一体式膜生物反应器深度处理垃圾渗滤液的适用性研究

李道文,杨宇航,丁鑫末

(1.荆州市生态环境局,湖北 荆州 434000;2.长江大学化工学院,湖北 荆州 434023)

垃圾渗滤液具有高COD、高氨氮等特点,含有酚类、多环芳烃类、邻苯二甲酸酯类等有毒有害物质,如果处理不当,会严重污染自然环境并危及人类健康[1]。膜生物反应器(membrane bioreactor,MBR)是一种新型的水处理技术,采用膜分离技术与传统活性污泥法相结合的方式,一方面通过膜过滤强制截留生化池中的活性污泥,以维持生化池内较高的微生物含量,进而强化生化反应,另一方面省掉了传统工艺中的二沉池,在处理垃圾渗滤液方面具有潜在优势[2-3]。但是MBR的应用仍受膜污染的限制,目前普遍认为膜污染的主要来源是溶解性微生物产物(soluble microbial product,SMP)和胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)[4-5],而关于二者对膜污染的影响差异却鲜少报道。荧光光谱常被用于膜污染分析,但只能对具荧光特性的物质有荧光响应,在物质鉴别上存在一定的局限性[6]。借助红外光谱可识别特征官能团并推断物质类型,但难以确定混合物的物质构成[7]。若将荧光光谱和红外光谱相结合可更准确地判断膜污染物组分。

作者将自制一体式MBR用于处理垃圾渗滤液电Fenton出水(COD 800～1 300 mg·L-1,氨氮40～80 mg·L-1),考察MBR启动及稳定运行过程,同时结合傅立叶变换红外光谱和荧光光谱分析探究运行过程中膜污染的主要来源,期望为控制膜污染、稳定运行MBR提供帮助。

1 实验

1.1 材料

实验用水为垃圾渗滤液的电Fenton出水。MBR进水水质为:COD 800～1 300 mg·L-1、氨氮40～80 mg·L-1、总磷6～10 mg·L-1、pH值6.5～7.5。

接种污泥取自荆州市某生活污水处理厂的二沉池。驯化时,每日配水使COD按照一定的梯度递增,直至达到正常进水的COD值;然后每日换水一次,并检测进出水的COD、氨氮,直至COD去除率达到60%左右时,视为驯化成功。MBR启动过程中保持HRT为24 h、DO为3～4 mg·L-1,启动与运行均在室温(25～35 ℃)下进行。

1.2 装置

自制的好氧一体式MBR有效体积16 L,如图1所示。

图1 一体式MBR示意图

储水桶中的进水经蠕动泵进入反应器中进行生物降解,然后被吸入膜面,经膜组件间歇式出水,经抽吸泵送至出水桶。抽吸泵的操作压力为10～50 kPa,膜组件采用聚偏氟乙烯(PVDF)材质的中空纤维膜(孔径0.1 μm),膜面积为0.2 m2,在膜组件下方放置电磁式增氧泵的曝气盘石,用流量计调节曝气强度。重启MBR时,膜组件需用250 mg·L-1次氯酸钠至少冲洗3次。

1.3 分析方法

采用快速消解法测定COD;采用纳氏试剂光度法测定氨氮;采用傅立叶变换红外光谱分析膜面污染物、污泥;采用三维荧光光谱分析提取的膜面污染物、胞外聚合物、溶解性微生物产物。

2 结果与讨论

2.1 MBR运行效果

2.1.1 启动期间的处理效果(图2)

图2 MBR启动期间的处理效果

由图2a可知,MBR启动的前11 d,COD去除率起伏较大,但总体呈上升趋势,此时接种污泥逐渐适应进水水质;第11 d,进水COD为954.5 mg·L-1,出水COD为347 mg·L-1,COD去除率达到63.65%,此时污泥驯化成功;第12～21 d,进水COD在828～1 204 mg·L-1之间波动,COD去除率为73%～80%,趋于稳定。由图2b可知,第6 d,氨氮去除率即可达到70.88%;第11 d,氨氮去除率为81.78%,此后平稳上升,最终达到90%以上。可见MBR能够快速去除氨氮,且去除率高于COD去除率。原因可能有以下两点:首先进水的氨氮水平较低,接近接种污泥所处理的生活污水,污泥的适应性更强;其次系统内保留了大量的硝化菌,可高效去除氨氮。

2.1.2 HRT对处理效果的影响

实际工程应用中,HRT是影响MBR运行效果的重要因素之一。为考察HRT对MBR运行效果的影响,设置DO为2～3 mg·L-1,在HRT分别为12 h、18 h、24 h、36 h的条件下稳定运行8 d,考察HRT对COD和氨氮去除率的影响,结果如图3所示。

图3 HRT对COD(a)和氨氮(b)去除率的影响

由图3可知,随着HRT的延长,COD、氨氮去除率均逐渐升高,但在24 h后升幅趋缓。这是因为,HRT不到24 h时,废水与微生物之间的接触时间不充分,有机污染物未能充分降解;延长HRT,有利于污染物的降解,但HRT延长至24 h时,废水中可被微生物降解的有机污染物基本上已被完全降解,污泥负荷降低,致使微生物进入内源呼吸阶段,处于活性较低的休眠或半休眠状态,此时继续延长HRT难以取得更好的去除效果[8-9]。综合考虑处理效果及运行成本,实际应用中可以选择HRT为24 h。

2.1.3 DO对处理效果的影响

一体式MBR装置中,曝气不仅可以供给好氧菌降解污染物所需氧量,而且能够提供一定的气流冲刷膜丝,减缓膜污染。设置HRT为24 h,在DO分别为1～2 mg·L-1、2～3 mg·L-1、3～4 mg·L-1、4～5 mg·L-1的条件下稳定运行8 d,考察DO对COD和氨氮去除率的影响,结果如图4所示。

图4 DO对COD(a)和氨氮(b)去除率的影响

由图4a可知,随着DO的升高,COD去除率逐渐升高而后趋于稳定。这是因为,DO较低时,易滋生兼性或厌氧微生物,会与好氧菌竞争营养物质,同时好氧菌活性下降,不利于污染物的降解;而DO过高时,实际运行时曝气强度过大,会冲散活性污泥絮体从而降低污泥活性,同时会使污泥粒径减小进而影响膜过滤效果,均会削弱MBR去除污染物的能力。由图4b可知,随着DO的升高,氨氮去除率在87%～97%范围内波动,相差不大。说明此时系统内硝化菌的活性不受DO浓度的影响。氨氮的去除依赖于微生物的硝化和反硝化的共同作用,低DO条件下,会抑制硝化细菌活性但利于反硝化反应;而高DO条件下,会抑制反硝化细菌活性但利于硝化反应。整体而言,DO对氨氮去除的影响不大[10],在DO为3～4 mg·L-1时,更利于MBR系统对废水污染物的降解。

2.1.4 连续运行的处理效果

在对MBR运行关键因素HRT和DO优化后,为了验证MBR的稳定性与有效性,在HRT为24 h、DO为3～4 mg·L-1的条件下,连续运行28 d,结果如图5所示。

图5 MBR连续运行的处理效果

由图5可知,在历时28 d的运行过程中,COD去除率基本保持在80%以上,氨氮去除率保持在90%以上。表明MBR对废水中的COD和氨氮均有较好的去除效果且运行基本稳定。

MBR连续运行期间,跨膜压差的变化趋势如图6所示。

图6 MBR跨膜压差的变化趋势

由图6可知,随着运行时间的延长,MBR的跨膜压差从20.3 kPa增至46.8 kPa,表明膜污染逐渐加剧。第1 d,跨膜压差为20.3 kPa,是因为MBR在启动阶段已经形成膜污染所致;随着运行时间的延长,污染物不仅在膜孔内吸附,且在整个膜表面吸附,污泥混合液中的生物絮体在膜表面形成滤饼层[11],导致跨膜压差不断增大。

2.2 膜污染物分析

2.2.1 傅立叶变换红外光谱分析

将提取的膜面污染物预处理后进行傅立叶变换红外光谱分析,同时与MBR内的污泥进行对比,结果如图7所示。

图7 膜面污染物与MBR内污泥的傅立叶变换红外光谱

由图7可知,膜面污染物在3 000～3 600 cm-1范围内出现一个宽而广的吸收区域,是-OH的伸缩振动产生的;2 929.35 cm-1处的尖峰是脂肪族中C-H的伸缩振动峰;1 418.82 cm-1处是-CH3或-CH2-的伸缩振动峰;1 058.17 cm-1处的宽峰是C-O的伸缩振动峰,表明膜面污染物中存在多糖类物质;1 657.90 cm-1(酰胺Ⅰ带)、1 544.28 cm-1(酰胺Ⅱ带)处是蛋白质二级结构的典型特征峰[7]。由此可确定,膜面污染物含有蛋白质和多糖类物质。污泥的傅立叶变换红外光谱与膜面污染物的相似,表明污泥和膜面污染物的有机官能团相似,污泥可能是膜面污染物的主要来源。

2.2.2 三维荧光光谱分析

分别提取MBR稳定运行时的膜面污染物以及稳定运行15 d(初期)和28 d(末期)时的胞外聚合物、溶解性微生物产物进行三维荧光光谱扫描,结果如图8所示。

a.膜面污染物 b.15 d胞外聚合物 c.28 d胞外聚合物 d.15 d溶解性微生物产物 e.28 d溶解性微生物产物

由图8a可知,膜面污染物主要有5个特征荧光峰[12]:峰A[Ex=(260～280) nm,Em=(340～380) nm]为高激发波长类色氨酸蛋白质荧光峰;峰B[Ex=(210～230) nm,Em=(330～360) nm]为低激发波长类色氨酸蛋白质荧光峰;峰D[Ex=(200～240) nm,Em=(360～400) nm]为类富里酸荧光峰;峰C[Ex=(300～330) nm,Em=(375～425) nm]和峰E[Ex=(360～400) nm,Em=(430～470) nm]为类腐殖酸荧光峰。结合傅立叶变换红外光谱分析可知,膜面污染物主要为多糖类、类色氨酸蛋白质、类富里酸和类腐殖酸。

由图8b、c可知,MBR稳定运行15 d(初期)和28 d(末期)时的胞外聚合物主要有6个特征荧光峰:峰A、峰B为易降解的芳香族蛋白质荧光峰;峰D、峰F为紫外区类富里酸荧光峰;峰C、峰E为类腐殖酸荧光峰。各荧光区域的物质随着MBR运行时间的延长逐步积累,尤其是芳香族蛋白质和类富里酸增加较为明显。对比各荧光峰的强度和区域可知,胞外聚合物主要包含芳香族蛋白质、类富里酸和类腐殖酸。

由图8d、e可知,MBR稳定运行15 d(初期)和28 d(末期)时的溶解性微生物产物主要有6个特征荧光峰:峰A、峰B为类色氨酸芳香族蛋白质荧光峰;峰D、峰F为类富里酸荧光峰;峰C、峰E为类腐殖酸荧光峰。运行15 d(初期)和28 d(末期)时的溶解性微生物产物的特征荧光峰的位置基本不变,除峰A、峰B外,其它峰的荧光强度均显著增强,说明随着MBR运行时间的延长,相应的物质也积累得越多。

综合分析图8可知,胞外聚合物和溶解性微生物产物的特征荧光峰种类大致相同,但是荧光强度和位置明显不同,说明构成胞外聚合物和溶解性微生物产物的具体成分不同;膜面污染物的主要特征荧光峰的种类和位置与胞外聚合物和溶解性微生物产物的相似,且与胞外聚合物的相似性更高,说明胞外聚合物为膜污染的主要来源,溶解性微生物产物为膜污染的次要来源,因此MBR长期稳定运行需重点关注胞外聚合物的控制。

3 结论

采用一体式MBR深度处理垃圾渗滤液,启动11 d后,COD、氨氮去除率分别达到63.65%、81.78%;随着HRT的延长,COD、氨氮去除率均逐渐升高而后趋于稳定;随着DO的升高,COD去除率逐渐升高而后趋于稳定,氨氮去除率变化不大。在HRT为24 h、DO为3～4 mg·L-1的最优条件下运行28 d,COD、氨氮去除率分别达到80%以上、90%以上,但跨膜压差从20.3 kPa增至46.8 kPa,表明膜污染产生且逐渐加剧。经傅立叶变换红外光谱和荧光光谱分析可知,膜面污染物主要为多糖类、类色氨酸蛋白质、类富里酸和类腐殖酸,胞外聚合物为膜污染的主要来源,溶解性微生物产物为膜污染的次要来源,MBR长期稳定运行需重点关注胞外聚合物的控制。