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两级MBR工艺处理煤气化废水生化出水的效能研究

贾胜勇  
【摘要】:煤气化工艺在煤化工产业发展中发挥着重要的基础和支撑性作用,然而煤气化废水的高污染强度和高处理难度使其成为煤化工产业可持续发展的制约因素。同时,煤气化废水的回用是实现产业发展和环境保护双赢的必由之路。MBR工艺凭借其高效而稳定的处理效果在废水处理中发挥着越来越重要的作用。本文研究了煤气化废水的负荷对MBR工艺效能的影响,探讨了两级MBR工艺处理煤气化废水生化出水的效能及机理,考察了影响效能的运行参数和因素,揭示了膜污染过程及其特征并探讨了膜污染的机理。考察了煤气化废水负荷对MBR工艺效能的影响。实验结果表明,采取逐渐升高进水负荷的策略可以很好地增强活性污泥对煤气化废水的适应性。实验启动初期,MBR工艺内产生大量膨胀泡沫,致使活性污泥受泡沫裹挟暴露于空气中,导致微生物脱水死亡而引起处理效果的波动。甲醇共基质的投加可以很好地解决这个问题,同时为微生物的代谢提供了充足的碳源和能量。MBR工艺投加粉末活性炭后的强化MBR工艺较传统MBR工艺表现出更高的污染物去除效果和更强的稳定性,主要原因是粉末活性炭促进了微生物对污染物的生化降解作用。当进水COD和氨氮容积负荷分别达到4.33 kg m-3 d-1和0.31 kg m-3 d-1时,强化MBR工艺对COD和氨氮的去除效率可以分别达到93.6%和61.6%。粉末活性炭可以有效地控制泡沫膨胀和缓解膜污染,强化MBR工艺较传统MBR工艺的跨膜压差跳跃点延后了15 d,历经50 d运行后跨膜压差下降了34.2%。扫描电镜分析表明强化工艺的活性污泥、表层污染物和滤饼层污染物在形态结构上存在明显差异,同时,膜孔径污染在透过膜层方向上存在压实的现象,孔径污染逐渐加剧。探讨了一级MBR工艺处理煤气化废水生化出水的效能与强化因素。该水质可生化性较低,实验探讨了一系列强化措施对一级MBR工艺处理效能的促进作用。结果表明甲醇投加COD当量为39 mg/L、水力停留时间为24 h和颗粒活性炭投加量为5 g/L时对COD、总酚和氨氮的平均去除率可以分别达到73.1%,41.5%和40.1%。投加的无机碳源(碳酸氢钠)与进水氨氮摩尔比为3:1时可以显著增加氨氮的去除效果,其去除率可以提高至77.2%。此外,一级MBR工艺内并未观察到严重的泡沫膨胀现象,这将有利于维持工艺运行稳定性。分析一级MBR工艺的跨膜压差发现,增加甲醇投加量将加剧滤饼层和孔径污染的程度,增加颗粒活性炭投加量可以缓解滤饼层和孔径污染的程度,而延长水力停留时间只对滤饼层污染程度起到明显的缓解作用。此外,实验结果还表明水力清洗结合化学清洗(0.5%的草酸溶液和0.5%的次氯酸钠溶液各浸泡1 h)的方式可以有效去除膜污染物。分析了低强度超声波强化作用对二级MBR工艺处理一级MBR工艺生化出水效能的影响。超声波在0.4 W/cm2、频率为40 kHz和辐照时间为35 min条件下可以显著提高活性污泥微生物的活性,主要原因是超声波的空化效应和机械效应引起微生物细胞通透性和酶活性的增强,同时,连续性实验结果表明这种污泥活性强化效果在超声波停止后仍将持续一段时间。探讨了臭氧氧化作用对二级MBR工艺处理一级MBR工艺生化出水效能的影响。臭氧投加量、接触反应时间、废水pH、悬浮物浓度、超声波作用和投加催化剂(剩余污泥基活性炭负载氧化锰)是影响臭氧氧化体系氧化效果的重要因素。臭氧投加量的增加和接触反应时间的延长均可以提高臭氧氧化体系的氧化效果,高pH也可以强化臭氧氧化体系的氧化效果,而高悬浮物浓度则会产生不利影响。超声波不仅提高了臭氧分子在溶液中的传质速率还加速了其分解的速率,催化剂主要通过丰富的表面羟基和碱性基团促使臭氧链式反应加速,进而增强了羟基自由基的氧化效果。高级氧化与生化处理耦合工艺中,前者应注重增强COD的去除和可生化性的提高。实验结果表明,对煤气化废水可生化性提高的程度为催化剂超声波提高pH。臭氧催化氧化耦合二级MBR工艺在控制膜污染的运行周期内出水COD浓度稳定处于60 mg/L以下,可以进入回用水系统进行回用处理,对实现煤气化废水的零排放具有积极的促进作用。


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