投加HCPA對UF-MBR處理低溫高色高氨氮水源水效能與膜污染控制的影響

孫 楠,諶燕麗,張 穎

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投加HCPA對UF-MBR處理低溫高色高氨氮水源水效能與膜污染控制的影響

孫 楠1,諶燕麗1,張 穎2*

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,黑龍江哈爾濱150030)

采用高濃度純化凹凸棒土-超濾膜生物反應(yīng)器(HCPA-UF-MBR)耦合工藝處理低溫高色高氨氮水源水,考察HCPA對UF-MBR系統(tǒng)除污效能與膜污染控制的影響.基于污泥混合液粒徑分布、Zeta電位、有機(jī)物相對分子質(zhì)量分布、傅里葉紅外光譜與三維熒光光譜分析探究HCPA投加后UF-MBR中污泥混合液性能的變化,研究清洗前后膜的微觀性貌、洗脫液的物質(zhì)成分,明確HCPA在減緩膜污染方面發(fā)揮的作用.結(jié)果表明:HCPA-UF-MBR工藝對色度、CODMn、TOC、NH4+-N、濁度等的去除效果優(yōu)于UF-MBR工藝的1.02~3.9倍,HCPA-UF-MBR中TMP始終大于UF-MBR.投加HCPA后,UF-MBR內(nèi)污泥絮體平均粒徑變小、趨于均勻,易使膜通量降低,HCPA通過吸附、生物載體降解有機(jī)物與降低污泥混合液粘度作用控制膜污染,使系統(tǒng)除污效能未降返增;污泥混合液的|Zeta|電位降低11%~26%,利于污泥沉降;系統(tǒng)對UF膜難以截留的3~10kD小分子有機(jī)物的去除效能增強(qiáng),污泥混合液與相應(yīng)膜表面濾餅層中有機(jī)物種類與含量明顯減少,系統(tǒng)對蛋白質(zhì)類、溶解性微生物代謝產(chǎn)物去除效果顯著.膜表面主要污染物為無機(jī)物Ca、Fe、Mg、Mn、Si與有機(jī)物,同樣運(yùn)行條件下膜HCPA-UF-MBR的污染程度比膜UF-MBR輕,污染物少;污染膜HCPA-UF-MBR表面的有機(jī)物易被水清洗但效果甚微,堿清洗膜效果最佳;該研究為凹凸棒土在MBR中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐.

凹凸棒土；超濾膜生物反應(yīng)器；除污效能；污泥混合液；膜污染

以超濾(UF)為核心的膜生物反應(yīng)器(MBR)因其出水水質(zhì)穩(wěn)定、占地面積小、易于自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)備受矚目,被稱作第三代城市飲用水凈化工藝核心技術(shù),但膜污染是制約UF-MBR工藝推廣應(yīng)用的瓶頸,其控制方法主要集中在進(jìn)水預(yù)處理[1]、膜材料開發(fā)[2]、污泥混合液特性改善[3]與操作條件優(yōu)化[4]4方面,其中污泥混合液特性改善是近年膜污染的研究熱點(diǎn)之一,基于見效快、易操控等優(yōu)勢,多向MBR中添加懸浮物[5]、顆粒載體(活性炭[6]、沸石[7]、粉煤灰[8]、塑料顆粒[9])或絮凝劑[10]等填料緩解膜污染,提高系統(tǒng)的處理效率,但在膜污染控制方面存在以下問題:懸浮物或顆粒載體在MBR 中循環(huán)流動(dòng)時(shí)存在損傷膜表面的潛在性;混凝劑的加入易對微生物群落的活性帶來負(fù)面影響;粉末填料常用粉末活性炭(PAC),但價(jià)格高昂、生物再生困難等弊端使MBR受成本約束而限制其應(yīng)用.

我國凹凸棒土(以硅酸鎂為主,并含鋁、鐵等)礦產(chǎn)豐富,憑借應(yīng)用范圍廣泛被譽(yù)為“千土之王”,其在水處理中具有以下優(yōu)勢[11]:呈堿性(pH值8~9);比表面積高于其它粘土礦物,具有分子篩的作用;脫色力強(qiáng);吸附具有選擇性;凹凸棒土中硫酸鹽、亞硝酸鹽等含量均低于PAC,且無石棉成分,具有安全、衛(wèi)生、無毒性;滅菌、除臭、去毒、殺蟲性較強(qiáng),基于接觸或過濾技術(shù)處理常規(guī)工藝無法去除的激素、農(nóng)藥、病毒、毒素與重金屬離子等有害物質(zhì);再生(加熱或化學(xué)劑) 工藝簡單.憑借上述優(yōu)勢,凹凸棒土及其改性物已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn),但主要集中在廢水等方面[12-13],而對飲用水中有機(jī)物、氨氮同步去除的文獻(xiàn)少有報(bào)道,可見該方面研究亟待解決.

本研究將以嚴(yán)寒與寒冷地區(qū)低溫高色高氨氮水源水為研究對象,考察高濃度純化凹凸棒土(HCPA)投加對UF-MBR系統(tǒng)低溫除污效能與膜污染控制的影響,從污泥混合液粒徑分布與Zeta電位、有機(jī)物相對分子質(zhì)量分布等方面系統(tǒng)分析HCPA投加后UF-MBR中污泥混合液性能的變化,研究膜污染特性、清洗前后膜的微觀性貌、洗脫液的物質(zhì)成分,明確HCPA在減緩膜污染方面發(fā)揮的作用.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行參數(shù)

HCPA-UF-MBR自動(dòng)運(yùn)行裝置見圖1,UF膜組件基本參數(shù)見表1.

表1 膜組件的基本參數(shù)

1.2 污泥馴化與試驗(yàn)用水

接種的活性污泥取自哈爾濱市某污水處理廠二次沉淀池的回流污泥,馴化一個(gè)月至成熟,待用.取定量活性污泥置入U(xiǎn)F-MBR、HCPA- UF-MBR 2反應(yīng)器內(nèi),保證混合液懸浮固體濃度(MLSS)分別為3.2~3.4g/L、23.2~23.4g/L(PA投加20g/L);試驗(yàn)進(jìn)水采用松花江配水,具體水質(zhì)見表2,為保證進(jìn)水的NH4+-N、有機(jī)物濃度,向松花江水中投加定量NH4Cl、底泥腐殖酸(HA)、生物易降解的有機(jī)碳源葡萄糖等.

表2 試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方法

表2中常規(guī)項(xiàng)目分析按照《水及廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)中的標(biāo)準(zhǔn)方法;采用激光粒度儀(Microtrac-S3500,美國)測定污泥混合液粒徑分布(PSD);采用納米粒度與Zeta電位分析儀(Malvern Nano-zs,英國)測定污泥混合液Zeta電位;采用UF膜法(氮?dú)饧訅罕匠瑸V器XFUF07601,美國)測定UF-MBR、HCPA- UF-MBR兩工藝的進(jìn)水、污泥混合液體、出水濾液的UV254值,明確有機(jī)物的相對分子質(zhì)量分布;采用傅里葉紅外光譜(FTIR)儀(Specturum One B,美國)對兩工藝進(jìn)水、污泥混合液、膜表面濾餅層化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.采用三維熒光光譜(3D-EEM)儀測定兩工藝的進(jìn)水、污泥混合液、出水中各元素的特征X射線的強(qiáng)度,從而獲取各元素的含量信息.采用掃描電鏡(SEM)儀(Hitachi S-3400N,日本)對新膜、污染膜、各種方法清洗后的膜絲進(jìn)行觀察.采用ICP-AES 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(5300DV,美國)與表2對應(yīng)指標(biāo)的方法檢測膜清洗中各步驟的洗脫液的無機(jī)及有機(jī)成分.

2 結(jié)果與分析

2.1 HCPA投加前后UF-MBR出水效果分析

UF-MBR、HCPA-UF-MBR兩系統(tǒng)出水效果對比結(jié)果如表3所示,HCPA的投加增強(qiáng)了UF-MBR的處理效果.

表3 UF-MBR、HCPA-UF-MBR出水效果對比

控制膜通量為22L/(h·m2),膜清洗周期內(nèi)UF-MBR、HCPA-UF-MBR兩系統(tǒng)中膜的跨膜壓差(TMP)變化趨勢相似,如圖2所示,大致分為3個(gè)階段:①初期急速上升階段(1~13d),投加HCPA后,UF-MBR的TMP上升速率增大,這是由于凹凸棒土促進(jìn)膜孔堵塞使摩阻力快速增加所致;②穩(wěn)定上升階段(14~35d);③膜污染加劇階段(36~50d),TMP再次快速上升.②與③階段,HCPA-UF-MBR中TMP略低于UF-MBR,這是由于投加HCPA后,膜表面的有機(jī)物與微生物量因被HCPA吸附而減少,膜污染程度降低,膜阻力減小所致[14].當(dāng)TMP增至0.055Mpa時(shí),化學(xué)清洗膜以恢復(fù)膜過濾性能,TMP繼續(xù)遵循上述變化趨勢.

2.2 HCPA對MBR膜污染控制的影響

2.2.1 對污泥混合液粒徑分布的影響 污泥混合液粒徑影響污泥顆粒在膜表面沉積,進(jìn)而影響膜污染程度.考察第10、30、50d時(shí)UF-MBR、HCPA-UF-MBR兩系統(tǒng)的污泥粒徑分布情況,結(jié)果見圖3,UF-MBR污泥混合液的粒徑分布在0.5~2.0mm范圍內(nèi),平均粒徑>100μm,其隨運(yùn)行時(shí)間的延長逐漸減小,而HCPA-UF-MBR污泥混合液的粒徑分布峰較窄(0.5~0.8mm),平均粒徑<100μm,其隨運(yùn)行時(shí)間的延長逐漸增大,上述表明HCPA-UF-MBR污泥混合液的平均粒徑遠(yuǎn)小于UF-MBR污泥混合液的平均粒徑,這是由于HCPA的投加使UF-MBR角落與邊壁處的水力循環(huán)更加充分,從而使得HCPA-UF-MBR污泥絮體的大小趨于均勻,而未投加HCPA時(shí),污泥絮體在UF-MBR角落處粘附而產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象,形成大絮體使粒度分布圖中大粒徑顆粒所占百分比增加.

Meng等[15]認(rèn)為微小顆粒與膠體易于沉積在膜表面而降低膜通量,Bai等[16]研究發(fā)現(xiàn), <50μm的顆粒將大幅度增加膜的濾餅比阻,而根據(jù)表3結(jié)果可知,投加HCPA后UF-MBR污泥混合液中的有機(jī)物與無機(jī)氮的各項(xiàng)指標(biāo)去除率均較未投加前的高,且膜污染降低,分析原因如下:①HCPA可作為細(xì)菌載體降解污染物;②HCPA對HA等大分子有機(jī)物具有良好的吸附作用[17];③HCPA作為無機(jī)粒子,可降低污泥混合液粘度,使膜表面污泥粘附力減小、污泥絮體的結(jié)構(gòu)疏松,易與膜表面脫離,減緩膜污染.

2.2.2 對污泥混合液Zeta電位的影響 MBR中污泥混合液Zeta電位可反映活性污泥性質(zhì)與混合液電性的變化.UF-MBR、HCPA-UF-MBR污泥混合液Zeta電位隨時(shí)間變化規(guī)律見圖4.

由圖4可知,污泥顆粒表面帶的是負(fù)電荷,污泥絮體顆粒間將產(chǎn)生靜電斥力,進(jìn)而影響污泥顆粒大小;隨試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間的延長,UF-MBR、HCPA- UF-MBR系統(tǒng)污泥混合液的Zeta電位變化趨勢一致:0~39d,呈逐漸上升趨勢,第39d時(shí)達(dá)到最大,分別為20.75、16.31mV;隨后逐漸下降,60d左右趨于動(dòng)態(tài)平衡;HCPA-UF-MBR污泥混合液的電位比UF-MBR的低11~26%.下降與MBR中活性污泥微生物新陳代謝產(chǎn)生的胞外聚合物(EPS)的下降有直接關(guān)系,因EPS中含有大量帶負(fù)電的官能團(tuán)(如-OH、-COOH等),其含量、組成結(jié)構(gòu)與污泥Zeta電位正相關(guān)[18],HCPA的投加使微生物的代謝活動(dòng)旺盛且正常,部分EPS作為底物被微生物利用而降解,因此HCPA-UF-MBR中污泥的下降,從而降低污泥絮體間靜電排斥力,提高絮體凝聚力,避免污泥膨脹,增強(qiáng)其沉降性能,減緩膜污染[19].

2.2.3 對有機(jī)物相對分子質(zhì)量分布的影響 不同分子量的有機(jī)物在MBR中的去除效果與規(guī)律均不同,且外加載體也會(huì)對其去除效果產(chǎn)生影響.連續(xù)測定UF-MBR、HCPA-UF-MBR中進(jìn)水、污泥混合液體、出水的有機(jī)物相對分子量分布,其平均結(jié)果如圖5所示.

分析圖5,可得出以下結(jié)論:(1)兩反應(yīng)器污泥混合液中>100kD的有機(jī)物含量均大于進(jìn)水的相應(yīng)值,表明該分子量區(qū)間內(nèi)的有機(jī)物主要為微生物的代謝產(chǎn)物,因難被微生物降解而在反應(yīng)器內(nèi)累積,隨著污泥停留時(shí)間(SRT)的延長,微生物得到馴化可逐步降解這部分大分子有機(jī)物[20],故其不會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)無限累積.(2)兩反應(yīng)器出水中>100kD的有機(jī)物含量均遠(yuǎn)小于其相應(yīng)的污泥混合液與進(jìn)水的含量值,表明該分子量區(qū)間內(nèi)的有機(jī)物易被膜截留,部分有機(jī)物在膜表面上粘附而成為濾餅層或凝膠層的組分,濾餅層或凝膠層一方面作為過濾介質(zhì)進(jìn)一步截留大分子有機(jī)物與顆粒,另一方面濾餅層或凝膠層中的微生物會(huì)進(jìn)一步降解過濾水中的有機(jī)物,從而有效保障濾后水質(zhì).(3)UF-MBR污泥混合液>100kD有機(jī)物的積累量是HCPA-UF-MBR的近兩倍,這可能由于HCPA能吸附污泥混合液中部分有機(jī)物與微生物代謝產(chǎn)物,降低由這些難降解有機(jī)物所產(chǎn)生的UV254值;另一方面,投加HCPA后,污泥絮體相互聚集、粘結(jié)形成生物凹凸棒土,可為微生物提供優(yōu)良的生存環(huán)境,增強(qiáng)污泥活性,使HCPA- UF-MBR比UF-MBR對有機(jī)物的降解能力更強(qiáng).(4)UF-MBR、HCPA-UF-MBR污泥混合液對相對分子質(zhì)量介于3~10kD的有機(jī)物去除率分別為39.39%、72.73%,出水有機(jī)物去除率未增反降,這可能是因?yàn)槟け砻鏋V餅層中所含微生物將大分子量有機(jī)物部分降解為分子量介于3~10kD的有機(jī)物,也可能是由于濾餅層微生物新陳代謝產(chǎn)生了部分小分子量有機(jī)物,其未來得及被微生物攝取就已經(jīng)脫離了系統(tǒng)所致.上述表明UF膜難以去除3~10kD的小相對分子質(zhì)量有機(jī)物,HCPA可有效彌補(bǔ)UF膜不足.

2.2.4 紅外光譜分析 對UF-MBR、HCPA- UF-MBR的進(jìn)水、污泥混合液及相應(yīng)膜表面濾餅層中的化合物進(jìn)行FTIR分析,結(jié)果如圖6所示.由圖6可知,UF-MBR、HCPA-UF-MBR進(jìn)水、污泥混合液及相應(yīng)膜表面濾餅層中有機(jī)物所產(chǎn)生的吸收峰存在一定的差異.

高頻區(qū):①進(jìn)水僅在3392cm-1處有吸收峰,主要是由O-H、-NH2或C-H等含H基團(tuán)的伸縮振動(dòng)引起的.②UF-MBR的污泥混合液中的化合物在3394cm-1、2927cm-1兩處有吸收峰,分別為糖類O-H伸縮振動(dòng)與糖類C-H伸縮振動(dòng)[21]; HCPA-UF-MBR污泥混合液中的化合物除上述兩處吸收峰外,在3615cm-1、3553cm-1處出現(xiàn)了凹凸棒土的特征峰,分別歸屬于Al-OH-Al、(Fe3+,Mg)-OH.③UF-MBR與HCPA-UF-MBR污泥混合液內(nèi)膜表面濾餅層中化合物的吸收峰位置,與②一致.

低頻區(qū):①UF-MBR污泥混合液中的化合物在1656、1415、1044、465cm-1處保持進(jìn)水原有吸收峰,分別為酰胺類化合物的C=O伸縮振動(dòng)(酰胺Ⅰ帶)、=CH的變形吸收峰、C—O振動(dòng)、CCO變形振動(dòng)[22];在1542、1240cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰,分別歸屬酰胺類化合物的N—H彎曲振動(dòng)(酰胺Ⅱ帶)以及乙醇、醚、碳水化合物中的C—O伸縮振動(dòng);表明UF-MBR的污泥混合液中蛋白質(zhì)(由1656、1542cm-1處特征峰表征)與多糖類物質(zhì)(1044、1240cm-1處特征峰表征)[22]增加,即微生物代謝分泌的EPS增加,將加劇膜污染.此外,873、776、658、598cm-1處HA的特征峰減弱,表明HA被部分降解.UF-MBR污泥混合液中的化合物黏附在膜表面內(nèi)未發(fā)生改變,圖譜中吸收峰的位置基本一致.②與UF-MBR相比, HCPA-UF-MBR的污泥混合液中的化合物在1240cm-1處的吸收峰消失,1415cm-1處的吸收峰強(qiáng)度減弱,表明投加HCPA后微生物代謝分泌的EPS減少(與2.2.2結(jié)果一致);795、511cm-1處為凹凸棒土的特征峰.HCPA-UF-MBR污泥混合液中的化合物黏附在膜表面內(nèi)未發(fā)生改變,圖譜中吸收峰的位置基本一致.

綜上,從吸收峰的數(shù)量與相對強(qiáng)度分析,與UF-MBR相比,HCPA-UF-MBR污泥混合液與相應(yīng)膜表面濾餅層中有機(jī)物種類明顯減少,含量降低近50%,可見HCPA的投加提高了MBR除有機(jī)污染的效能,減緩了膜污染速率.

2.2.5 3D-EEM分析 采用3D-EEM檢測MBR中的溶解性有機(jī)物(DOM)的情況,了解DOM在膜污染中的作用,進(jìn)而探索預(yù)防或緩解膜污染的有效方法.

圖7為UF-MBR、HCPA-UF-MBR的進(jìn)水、污泥混合液以及出水的3D -EEM譜圖,最大熒光峰位置與強(qiáng)度見表4.

根據(jù)Chen等[23]的研究,3D-EEM譜圖可劃分5個(gè)代表不同種類物質(zhì)的區(qū)域,分別為:A區(qū)(發(fā)射波長m/激發(fā)波長x為380~540/ 250~440)代表腐殖酸類腐殖質(zhì),B區(qū)(m/x為380~540/200~250)代表富里酸類腐殖質(zhì),C區(qū)(m/x為280~330/ 200~250)為氨酸類芳香族蛋白質(zhì),D區(qū)(m/x為330~380/200~250)為色氨酸類芳香族蛋白質(zhì),E區(qū)(m/x為280~380/250~340)為溶解性微生物代謝產(chǎn)物.由圖7、表4可知,UF-MBR、HCPA-UF- MBR的進(jìn)水、污泥混合液、出水水樣譜圖中A、B、D、E的主峰位置略有變化,但其熒光強(qiáng)度發(fā)生的變化較大,這可能是化合物結(jié)構(gòu)的改變在其熒光特性上的反應(yīng)[24].

混合液UF-MBR的A、B、D、E峰強(qiáng)度均大于進(jìn)水,混合液HCPA-UF-MBR的A、B、D、E峰強(qiáng)度均較進(jìn)水低,表明HCPA投加可強(qiáng)化去除對應(yīng)有機(jī)物,避免其在MBR中富集;兩反應(yīng)器出水的A、B峰強(qiáng)度差別不大,表明出水中腐殖酸類與富里酸類腐殖質(zhì)主要通過膜分離去除.出水HCPA- UF-MBR的D、E1、E2峰強(qiáng)度降低幅度比出水UF- MBR分別高11.4%、33.9%、4.5%,表明HCPA對混合液中色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)、溶解性微生物代謝產(chǎn)物(兩種類型)具有較好的吸附效果,可緩解膜污染;而兩反應(yīng)器出水的E2峰強(qiáng)度近似表明濾餅層微生物新陳代謝將產(chǎn)生相同類別溶解性有機(jī)物,致使此類溶解性有機(jī)物去除程度不明顯.

(a)進(jìn)水?????????(b)UF-MBR的污泥混合液???????(c)HCPA-UF-MBR的污泥混合液

(d)UF-MBR的出水?????????(e)HCPA-UF-MBR的出水

表4 UF-MBR、HCPA-UF-MBR的進(jìn)水、污泥混合液、出水的3D-EEM譜圖的參數(shù)

2.3 膜污染表征分析

2.3.1 膜污染的微觀表現(xiàn) 為進(jìn)一步觀察分析UF-MBR、HCPA-UF-MBR兩系統(tǒng)內(nèi)的膜污染情況,對新膜與清洗后的污染膜進(jìn)行微觀觀察,結(jié)果如圖8所示.

比較圖8中的(b)和(c)圖可以看出,水洗膜UF-MBR表面依然存在著一層較薄的粘性污染層,水洗膜HCPA-UF-MBR表面的污染物大部分已脫落;比較(d)和(e)可以看出,經(jīng)酸洗后兩膜表面污染物被進(jìn)一步清洗掉,酸洗膜HCPA-UF-MBR的清洗效果優(yōu)于酸洗膜UF-MBR;比較(f)和(g)可以看出,經(jīng)堿洗后兩膜表面的污染物基本被去除,可清晰看到分布均勻的膜孔,尤其是堿洗膜HCPA-UF-MBR,其SEM圖與新膜幾乎一樣.綜上可知,膜清洗效果依次為堿洗>酸洗>水洗,且相同清洗條件下, HCPA的加入大大減輕了膜污染的程度,這可能由于HCPA質(zhì)輕、粒徑小,運(yùn)行初始吸附沉積在膜表面形成濾餅層所致.

(a)新膜??????(b)水洗膜UF-MBR???????(c)水洗膜HCPA-UF-MBR

(d)酸洗膜UF-MBR???????(e)酸洗膜HCPA-UF-MBR

2.3.2 污染物的組分分析 為進(jìn)一步分析膜表面污染物的組成成分,對不同方法膜清洗中所得洗脫液的無機(jī)與有機(jī)成分進(jìn)行檢測,結(jié)果如表5所示.

從表5中可以看出,水洗與酸洗主要去除無機(jī)污染物,堿洗可有效去除有機(jī)污染物.污染物中的無機(jī)成分主要有Ca、Fe,其主要來源于松花江水.研究表明,Ca、Fe元素的存在是引起膜污染的重要原因之一,這是由于Ca、Fe鹽的溶解度很小,在膜表面發(fā)生濃差極化可能性大,Ca、Fe鹽在膜表面析出沉積而直接導(dǎo)致膜的無機(jī)污染;Ca、Fe元素還通過改變水中其他污染物質(zhì)存在的形態(tài)而間接造成膜污染問題,如Ca2+、Fe2+、Fe3+易與膜表面的陰離子聚合物SO、CO、PO、OH反應(yīng)生成沉淀物[25-26].從表5中還可以看出,同樣運(yùn)行條件下膜HCPA-UF-MBR的污染程度比膜UF-MBR輕,污染物少;污染膜HCPA-UF- MBR表面的有機(jī)物更容易被水清洗,這是由于投加HCPA后污泥混合液中有機(jī)物的含量降低,使污染物與膜表面之間的粘結(jié)力小,膜表面形成的污染層較疏松所致;而MBR膜表面的污染層較厚,僅用水沖洗去除有機(jī)物的效果甚微.

表5 污染膜洗脫液的組成成分

3 結(jié)論

3.1 HCPA-UF-MBR組合工藝對色度、CODMn、TOC、NH4+-N、濁度等的去除效果優(yōu)于UF-MBR的1.02~3.9倍;HCPA-UF-MBR中TMP始終大于UF-MBR.

3.2 HCPA投加后,PSD分析表明污泥絮體平均粒徑小且趨于均勻易造成膜污染,HCPA通過吸附、生物載體降解有機(jī)物與降低污泥混合液粘度作用控制膜污染,使系統(tǒng)除污效能未降返增;Zeta分析表明污泥混合液的|Zeta|電位比UF-MBR的低11%~26%,利于污泥沉降;有機(jī)物的相對分子質(zhì)量分布測定表明HCPA提高了系統(tǒng)對UF膜難以截留的3~10kD小分子有機(jī)物的去除效果;FTIR分析表明污泥混合液與相應(yīng)膜表面濾餅層中有機(jī)物種類與含量明顯減少,3D-EEM分析表明HCPA對蛋白質(zhì)類、溶解性微生物代謝產(chǎn)物去除效果顯著.

3.3 膜表面污染物主要為無機(jī)物Ca、Fe、Mg、Mn、Si與有機(jī)物.同樣運(yùn)行條件下膜HCPA-UF- MBR的污染程度比膜UF-MBR輕,污染物少;污染膜 HCPA-UF-MBR表面的有機(jī)物更容易被水清洗但效果甚微;最佳膜清洗方式為堿洗.該研究為凹凸棒土在MBR中的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐.

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The effect of dosing HCPA on decontamination efficiency and membrane fouling control for UF-MBR treating high color and high ammonia nitrogen source water at low temperature.

SUN Nan1, CHEN Yan-li1, ZHANG Ying2*

(1.College of Water Conservancy & Civil Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China；2.College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China).

The coupling process of high concentration of purified attapulgite (HCPA) and ultra-filtration membrane bioreactor (UF-MBR) was used to treat high color and ammonia nitrogen from source water at low temperature. The effect of HCPA on the decontamination efficiency and membrane fouling control in UF-MBR was examined. Based on the analysis of particle size distribution of sludge mixture, Zeta potential,relative molecular weight distribution of organics, flourier infrared spectroscopy and three-dimensional fluorescence spectra, the changes in properties of sludge mixture after adding HCPA into UF-MBR were explored. The micrographs of membrane before and after cleaning, and the material composition of the eluted liquid were studied, furthermore, the effect of HCPA on reducing membrane fouling was defined. The results show that, the removal effect of chroma, CODMn, TOC, NH4+-N, turbidity and so on for HCPA-UF-MBR was better 1.02~3.9 times than that for UF-MBR. TMP in HCPA-UF-MBR was always greater than in UF-MBR. After HCPA dosing,the average particle size of sludge flocculation in UF-MBR was small and tended to be uniform, which would cause the membrane flux reduce. Membrane fouling was controlled by HCPA through adsorption, carrying more organisms to degrade organics and reducing the viscosity of sludge mixture, so the decontamination efficiency in UF-MBR was not reduced but increased. For HCPA-UF-MBR, the potential of sludge mixture was decreased by 11%~26%, it would help sludge settling. The removal efficiency of organics was improved, especially for a relative molecular weight ranging from 3kD to10kD which was hard to be entrapped by UF membrane. The type and content of organics in sludge mixture and corresponding cake layer on the membrane surface were significantly decreased.The removal efficiency of protein and soluble microorganism metabolites was significant.The main pollutants of the membrane surface were inorganic substances such as Ca, Fe, Mg, Mn, Si and organic matters. Under the same operating conditions, compared with the membrane in UF-MBR, the membrane in HCPA-UF-MBR was with lower pollutant, more easily to be cleaned by water for organics on the surface. The effect of alkali cleaning membrane from MBR was the best.The study provides technical support for attapulgite application in MBR.

attapulgite；ultrafiltration membrane bioreactor；decontamination efficiency；sludge mixture；membrane fouling

X703.5

A

1000-6923(2017)04-1339-10

2016-09-09

黑龍江省博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LBH-Z13025)

孫 楠(1981-),女,副教授,博士,主要研究方向?yàn)檗r(nóng)村水環(huán)境生態(tài)修復(fù)理論與技術(shù).發(fā)表論文20余篇.

* 責(zé)任作者, 教授, zhangyinghr@hotmail.com

, 2017,37(4)：1339~1348