粉末活性炭投加装置

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投加粉末活性炭-MBR与BPAC-UF处理微污染原水对比研究

新闻来源:山东智信环保   发布时间:2016-05-16 09:14  点击:
投加粉末活性炭(PAC)的膜生物反应器(MBR)工艺(PAC-MBR)是一种新型水处理工艺。该工艺结合物理吸附、生物降解以及膜隔离作用于一体,对于微污染原水中氨氮、CODMn以及UV254等指标去除效率较高,且相对传统MBR工艺具有较强抵抗膜污染能力。
然而,增加粉末活性炭投加同时带来了新问题。由于粉末活性炭会在超滤膜表面形成炭骨架滤饼层,其在拦截吸附污染物的同时,本身增大了过滤时的跨膜阻力。所以当粉末活性炭投加量过大时会引起膜通量下降。为此,本文探讨研究了新型分体式生物粉末活性炭-超滤(BPAC-UF)组合工艺替代原一体式工艺的可能性。该工艺膜池前段增设接触区与过渡区,使得生物粉末活性炭与原水有充分的接触反应时间,同时降低膜池内粉末活性炭浓度。实验期望通过对比2组工艺去除微污染物能力以及抵抗膜污染能力,得出相关结论,为粉末活性炭超滤工艺的后续发展提供适当参考。
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实验部分
1.1 原水水质
为研究2种工艺对微污染原水净化能力及其对不同水质的抗冲击性,实验共采用水质不同的4种原水:实验室自配原水、同济大学四平路校区三好坞水、浙江省某水厂沉后水以及该水厂总干渠水。其中,实验室自配原水由自来水、腐植酸和氯化铵配置而成。原水水质。
三好坞原水氨氮浓度偏低。水厂总干渠水氨氮、有机物指标冬季偏高,夏季偏低,存在较大波动。水厂沉后水由于经过混凝沉淀,各指标均有所下降。4种原水水质均为典型的微污染原水水质。
1.2 实验装置和实验条件
投加粉末活性炭(PAC)的膜生物反应器(MBR)工艺(PAC-MBR)与分体式生物粉末活性炭-超滤(BPAC-UF)组合工艺流程分别。
PAC-MBR工艺小试装置有效尺寸为250mm×160mm×260mm,有效容积为10.4L。膜池内装有2束由苏州某公司提供的中空纤维膜。膜纤维内径1.10mm,外径1.80mm,单束有效膜面积0.05m2,孔径0.01μm。膜池底部设曝气头为膜池微生物提供氧气,同时使粉末活性炭处于悬浮状态。
BPAC-UF工艺在膜池前增设接触反应区和过渡区,增加停留时间。接触区尺寸为240mm×120mm×270mm,有效体积7.8L;过渡区尺寸为400mm×120mm×240mm,有效体积11.5L;膜区尺寸150mm×120mm×180mm,有效体积为3.2L。其余装置设计同PAC-MBR装置。
2组工艺同时运行,运行条件相同。膜池内曝气量为80L/h。实验开始时一次性投加2g/L粉末活性炭(粒度200目)。膜抽停比为3:1,抽水泵运行15min,停止5min。膜池反冲洗周期为1h,反冲洗时间4min,采用气水反冲洗,气冲流量200L/h,水冲流量9L/h。实验开始未进行生物接种,微生物在运行过程中自然接种挂膜。工艺在一种原水条件下运行一段时间后更换原水。必要时对膜组件进行化学清洗,先使用质量分数0.5%的NaOH和1000mg/L的NaClO混合液进行碱洗,然后使用质量分数2%的柠檬酸进行酸洗,最后用清水洗净。
1.3 分析方法
氨氮和CODMn采用国家标准水和废水分析方法测定;UV254采用T6新世纪紫外分光光度计测定;EPS的提取采用低速离心法;量化采用滤液TOC值表征;TOC指标使用总有机碳分析仪TOC-VCPH测定。
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结果与讨论
2.1 不同工艺去除氨氮效果
不同工艺对氨氮的去除效果对比。工艺运行前23天,采用实验室配水为原水。随着运行时间增长,2种工艺对氨氮的去除率逐渐增大,但一直低于60%。这意味着对去除氨氮起主要作用的硝化细菌逐渐在活性炭表面生长,但未能在这段时间成功挂膜,以致于无法达到较高的去除率。从工艺运行第25天开始,更换原水为三好坞原水。由于后者氨氮浓度极低,实验中从第28天起逐渐增大对原水的氯化铵投加量,直至水中氨氮浓度达到实验前期水平。随着原水氨氮质量浓度增高,分体式BPAC-UF出水氨氮浓质量度一直处于较低水平,约为0.1mg/L。传统一体式PAC-MBR出水氨氮浓度则有所抬升,但从第32天起,该工艺出水氨氮浓度逐渐降低直至BPAC-UF出水浓度。这可能是因为硝化细菌在此时已成功挂膜,提高了该工艺处理效率。从第38天起,原水氨氮质量浓度大于2mg/L,达到实验室自配原水水平,此后2种工艺对氨氮的去除率均接近100%。
在相同运行条件下,相较于一体式PAC-MBR,分体式BPAC-UF工艺中生物挂膜速率较快,对水质突变的抗冲击性较强,体现出了对原水氨氮去除的较高能力。这可能是因为后者的水力停留时间(HRT)较长,有利于粉末活性炭表面的生物作用。总体来说,2种工艺对于氨氮处理效果均较好,且BPAC-UF优于PAC-MBR。
2.2 不同工艺去除有机物效果
不同工艺对于CODMn和UV254的去除效果对比。
实验前27天采用浙江省某水厂沉后水作为原水,2组工艺对CODMn和UV254指标所反映的有机物的去除效果相当,去除率维持在60%左右。此阶段工艺出水CODMn约为1mg/L,UV254约为0.02cm-1,随着工艺运行时间增长,BPAC-UF工艺对有机物的去除效果逐渐呈现优势,但2组工艺的去除效率均出现轻微下降趋势。第27天更换原水为该水厂干渠水,2组工艺出水有机物浓度立马升高,CODMn达到约1.5mg/L,而UV254达到约0.035cm-1。工艺运行至第35天,2组工艺出水有机物浓度持续升高。此时,对2组工艺补加活性炭,可以明显观察到2组工艺出水CODMn即刻降低。随着工艺继续运行,出水CODMn重复之前观察到的逐渐升高趋势。直至第48天第2次补加活性炭,出水水质又立马得到改善。
对比2组工艺的运行效果可以发现,两者对于有机物的处理能力相当,说明原理相同的该2种工艺对污染物的处理能力相似,这与相关文献的报道相一致。但由于较长的停留时间(HRT)有利于生物作用,BPAC-UF在运行较长时间后往往能呈现一定优势。在原水水质发生突变时,2组工艺都会受到冲击影响,但出水水质变化幅度并不大(约30%)。这意味着更换原水会略微干扰微生物的稳定生长,从而影响去除率。运行时间较长时,工艺出水水质逐渐下降,这可能是由于活性炭的吸附能力达到饱和。在补加活性炭后,出水水质立马恢复。这一现象能同时印证活性炭吸附对有机物的去除起着重要作用。
2.3 不同工艺膜污染情况
实验采用归一化膜比通量作为指标考察2组工艺运行过程中膜污染情况。某时刻归一化膜比通量(JSF/JSF0)为该时刻膜比通量(JSF)与过滤周期初始膜比通量(JSF0)比值。在计算膜比通量时,将膜通量换算成20℃标准值。实验结果如图4所示。
2组工艺在运行开始约一周后达到稳定状态,随后随着膜污染程度加剧,JSF/JSF0值持续下降。BPAC-UF工艺的该指标一直高于PAC-MBR工艺,说明前者的跨膜阻力低于后者,膜污染程度较轻。工艺运行至第24天,实验原水由实验室配水更换为三好坞原水。2组工艺JSF/JSF0急剧下降,膜污染程度加剧。实验同时发现,换水后2组工艺活性炭表面的胞外聚合物(EPS)均出现明显上升。其中,PAC-MBR工艺EPS从16.7mg/L上升至37.4mg/L,而BPAC-UF工艺该项指标则从17.6mg/L上升至39.4mg/L。结合前文所述更换原水使工艺去除污染物能力下降,水质突变可能导致原有微生物难以适应,趋于死亡从而释放大量生物分泌物,后者恰是导致膜污染的主要因素之一。膜工艺运行至第28天,两工艺JSF/JSF0约为0.4,膜污染较严重。此时,对膜组件进行化学清洗,2组工艺膜通量恢复约98%,但随后迅速下降。此后,工艺运行状况十分不稳定,且之前表现较好的BPAC-UF工艺膜污染速率快于PAC-MBR工艺。可见,后者膜池内活性炭颗粒可在膜表面形成炭骨架,在水质波动大,生物分泌物较多时吸附拦截生物分泌物,从而降低膜污染。
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结 论
投加粉末活性炭(PAC)的膜生物反应器(MBR)工艺(PAC-MBR)与分体式生物粉末活性炭-超滤(BPAC-UF)组合工艺对原水氨氮和有机污染物的去除能力相当。2种工艺均需要一定的挂膜时间方能达到较好的氨氮去除效率。BPAC-UF工艺水力停留时间较长,能较好地发挥活性炭表面生物降解作用,对于水质突变的抗冲击性能较强。2组工艺长期运行均需要持续加碳以维持稳定去除效率。由于较充分的生物降解,BPAC-UF工艺在运行过程中膜污染速率较缓。但在水质突变致使微生物死亡,微生物分泌物增多时,一体式PAC-MBR工艺膜表面所形成的炭骨架可起有效吸附拦截作用,从而减轻膜污染。



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