浸没式膜生物反应器组合工艺净化受污染水源水的研究

【摘要】：我国的饮用水源普遍受到污染,以有机物和氨氮为主要污染物。另一方面,生活饮用水水质标准不断提高,使得常规处理工艺的局限性越来越明显。为此,水处理工作者不断探索、研发新型高效的水处理技术。其中,膜滤技术表现出诸多的优点,被认为21世纪的水处理技术。而浸没式膜生物反应器(SMBR)将外压膜滤与活性污泥有机组合,已经在污水处理领域得到广泛研究与应用。但是,就其在饮用水处理中的应用而言,由于原水性质显著不同,仍有一些关键问题需要解决。 本课题首先就SMBR用于处理受污染水源水的自然启动特性进行研究,结果表明就氨氮的去除而言SMBR的自然启动可在35天左右完成。在长期的稳定运行条件下,SMBR通过生物降解作用始终表现出优良的氨氮去除效能,并且能有效应对饮用水源的氨氮突发污染事件。而SMBR对有机污染物的去除能力较低,主要是因为饮用水源中的有机物可生化性较低的缘故。 另一方面,生物活性炭(BAC)是一项成熟的饮用水深度处理技术。现场试验研究表明,进水有机物含量以及滤料粒径对BAC除污染效能影响较大,而滤速、预曝气和反冲洗等因素影响较小。并且,进水中的机物和氨氮等优先通过上部滤料得到去除。研究中在相同的试验条件下对比了BAC和SMBR用于饮用水处理的除污染效能。结果表明,SMBR主要通过生物降解作用去除进水溶解性有机物(DOM),效率较低;BAC通过颗粒炭吸附和生物降解的协同作用,对DOM的去除效率较高,但其出水中仍含有一定量的颗粒性有机物,并且对氨氮的去除能力低于SMBR。 为充分发挥BAC去除有机物的能力和SMBR去除氨氮的能力,研究中将两者联用。结果表明,进水首先经BAC处理,水中污染物被部分去除,可以减轻后续SMBR的负荷并延缓膜污染;而其后的SMBR则可进一步强化对BAC出水中有机物和氨氮的去除,并以膜作为最后屏障深度截留颗粒物。但是,将BAC与SMBR联用存在水力停留时间长,占地面积大的缺陷。因此,以粉末活性炭(PAC)代替BAC,将PAC直接投加于SMBR反应器内,构建膜-粉末炭吸附生物反应器(MABR)。在MABR中,膜的物理截留作用、生物降解作用以及PAC的吸附作用协同完成对有机污染物的去除,效率较高,并且显著缩短了水力停留时间。同时,反应器中的PAC还能为微生物生长提供载体,提高对冲击负荷的应对能力。MABR是一项具有广阔应用前景的技术。 接下来,研究中尝试在SMBR中直接投加混凝剂,构建膜混凝生物反应器(MCBR)。较之传统SMBR,MCBR不但对有机物的去除率明显提高,还能有效去除溶解性磷酸盐,提高出水生物稳定性。同时,MCBR对氨氮的去除率也达到96%,表明在生物反应器中直接混凝不会对微生物群落造成负面影响。因此,试验中在SMBR中同时投加混凝剂和吸附剂,构建一体化膜混凝吸附生物反应器(MCABR),以期取代现有水处理工艺。在MCABR中,通过膜截留、生物降解、混凝和吸附的作用共同完成对有机物的去除,去除率达70%左右。扫描电镜(SEM)观察表明MCABR中UF膜表面存在一层污泥层,能谱分析表明该污泥层中含有10.4%的Al元素;共聚焦激光显微镜(CLSM)观察发现MCABR中膜表面分布着大量的多糖。推断多糖和Al水解产物在膜表面共同形成网状结构,强化对混合液中有机物的截留,尤其是分子量在300~3000 Da的有机物,同时膜表面富集的PAC层也能强化对有机物的截留。 对SMBR组合工艺中的核心单元,即浸没式膜组件处理受污染水源水的运行特性进行了中试研究。结果表明,浸没式中空纤维超滤膜具有优异的除浊效能,但对有机污染物,特别是溶解性有机物去除效果不好。由于膜通量大时膜滤池内污染物的累积程度也增大,通量对膜污染的影响很大。曝气可去除膜表面沉积的泥饼层,因此可在一定程度上延缓膜污染。相同曝气量下连续曝气比间歇曝气更有利于延缓膜污染。曝气量越大,跨膜压增长速度就越低,但需综合考虑对膜污染的延缓作用和能耗,以确定最佳曝气量。对于传统构型的浸没式UF膜而言,气泡尺寸越小越有利于延缓膜污染。而反冲洗则可同时去除膜的孔内污染和表面污染,从而表现出更高的效率。工程应用中需对曝气和反冲洗进行优化组合。另一方面,当膜长期运行时,膜的不可逆污染必然发生。因此,论文中还对NaOH和乙醇联合清洗受污染的中空纤维PVC膜的效能和机理进行了探讨。扫描电镜和原子力显微镜(AFM)分析表明NaOH和乙醇能有效地协同去除中空纤维PVC膜表面和孔内的污染物质,表现出优异的清洗效率。