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两级动态膜工艺的生活污水处理与生物能源回收特性研究

于世纯  
【摘要】:近年来生活污水被认为是有价值的资源能源载体,而不是废弃物,这使得污水处理模式正在从污染控制转向资源能源回收。本研究提出利用新型动态膜过滤法(DMF)对生活污水中的有机物进行浓缩预处理获取富含有机物的浓缩液,再利用厌氧动态膜生物反应器(AnDMBR)工艺对浓缩液进行处理,以达到产生生物能源的目的。论文主要研究了动态膜(DM)支撑材料的筛选,DMF的污水预浓缩过程及性能,评价了有机浓缩液的产甲烷潜力,考察了AnDMBR对高浓度有机浓缩液的处理效果和产甲烷效能,获得的主要研究成果如下:(1)开展了DMF工艺的优化及生活污水的浓缩性能分析,并评价了浓缩液的产甲烷潜力。实验结果表明,以25μm不锈钢丝网为支撑材料的三层结构DM膜组件,可在原污水富含的悬浮颗粒的辅助下,在1 h内快速形成DM层。在跨膜压力小于40 kPa的条件下,DMF工艺可以在30-54 L/m~2h的高通量下稳定运行。DMF连续运行时,进水COD均值为305 mg/L,出水COD均值为113 mg/L,浓缩液中COD的平均浓度为7008 mg/L,而其它污染物(如氮、磷)的去除效果不同,表明DM层对不同污染物的选择性截留效果。空气反冲洗加膜表面刷洗的物理方法可以有效地再生DM层,保持长期稳定运行,但是随着过滤周期的增加TMP增速有所提高,可能是由于不可逆污染物的积累所致。COD平衡分析认为,进水COD中的37%透过DM层随出水流失,表明DM层对溶解性有机物的截留效果较差,约12%的COD损失,可能是由于生物降解或不锈钢丝网上残存部分有机物不能完全清洗干净所致,但仍有51%的COD以可回收的形式富集于有机浓缩液中,这为后续的厌氧消化产甲烷提供了基质。DMF浓缩液的生化产甲烷潜力(BMP)为0.20 L CH_4/g COD,与城市污水厌氧消化产气量相当,表明DMF工艺与厌氧消化相结合实现同步污水处理与能源化是可行的。(2)应用AnDMBR处理DMF工艺产生的污水浓缩液,考察了其对污水浓缩液的处理效果,并采用仪器分析的方法分析了污泥粒径、胞外聚合物(EPS)及溶解性有机物等(DOM)的变化情况。AnDMBR处理实际污水浓缩液的实验分为两个阶段,第一阶段为启动阶段(即驯化阶段),进水COD约为1000 mg/L,为期30天,启动阶段出水浊度始终在40 NTU以下,COD去除率为89.3%-91.1%。第二阶段为稳定运行阶段,进水COD约为2000 mg/L,为期30天,稳定运行阶段出水浊度始终在20 NTU以下,最低仅为9.5 NTU,COD去除率为96.7%-97.3%,但其对氨氮及磷酸盐没有去除效果。反应器运行期间厌氧污泥相对于接种污泥并未发生太大变化,其中接种污泥的平均粒径为48.6μm,稳定运行一个月后的污泥平均粒径为52.2μm。对于EPS这类潜在的膜污染物质,发现其总量和组分(蛋白质和多糖)随时间均呈上升的趋势,伴随着膜污染的加剧。对进水、上清液及出水中的DOM进行三维荧光光谱(EEM)分析,结果表明色氨酸类蛋白质和芳香类蛋白质容易被微生物降解,动态膜对其也有一定截留作用,而腐植酸类有机物和富里酸类有机物降解性差,其含量沿处理流程基本不变。此外,由于产甲烷微生物生长缓慢、驯化时间长和污水浓缩液基质的复杂性,使得AnDMBR工艺的实际产甲烷率较低,需进一步深入研究及改进。


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