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        膜法水處理方法在水環(huán)境治理中的應用

        2024-12-17 00:00:00陳冬梅
        中國新技術新產(chǎn)品 2024年7期

        摘 要:由于污水治理難度增加,因此對水環(huán)境治理方法提出了更高的要求。膜法水因運行管理簡單、占地面積小以及出水質(zhì)量高等特點,逐漸成為解決水環(huán)境問題的主要方式。本文對污水處理廠初沉池出水,家庭廢水進行試驗,對膜法水的處理效果進行試驗,結果表明,膜法水處理方法對總磷、COD、總氮、NH3-N等指標具有明顯的改善效果,值得推廣應用。

        關鍵詞:水環(huán)境治理;膜法水處理;廢水試驗

        中圖分類號:X 52" " " 文獻標志碼:A

        目前,我國水資源匱乏,人均水資源占有量為2200m3,在全國約600座城市中,超過400座城市處于缺水狀態(tài)。我國水污染問題也比較突出,廢水的回收率較低,根據(jù)數(shù)據(jù),在全國700多條河道中,只有32.2%的斷面滿足飲用水水質(zhì),受污染影響不能飲用的斷面比例達到67.8%。在水資源匱乏與水體污染共存的背景下,須引入膜法水處理方法,對水環(huán)境進行治理[1]。

        1 膜法水處理方法的特性分類

        膜法水處理是一項多學科交叉的新興技術,無論是人工合成膜還是天然膜,均具有一定的選擇通過性。其中,膜分離是利用電場作用,對兩組或多組分溶劑進行富集、純化、分級以及分離的一種新方法[2]。目前,廣泛使用的膜組件包括圓管式、平板式、螺旋卷式、毛細管式以及中空纖維式[3]。

        2 水環(huán)境治理領域引入膜法水處理方法的技術原理

        2.1 曝氣膜-生物反應器

        該技術是由Cote. P首次提出的一種新型的膜技術,是利用具有高透過性的致密膜和疏水膜,通過平板或空心纖維組合,在保證氣相分壓小于氣泡點的條件下,達到無氣泡充氣的目的[4]。這種方法具有氧氣傳遞效果好、接觸時間長等優(yōu)點,且不會受到常規(guī)曝氣過程中停留時間、氣泡尺寸等因素的影響[5]。

        2.2 萃取膜-生物反應器

        萃取膜-生物反應器(EMBR)是一種新型的高效分離技術,由于pH較高,或含有生物毒性物質(zhì),因此,不宜采用與微生物直接接觸的方法來處理。在含有易揮發(fā)的危險材料的廢水中,如果使用常規(guī)好氧生化工藝,那么污染物極易隨著曝氣氣體的揮發(fā)而產(chǎn)生逸出現(xiàn)象,從而導致處理效果不穩(wěn)定和空氣污染問題[6]。

        3 水環(huán)境治理領域引入膜法水處理方法的試驗設計

        3.1 主要裝置

        本裝置主要由預處理池、膜組件、MBR反應器、水箱以及缺氧池組成。

        3.1.1 水箱

        初沉池出水,通過0.6mm的機械格柵,由潛水泵抽取后再送入水池。在所述儲槽的底部設置一臺潛泵,將原水從缺氧槽中抬起,潛泵按照缺氧槽內(nèi)的水位自動打開,上部設有泄水孔,將過多的原水排放出去。水箱規(guī)格為1200mm×1400mm×1400mm。

        3.1.2 缺氧池

        在低氧條件下,反硝化細菌將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)變成N2O或N2排放,具有一定的反硝化功能。部分有機質(zhì)在酸性條件下會發(fā)生水解,利于好氧微生物降解。在缺氧罐上面安裝一臺電動攪拌器,保證充分混合,并與微生物、基質(zhì)充分接觸。缺氧池規(guī)格為5000mm×800mm×1200mm,有效容積為2.8m3。

        3.1.3 預處理池

        在厭氧池的后面增加一個預處理池,并配有鼓風機,在MBR中溶解氧含量較低的情況下,啟動鼓風機,以達到預曝氣的目的。混合液從低氧池自流至前處理池,通過閥調(diào)節(jié)開啟程度。在膜生物反應器的底部設置一臺循環(huán)泵,將混合液送入膜生物反應器內(nèi),每10min運行一次,每次運行10min。預處理池規(guī)格為5000mm×800mm×1200mm,有效容積2.8m3。

        3.1.4 MBR反應器

        在MBR反應器底部設置一根內(nèi)徑13mm的穿孔板,其孔間距為30mm,孔徑為5mm。MBR反應器采用雙層膜結構,上部設有溢流管,將部分混合液回流到低氧槽內(nèi)進行脫氮處理。MBR反應器規(guī)格為5000mm×1200mm×1200mm,有效容積為5m3。

        3.1.5 膜組件

        使用H3-510型膜片,單片面積490mm×1000mm。

        3.2 試驗原水

        試驗原水為某污水處理廠初沉池出水,以家庭廢水為主要成分,并含有部分工廠廢水、餐飲廢水,是具有代表性的城市廢水[7]。

        3.3 分析項目與方法

        COD項目主要采用回流法,NH3-N項目主要采用酚二磺酸分光光度法,總磷項目主要采用紫外分光光度法,總氮項目主要采用分光光度計等。

        3.4 試驗主要內(nèi)容

        考察膜法水處理方法對廢水中總磷、COD、總氮、NH3-N以及濁度等指標的治理成效。對經(jīng)膜法水處理方法后的出水進行檢驗,分析水質(zhì)是否滿足《城市污水再生利用―城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920—2020)標準。

        4 水環(huán)境治理領域引入膜法水處理方法的污染物去除效果

        4.1 COD

        對進水、出水及反應器上層清液進行定期檢測,以4000r/min的速度離心15min,采用定性濾紙過濾。這種工藝中的入水、出水及反應器上層的COD值隨時間的變化情況如圖1所示。

        從圖1得出以下結論。1)啟動速度快。該技術從入泥至完成只有9d。2)COD去除率高。MLSS(5g/L~13g/L)較高,能有效地脫除入水中的有機物,確保COD去除效率維持在較高水平。3)當每次啟動設備時,微生物未完全發(fā)育,MLSS低于6g/L,因此,該過程對COD的脫除效率低于90%,在此期間,由于微生物有增殖與馴化作用,因此COD的去除效果逐漸提高,在穩(wěn)定狀態(tài)下均在90%以上。4)COD變化值為7mg/L~39mg/L,平均值為20mg/L,若不考慮啟動階段的因素,則運行期間COD去除率約為95%。

        膜法水處理方法去除有機污染物,主要由膜截留、活性污泥兩部分作用組成[8]。其中,活性污泥是COD的主要降解途徑,其處理效果可達60%,其主要原因是微生物停留時間長、濃度高。同時,利用膜對溶解性微生物代謝物(SMP)等有機物的高效滯留作用,可有效解決生化過程中的不穩(wěn)定問題,保證出水質(zhì)量。

        4.2 NH3-N

        圖2為NH3-N的去除效果。由于亞硝化菌和硝化菌的傳代周期比較長,因此初期對氨氮的去除效果并不理想。但在本次試驗中,該過程始終保持良好的處理效果,這可能與初始投料污泥中的硝化菌數(shù)量大以及監(jiān)測時已馴化7d有關。氨氮平均去除率平均達到98%。出水氨態(tài)氮為0mg/L~1.3mg/L,平均值0.5mg/L。

        4.3 總氮

        圖3為TN的去除效果。污泥中的污泥濃度偏低,不利于厭氧的形成,污泥的厭氧微生物數(shù)量會降低,因此在初始階段,總氮的去除率約為40%~80%。120d后,由于污水中的懸浮物含量從4000mg/L增至6000mg/L~

        10000mg/L,由于厭氧反應器內(nèi)微生物數(shù)量持續(xù)增加,因此使厭氧條件逐漸變好,同時反應器內(nèi)污泥齡較長,總氮的去除率逐漸穩(wěn)定,去除率也有了很大提高(平均為74%),而出水中總氮逐漸降至20mg/L以下。運行195d后,設備失靈,活性污泥大量排出,導致MLSS重新降至6000mg/L以下,該過程全氮的去除率呈下降趨勢。出水總氮在237d后再次趨于平穩(wěn)。

        4.4 總磷

        圖4為TP的去除效果。在初始階段,總磷去除率因過程的不穩(wěn)定而出現(xiàn)明顯起伏。TP的脫除率為30%~80%,在穩(wěn)定運行條件下,該工藝的TP去除率基本穩(wěn)定。生物除磷是指聚磷菌從外界大量吸收磷,并以聚合狀態(tài)貯存于體內(nèi),形成高磷污泥,高效去除磷。因此,采用低泥齡工藝,能有效去除大量的殘余污泥,從而達到良好的除磷效果。然而,在MBR中,污泥泥齡大,對生物除磷不利,但采用缺氧-好氧模式的MBR系統(tǒng)除磷效率很高,體現(xiàn)了MBR中聚磷菌對磷的作用。

        4.5 工藝出水與回用標準比較

        工藝出水基本與《城市污水再生利用―城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920—2020)標準相符,見表1。

        4.6 試驗小結

        膜法水處理方法效果良好,出水質(zhì)量穩(wěn)定,出水COD,NH3-N,SS,細菌等各項指標均達到《城市污水再生利用―城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920—2020)標準,實現(xiàn)了預定的目標。

        由于污泥齡較長,有利于難降解的有機降解細菌繁殖與富集,該試驗不僅能有效地處理一般污染物,還能有效去除難降解的揮發(fā)性酚類、LAS、石油以及氰化物和重金屬等。

        在不同條件下,厭氧-好氧兩種模式可起到一定的除磷效果。

        4.7 建議

        建議系統(tǒng)性分析膜法水處理方法中發(fā)生的同步硝化-反硝化,并對F/M、C/N以及DO等對同步硝化-反硝化性能的影響進行總結,便于提高脫氮效果,進一步降低運行成本。

        建議在膜池內(nèi)投加混凝劑,以此強化除磷效果,并通過觀察分析,判斷對微生物的影響,并對下一步的試驗進行改進。

        建議進一步研究減緩膜污染方法,避免因膜污染導致水處理效果降低的問題,方法包括研制新型膜材料;對膜結構與組成進行優(yōu)化(開發(fā)膜-生物反應器聯(lián)用技術等);調(diào)控水動力條件(亞臨界流量調(diào)控、氣-水兩相流以及非穩(wěn)定流操作技術等);采用超聲法、臭氧氧化法以及反沖洗法等,對膜污染進行強行去除;可在膜法水處理前增設過濾、沉淀的環(huán)節(jié),并定期對膜進行維護、清洗。

        建議降低能耗,較高的膜法水處理技術能耗不符合“雙碳”要求,其主要原因在于水處理過程需要提高壓力,通過高滲透壓差實現(xiàn)膜法水處理,因此,可以在這方面減低能耗,例如選擇低壓膜、高通量膜以及節(jié)能膜等技術。

        5 結論

        膜法水處理方法作為一種低成本、對環(huán)境友好、高效便捷的水處理新方法,在水環(huán)境治理領域的應用越來越廣泛,并將在今后的發(fā)展中逐漸完善,為保護生態(tài)、改善生活環(huán)境做出貢獻。

        參考文獻

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