有机浓缩液,以使随后的厌氧产能更具吸引力,HRT应比我们在实验中应用的1.0h更短些.在SRT为0.2d时,反应器内有机物的矿化程度低,考虑到浓缩因子大约控制在16左右,0.3h可能是比较合适的HRT,有关短HRT对工艺性能的影响需要进一步研究.

4 结论

4.1 当HRT为1.0h,SRT为0.2d时,HLB-MR反应器可回收进水CODTO的60.8%,据估算约有39%的进水CODTO可通过中温厌氧转化为甲烷能源回收,有机物的甲烷转化率为活性污泥法剩余污泥的2倍以上.

4.2 SRT=0.2d时,HLB-MR反应器膜出水COD值仍能保持在30mg/L左右,有望直接达到排放标准的限值要求.该反应器既可以作为单独工艺回收有机物和实现污水农田灌溉回用,也可以与氮、磷资源回收工艺串联,进一步实现污水资源回收和水的深度处理回用.

4.3 不同SRT下HLB-MR反应器内均发生了生物絮凝, SRT=0.2d,CODCO的生物絮凝效率仍在80%以上,良好的生物絮凝效果能减轻反应器的膜污染状况,保证工艺的稳定运行.

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Direct treatment and organics recovery of municipal wastewater via high loaded bioflocculation membrane reactor.

WAN Li-guo1,2, LIN Qiao1, ZHANG Wen-hua1,2*, REN Zhi-min1,2, LONG Bei-sheng1,2, XIONG Ling1

(1.School of Water Conservancy & Environment Engineering, Changchun Institute of Technology, Changchun 130012, China；2.Jilin Provincial Key Laboratory of Municipal Wastewater Treatment, Changchun Institute of Technology, Changchun 130012, China)., 2019,39(4)：1596~1601

A high loaded bioflocculation membrane reactor (HLB-MR) was constructed using a hollow fiber ultrafiltration membrane module, and its performance for direct treatment and organics recovery of municipal wastewater was investigated. When the HLB-MR operated at the solid retention time (SRT) of 0.2d and the hydraulic retention time (HRT) of 1.0h, this process could recover 60.8% of influent total COD (CODTO). It was estimated that about 39% of influent CODTOcould be converted to methane for energy recovery by mesophilic anerobic digestion of concentrate, and the methane conversion rate of organics was twice more than that of the residual sludge in the activated sludge process. Thus, HLB-MR could achieve efficient organics recovery and utilization from municipal wastewater. The COD of permeate water from HLB-MR was stable at around 30mg/L, while phosphorus and nitrogen were largely conserved. Since the permeate water was free from solids and pathogens, which could be used as an excellent source of irrigation water for reuse. When HLB-MR operated under short SRTs of 0.2, 0.6 and 1.0d, the flocculation efficiency of colloidal COD could reach 81.9%, 95.1% and 96.8%, respectively. The higher flocculation efficiency will lead to the lesser membrane fouling, so that the significant bioflocculation can effectively reduce membrane fouling and ensure stable operation of HLB-MR.

bioflocculation；membrane reactor；organics recovery；municipal wastewater

X703.1

A

1000-6923(2019)04-1596-06

2018-09-20

吉林省自然科学基金资助项目(20180101317JC);国家科技重大专项(2012ZX07202-009-01);吉林省重点科技攻关项目(20160204006SF);吉林省省级产业创新专项资金项目(2019C055, 2016C093);长春工程学院种子基金项目(320180027)

*责任作者, 教授, wenhuazhang1029@163.com

万立国(1982-),男,湖北天门人,副教授,硕士,主要从事污水处理及其资源化研究.发表论文25篇.