超濾膜作載體的生物接觸氧化工藝研究
摘要：針對經(jīng)典的污水處理生化工藝的缺陷，提出用超濾膜作載體的生物接觸氧化處理工藝。試驗結(jié)果證明：經(jīng)初沉處理后的生活污水，當(dāng)接觸時間為3 h左右時，CODCr、BOD5、SS和NH3-N的去除率分別可達(dá)到83%、92%、94%和60%左右。 理論 分析 亦表明此法在污水生物處理方面前景良好。
關(guān)鍵詞：污水處理 充氧 中空纖維膜 生物膜 載體
Study on Biological Contact Oxidation Process with Ultrafiltration Membrane as Carrier
Abstract：In view of defect of classical biochemical wastewater treatment process, a contact oxidation process with ultrafiltration membrane as carrier was developed. Experimental results demonstrated that when treating primary settled domestic wastewater with contact time of about 3h, the removal efficiencies of CODCr、BOD5、SS and NH3-N were 83%, 92%, 94% and 60% respectively. The theoretical analysis also showed that this process would have good prospects in biological wastewater treatment.
Keywords:wastewater treatment;aeration;hollow fiber membrane;biofilm;carrier
用好氧微生物處理污水的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是要保證有足夠的氧氣供微生物氧化水中的有機(jī)物。為保證氧氣供應(yīng)，一般采用向污水中充氧的 方法 。生物膜在氧化有機(jī)物的過程中，由于溶解氧的濃度梯度方向與有機(jī)物的濃度梯度方向一致，造成生物膜的底部出現(xiàn)厭氧層，導(dǎo)致生物膜脫落而混入處理水中。因此，要設(shè)二沉池進(jìn)行膜水分離。
若想獲得一種高效、 經(jīng)濟(jì) 、緊湊的生化處理系統(tǒng)，關(guān)鍵是找出一個能“靜靜”地將氧氣溶解到水中的方法，而微孔膜和選擇性透氣膜材料的出現(xiàn)與推廣使得解決這個關(guān)鍵 問題 成為可能，這就是所謂的無泡充氧法。無泡充氧法即用疏水性的微孔膜或選擇性透氣膜材料將液、氣兩相相互隔離，根據(jù)Henry定律，氣體可借助于氣、液間的分壓差透過微孔之間的氣、液界面或選擇性透氣膜而溶入或溶出液體。這一過程中沒有肉眼可見的氣泡產(chǎn)生，氧氣 自然 也可借此充入水中完成充氧過程。
根據(jù)上述分析，筆者設(shè)計了一個將反應(yīng)器與沉淀池合并的試驗裝置，進(jìn)行了污水凈化試驗。
1 材料與方法
1.1 材料
聚偏氟乙烯中空纖維，外徑0.8mm，內(nèi)徑0.5mm，微孔最大孔徑0.2μm，開孔率80%，由天津紡織工學(xué)院提供。
1.2試驗裝置
試驗流程如圖1所示。其中反應(yīng)器用玻璃量筒改制而成，內(nèi)徑60.3mm，有效容積1.27L。中空纖維組件兼充氧及生物膜載體雙重功能。該組件用塑料片做成支架將中空纖維盤繞其上制成。中空纖維組件間水平間隔5mm，上下層間隔5mm，交錯布置。膜總表面積為416cm2，總體積為504cm3(相當(dāng)于生物膜載體堆積體積)，折算成比表面積為82.5m2/m3，空隙率97%。試驗在室溫下進(jìn)行。
1.3 試驗水質(zhì)
原水為唐山市西郊污水廠一沉池出水，其水質(zhì)為：CODCr=100～300 mg/L，BOD5=50～150 mg/L，SS=100～150mg/L，pH=7.0～7.3。
2 試驗過程
試驗分為對中空纖維特性的測試(包括耐壓性能和微生物生長試驗)和污水處理試驗。
測試中空纖維浸在水下時內(nèi)部充氣最大安全壓力的具體作法是：將幾根中空纖維兩端用環(huán)氧樹脂封在玻璃管中，然后向浸沒在水中的中空纖維內(nèi)充氣，同時觀察中空纖維表面是否有氣泡出現(xiàn)。結(jié)論是內(nèi)外壓力差≯4.5kPa就可以保證安全運行，且無氣泡產(chǎn)生。
微生物生長試驗是將上述試驗用水換成污水。為提高充氣效率，須提高中空纖維膜中的氧氣分壓，故向中空膜中充入純氧并維持內(nèi)外壓力差為3.0kPa。在向污水中加入從污水廠曝氣池中取得的活性污泥進(jìn)行接種后，發(fā)現(xiàn)靠近氧氣進(jìn)氣端的中空纖維表面微生物膜生長較好，而遠(yuǎn)端則較差，封口端甚至不長。將封口端也接通氧氣后，該端附近的生物膜生長情況好轉(zhuǎn)。經(jīng)分析原因有二：①中空纖維內(nèi)充入的是純氧，其中的氮氣、二氧化碳等氣體分壓為零，故水中的上述氣體會從水中溶出而進(jìn)入中空纖維內(nèi)部使其中的氧氣分壓降低。在遠(yuǎn)端隨著氧氣溶入水中導(dǎo)致氧分壓降低幅度較大，使得向水中充氧能力下降，從而 影響 了微生物的生長。
②中空纖維內(nèi)氣體的溶進(jìn)與溶出是沿全長進(jìn)行的，所以中空纖維內(nèi)氧氣流動速度在封口端為零，進(jìn)氣端則最大，這樣就會將已溶入中空纖維的氮氣等氣體帶至遠(yuǎn)端。所以在中空纖維內(nèi)沿長度方向氧氣的濃度(分壓)不是均勻分布的，并且由于進(jìn)氣端氧氣流動速度最大，產(chǎn)生的湍流也最強(qiáng)，因而氧氣滲入水中的條件最有利。
根據(jù)以上分析，在氣路中加裝一個循環(huán)泵后得到了沿中空纖維全長均勻生長的生物膜。
污水處理試驗過程則是將裝置按流程裝配完畢之后接通氧氣，注入污水并加入活性污泥進(jìn)行接種。為了加快生物膜的培養(yǎng)過程，在污水中還加入了用可濕性淀粉、肉汁和一些無機(jī)鹽組成的營養(yǎng)物質(zhì)。經(jīng)2周的培養(yǎng)，生物膜的厚度穩(wěn)定在約為1.2 mm左右，出水變清后停止添加營養(yǎng)物質(zhì)，并讓生物膜在原污水中適應(yīng)一周后開始測試。
3 試驗結(jié)果
31 去除有機(jī)物和SS
用本法處理污水前后BOD5、CODCr和SS的結(jié)果見表1。
|
水樣
編號 |
BOD5
|
CODcr
|
SS
|
||||||
|
進(jìn)水
（mg/L） |
出水
（mg/L） |
去除率
（％） |
進(jìn)水
（mg/L） |
出水
（mg/L） |
去除率
（％） |
進(jìn)水
（mg/L） |
出水
（mg/L） |
去除率
（％） |
|
|
1
|
116
|
9.6
|
91.4
|
225
|
44
|
80.4
|
|
|
|
|
2
|
125
|
10
|
92.0
|
241
|
43
|
82.2
|
111
|
7
|
94
|
|
3
|
96
|
9.6
|
90.0
|
|
|
|
155
|
12
|
92
|
|
4
|
50
|
4
|
92.0
|
108
|
23
|
78.7
|
147
|
12
|
92
|
|
5
|
124
|
13
|
89.5
|
203
|
34
|
83.0
|
|
|
|
|
6
|
|
|
|
169
|
31
|
81.6
|
100
|
10
|
90
|
表1中可以發(fā)現(xiàn)，本工藝對BOD5、CODCr和SS的去除率分別達(dá)到89.5%～92%、78.7%～83%和90%～94%。
3.2 出水中的原生動物
通過顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)在出水端生物膜上有大量的草履蟲和游仆蟲。另外，出水中也可觀察到微小的水生生物游動。
3.3 脫除氨氮的效果
從試驗的26d開始測定進(jìn)、出水的氨氮和亞硝酸鹽濃度(見表2)。由于本工藝的特點是生物膜幾乎不脫落，所以泥齡較長，且隨著泥齡的增長，硝化效果開始顯現(xiàn)出來。
|
泥齡
（d） |
亞硝酸鹽
|
氨氮
|
|||
|
進(jìn)水
（mg/L） |
出水
（mg/L） |
進(jìn)水
（mg/L） |
出水
（mg/L） |
去除率
（％） |
|
|
26
|
0.04
|
0.06 |
10
|
10
|
0
|
|
36
|
0.02
|
0.5
|
|
|
|
|
40
|
0.025
|
0.6
|
30
|
20
|
33.3
|
|
45
|
0.01
|
1.2
|
25
|
10
|
60
|
4 討論
4.1 去除有機(jī)物
在本工藝中的中空纖維實際上是生物膜的載體，微生物種群在本工藝中的分布與常規(guī)的生物膜法和活性污泥法不同，所以在降解污染物的能力方面有其獨特之處。
首先 分析 生物膜的特點。常規(guī)的生物膜法有機(jī)物和溶解氧由生物膜同一側(cè)進(jìn)入膜內(nèi)部，所以在生物膜的表面好氧微生物生長條件較內(nèi)部深處要好得多。在表面旺盛生長的微生物消耗了大部分溶解氧，使生物膜內(nèi)部處于供氧不足甚至無氧狀態(tài)，于是從生物膜表面至底部出現(xiàn)了供氧充足、缺氧和無氧區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)分別對應(yīng)生長的是好氧、兼性和厭氧微生物。這就帶來了以下 問題 ：首先，如果污水中有機(jī)物濃度過大則表面旺盛生長的微生物將使生物膜生長過厚，從而堵塞載體或濾料間的空隙;其次，因為厭氧細(xì)菌產(chǎn)生的代謝物質(zhì)的作用，導(dǎo)致生物膜脫落;另外，為了保證給微生物足夠的溶解氧，一般采用污水流速較快或曝氣的 方法 ，這也易使生物膜脫落水中，所以要在其后設(shè)一個沉淀池將其分離。
在本工藝中污水的有機(jī)物和氧氣分別從生物膜的兩側(cè)進(jìn)入，即二者的濃度梯度方向是相反的。這對分解水中的有機(jī)物很有好處，如在生物膜的最外層有機(jī)物濃度最大但溶解氧濃度最小，而在生物膜的底部則恰好相反，這樣好氧微生物的兩個生長控制因子得以相互協(xié)調(diào)和抑制，其結(jié)果是使生物膜協(xié)調(diào)地生長于一個相對固定的厚度范圍，不會因有機(jī)物的濃度大而過度生長形成堵塞。在試驗中觀察到的生物膜沿水流方向的生長狀態(tài)也證明了這一點，從污水進(jìn)水端至出水端，有機(jī)物濃度相差逾十倍，生物膜的厚度卻基本一樣，僅僅是生物膜的密實程度進(jìn)水端較出水端密實一些，顏色也略深一些。同樣因為本工藝充純氧，生物膜上不存在厭氧層，全部生物膜都是活性生物膜。在生物膜的最外層有一個微溶解氧層，在該層有機(jī)物的濃度最大。這一情況極適于衣球細(xì)菌生長，這種細(xì)菌對有機(jī)物有著極強(qiáng)的分解能力。試驗中觀察到生物膜的表面從進(jìn)水端到出水端附近約三分之二一段生長著一層白色絲狀菌膜，根據(jù)任南琪等人的描述[1]，此即衣球細(xì)菌菌膜。這一現(xiàn)象在其他工藝中是不多見的，筆者認(rèn)為這是本工藝去除有機(jī)物效果較好的關(guān)鍵。
4.2 SS的去除
從工藝流程中可看出反應(yīng)器內(nèi)水流是由下向上流動的，可將其視為一個豎流式沉淀池與一個接觸氧化池的組合體。由于試驗的接觸時間是3～4 h，上升流速僅為0.018～0.024mm/s，只相當(dāng)于一般豎流式沉淀池所采用上升流速的1/10～1/5，所以污水中所挾帶的懸浮物除膠體外幾乎全部可以通過沉淀作用而去除。試驗中觀察到反應(yīng)器靠近進(jìn)水口處的混濁程度明顯大于其上部，這一現(xiàn)象佐證了上述分析。另外生物膜吸附也去掉了一部分SS。
4.3 去除氨氮
由試驗結(jié)果可知，隨著試驗時間的推移，處理水中的亞硝酸鹽濃度在增加，到45d時，氨氮的去除率已達(dá)到60%，但亞硝酸鹽氮濃度增加量與氨氮的下降量并不一致。按照硝化過程：
氨氮的減少數(shù)量與亞硝酸鹽氮的增加數(shù)量應(yīng)當(dāng)是對應(yīng)的，但在本試驗中并非如此。合理的解釋應(yīng)當(dāng)是同時還進(jìn)行著另外兩個過程：
由于出水的pH值并未顯著降低，猜測以過程(3)為主，但因條件限制，本次試驗未能就此加以驗證。
去除氨氮效果較好的原因與本工藝中微生物所處的特別環(huán)境及其特殊的微生物種群分布有關(guān)：在生物膜的最內(nèi)層即與中空纖維相接部分是溶解氧濃度最大的部分，而污水中的有機(jī)物濃度經(jīng)過外層微生物的降解后抵達(dá)此部位時已經(jīng)大大降低，在該部位污水中的C/N比值也大大下降，這非常有利于硝化微生物生長。所以筆者認(rèn)為與其他工藝不同，在本工藝中硝化作用不僅僅是發(fā)生在反應(yīng)器的末端，待污水中總有機(jī)物濃度降低到一定程度后才開始，而是在原污水接觸到生物膜一段時間，當(dāng)有機(jī)物濃度略有下降后就已經(jīng)在其后的生物膜內(nèi)層開始了。如果原污水的有機(jī)物濃度較低，則可以認(rèn)為幾乎全部生物膜內(nèi)層都有一個生長良好的硝化細(xì)菌膜存在。所以得出結(jié)論：降解有機(jī)物和去除氨氮在本工藝中是同步或部分同步進(jìn)行的。
本工藝脫除氨氮效果較好的另一個原因就是采用了純氧，這可使硝化微生物的活性提高數(shù)倍。
4.4 抗有機(jī)負(fù)荷沖擊能力
本試驗中進(jìn)水的有機(jī)物濃度最高值與最低值之間相差2.5倍，但出水的BOD5數(shù)值波動不大。每次受到有機(jī)負(fù)荷沖擊后經(jīng)2～3d的適應(yīng)，出水水質(zhì)便恢復(fù)良好，這說明本工藝與其他生物膜法一樣，有較好的抗有機(jī)負(fù)荷沖擊能力。
4.5 接觸時間與有機(jī)物去除率的關(guān)系
本試驗接觸時間與有機(jī)物去除率關(guān)系如圖2。從中可以發(fā)現(xiàn)，只要接觸時間>3h即可分別得到90%(BOD5)或80%(CODCr)以上的去除率。
4.6 生物膜的老化與更新問題
常規(guī)生物膜法存在生物膜老化與更新的問題，因此需設(shè)置二沉池進(jìn)行泥水分離，其原因是生物膜底層有一層厭氧層，該層所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物要透過好氧層向外逸出，結(jié)果是使好氧層生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，導(dǎo)致生物膜凈化功能下降，即出現(xiàn)老化問題。又因氣態(tài)代謝產(chǎn)物不斷逸出，減弱了生物膜在其載體上的附著力，造成脫落與更新問題。
但就本工藝而言，生物膜中沒有厭氧層存在，部分老化、死亡的微生物停留在生物膜上被氧化掉，因而只有少量的生物膜脫落，但它們不會隨著處理水流出，而是沉入反應(yīng)器底部與沉淀的SS一同排除。
4.7 進(jìn)一步 研究 、改進(jìn)的展望
①本工藝的一次性投資比較高，主要是 目前 中空纖維膜的生產(chǎn)并未形成規(guī)模，所以售價比較高。隨著膜 工業(yè) 的 發(fā)展 ，這一問題會得到解決。
②本工藝除有氧化降解有機(jī)物的功能外，尚有良好的硝化功能，但這并未完成污水脫氮過程。如能對中空纖維組件加以改進(jìn)，使中空纖維外側(cè)或附近有一些能讓厭氧微生物附著生長的普通載體，則可利用污水中的有機(jī)物作為碳源，完成反硝化，實現(xiàn)脫氮，同時也提高了氧的利用率。
③雖然本試驗在中空纖維中充入的是純氧，但是通過前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一段時間的運行，氣體循環(huán)回路中的氣體已不完全是純氧，而是混有許多在分壓差作用下從水中溶出的氮氣、二氧化碳等其他氣體，在氣體循環(huán)回路中充入純氧僅提高了氣體中的氧分壓。這就有了一個啟示：可否直接用空氣進(jìn)行充氧，其結(jié)果將會大大降低運行成本。
④由于本工藝中微生物種群分布的特殊性，生物膜上微生物的種類和數(shù)量等可能與其他常規(guī)微生物法有所不同，這需要作進(jìn)一步的研究，為本工藝的完善找出生物學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。
5 結(jié)論
①用本工藝處理城市污水，可以在一個反應(yīng)器內(nèi)使BOD5、CODCr和SS的去除率分別達(dá)到92%、83%和94%。
②本工藝去除氨氮的效果良好，去除率可達(dá)60%。
③本工藝有特殊的微生物生長環(huán)境和種群分布，使各類具有特殊降解污染物能力的微生物都有良好的生長環(huán)境，并且可以將生物膜厚度自動維持在一定范圍內(nèi)而無堵塞問題，所以運行管理非常簡單。
④本工藝產(chǎn)生的剩余污泥非常少。
⑤本工藝采用的無泡充氧方法可使污水處理過程在密閉條件下進(jìn)行，對環(huán)境幾乎沒有 影響 。
參考 文獻(xiàn) ：
[1]任南琪，周大石，馬放.水污染控制生物學(xué)[M].黑龍江 科學(xué) 技術(shù)出版社，1993.
[2]井出哲夫，等.水處理工程 理論 與 應(yīng)用 [M].張自杰，劉馨遠(yuǎn)，等譯.北京： 中國 建筑工業(yè)出版社，1996.
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