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[关键词]城市污水;微生物技术;处理;应用
中图分类号:TG322 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)02-0000-01
目前,微生物处理技术主要应用在对生活污水以及工业废水处理中,并且取得了很好的反响。微生物处理技术具有较高的经济性和沉降性,并且吸附能力和降解能力较强,因此使用微生物技术处理污水将成为必然的趋势,其不仅能减少投入的成本,并且对环境不会产生二次污染。
一、城市污水的性质
随着城市化建设的不断加快,水污染问题越来越严重。城市污水主要是指排入城镇污水系统中的污水,其中包含生活污水、城市降雨径流以及工业废水等。人们日常生活中产生的水称为生活污水,生活污水主要成分是无毒有机物,例如:淀粉、蛋白质、糖类以及油脂等,并且其中还包含植物营养元素,例如:氮和磷等。生活污水与工业废水相比,前者相对稳定一些,并且浓度较低。当生活污水中的污染物质排入到天然水体中的时候,其自净能力超过了水体本身,从而使水体富营养化。工业废水中主要包括循环冷却水冲洗废水以及工艺废水等。工业废水的性质差别较大,并且毒性较高,因此对工业废水处理的难度非常大。城市降雨径流是指雨水和冰雪融化水。有些城市设置了污水管道和雨水管道,而降雨径流是流到雨水管道中的,如果将降雨径流和城市污水一起进行处理的话,当雨水量较大的时候,会超过截流干管的输送能力,甚至会超过污水处理厂的处理能力,从而使大量的污水出现溢流的现象,这会对环境产生极大的影响。
二、微生物处理污水的原理
微生物处理污水的原理如图1所示:
微生物净化污水的过程主要是指在污水处理装置中采用不同性能的微生物,并且让它们相互配合,从而实现物质循环的过程。当城市污水进入污水处理装置中的时候,微生物会发挥其作用。微生物在一定条件下,能够对水体进行分辨,判断出水体的成分,从而有选择性的进行处理,并且不断地进行有规律的改变。微生物区系对污水中的有机物或者是有毒物质进行分解和氧化等处理,从而对污水起到净化的作用。污水经过处理后,可流入河道或者被二次使用。污水经过微生物处理后,会生成大量的废渣和生物膜的残余物,这些物质可以通过厌氧处理,从而生成可被利用的沼气以及有机肥料。
三、微生物技术在污水处理中的应用
(一)微生物酸化废水处理技术
1、技术原理
一些有机物经过水解和发酵之后会形成有机酸,其能够调节溶液的pH值,并且利用这种水解发酵对造纸黑液进行处理,降低其pH值,从而使其满足后续生化处理的要求,这个过程就称为微生物酸化法。目前微生物酸化是比较新型的废水处理技术。微生物能够对一些有机物进行处理,将其转化为小分子的化合物,并且将一些能够合成高分子化合物转化为容易降解的低分子化合物。微生物酸化技术会涉及到很多反应,具体包括水化分解、微生物代谢反应以及酶系统等,微生物酸化技术就是以这些反应为条件,让它们相互促进、相互合作完成的。微生物酸化作用其实质也是一种酶促生化反应。
2、 微生物酸化技术的应用
微生物酸化法能够对石灰法以及碱法稀黑液进行厌氧预处理,但是必须要求其pH值较低。微生物酸化技术能够去除污水中的一部分有机物,经过微生物酸化技术处理后的有机物,能够被好氧生物分解。因此微生物酸化技术在目前污水处理中得到了广泛的应用。微生物酸化技术能够减少好氧段单元的鼓风量,并且能够降低对能源的消耗,同时也会减少投入的成本。在使用微生物酸化技术的时候,水解酸化菌能够分解出起泡的物质。这就使下一个阶段的泡沫相对少一些,从而不会出现溢出的现象。
(二)微生物絮凝剂技术
1、微生物絮凝剂技术的特点
首先,微生物具有一定的高效性和无毒性。微生物絮凝剂技术与其他常用絮凝剂相比,在同等剂量的情况下,前者对活性污泥的絮凝速度影响较大,并且能够增大絮凝速度,同时利用过滤法能够除去絮凝沉淀物。我国一些企业会将微生物絮凝剂应用到食品和医药的生产中,这就表明微生物絮凝剂是无毒的。其次,微生物絮凝剂技术不能对环境造成二次污染。微生物菌体分泌出的生物高分子物质称为微生物絮凝剂,其属于天然资源,因此对微生物絮凝剂的应用不会对环境造成污染,并且危害不到其他的生物,从而不会对环境产生二次污染。最后,微生物絮凝剂技术投入的成本相对较低。微生物絮凝剂是生物菌体,并且也是有机高分子,和其他化学絮凝剂相比,相对便宜一些。生物发酵产生微生物絮凝剂,而化学絮凝剂是通过人工合成的,因此在其他化学絮凝剂生产的过程中,会用到一些原材料以及生产工艺,同时也会消耗能源,从这可以看出,微生物絮凝剂投入成本相对较低。
2、微生物絮凝剂技术的应用
(1)能够脱掉废水的颜色。目前,我国对城市污水进行处理过程中,虽然能将生化需氧量降低,但是依然不能很好的对可溶性色素溶液进行脱色。而微生物絮凝剂恰恰能解决这个问题。微生物絮凝剂由微生物脱硫菌种生成之后,其具有一定的絮凝沉淀效果,并且对于一些高分子絮凝剂不能除去的颜色,微生物絮凝剂却可以对其进行有效的脱色。
(2)能够处理畜产废水。在畜产废水中生化需氧量较高,因此对其进行处理过程是非常困难和复杂的。采用高分子絮凝剂对其进行处理,虽然处理效果比较好,但是会对环境产生二次污染,而微生物絮凝剂不仅可以对畜产废水进行有效的处理,而且不会污染到环境,同时经过微生物絮凝剂处理后的废水是非常清澈的。
(3)对膨胀污泥的处理。如果用活性污泥对工业废水进行处理,则会形成容易膨胀的活性污泥,这会严重影响到处理的效果。而用微生物絮凝剂正好解决的这一问题,其不仅可以对活性污泥膨胀的问题进行有效的处理,还可以改善污泥的沉降性能,防止污泥发生解絮的现象。例如:对甘草制药废水进行处理的时候,会生成活性污泥,并且其会发生膨胀,如果向其中加入微生物絮凝剂,污泥的膨胀就会逐渐的被消除,还可以改善甘草制药废水的沉降性能。
结语:
随着人们生活水平的不断提升,人们对生活品质也有了更高的要求,而对于水污染问题人们也越发的重视。当前在污水处理中应用最广泛的就是微生物处理技术,微生物种类非常多,并且分布非常广泛,同时微生物是天然的资源库,因此在城市污水处理中,微生物技术都得到了广泛的应用,并且起到了保护环境的作用。
参考文献
关键词:污水处理;生物处理技术;膜处理技术;现状;
中图分类号:U664.9+2文献标识码: A 文章编号:
引言
可持续发展路线的实施,增加了我国各级政府对环境保护的认识和治理力度。城市污水处理,作为一个城市发展程度的重要标志,其实施效果已经成为了评价城市发展程度的重要指标。城市污水处理的效果不仅仅关系到城市所在地周边的环境保护,更关系到下游城市人们的身体健康以及经济发展。加快城市污水处理建设,加快城市污水处理新技术的应用,促进城市和谐发展以及可持续发展路线的实施,是目前我国城市污水处理相关部门的首要任务。
1.我国城市污水处理现状分析 目前我国城市污水处理的面临着重要的考验,现有污水处理系统已经不能满足日益增加的城市污水量。而工业废水、日常生活排放污水在城市内部的流向对流经城市的河流以及浅层地下水也都有着不同程度的污染。这也使得我国多数城市水源受到污染,加大了城市生活用水处理的费用,加剧了我国城市废水污染程度。近年来为了加快我国可持续发展战略目标的实施、促进我国水资源优化、保护环境,我国很多城市已经开始了对城市内污水流向的治理,减少污水在城市内流向对浅层地下水的污染。同时大力应用新的废水处理技术,加快污水处理建设,为我国可持续发展路线的实施打下坚实的基础。
2污水生物处理技术研究
2.1AB法工艺 AB法是吸附生物降解法的简称,是联邦德国亚琛大学B.Bohnke教授于20世纪70年代中期,在传统两段活性污泥法和高负荷活性污泥法基础上开发的一种新工艺,属超高负荷活性污泥法。该工艺将曝气池分为高负荷段(A段)和低负荷段(B段)两段。A段以生物絮凝吸附作用为主,停留时间约20~40min,发生不完全氧化反应,去除BOD达50%以上;B段与常规活性污泥法相似,负荷较低,泥龄较长。AB法A段效率很高,并有较强的缓冲能力;B段起到出水把关作用,处理稳定性较好。对于高浓度的污水处理,AB法具有很好的适用性,并有较高的节能效益,尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时,优势最为明显。但是AB法工艺对运行管理有较高要求,污泥产量也较大,这必将增加污泥后处理的投资和费用,另外由于A段去除了较多BOD可能造成碳源不足,难以实现脱氮工艺。总体而言,AB法工艺较适合于污水浓度高、具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市污水处理厂,对于有脱氮要求的,一般不宜采用。
2.2A2O(Anaerobic/Anoxic/Oxic)法工艺 A2O(厌氧-缺氧-好氧)法工艺同时具有去除有机物、脱氮、除磷的效果,处理成本较低,已积累一定的设计和运行经验,故在国内外大中型城市污水处理厂常有采用。A2O法工艺原理是磷在厌氧区被释放,在好氧区被吸收,达到除磷目的;污染物在好氧区被氧化降解,去除COD和BOD5,同时在硝化菌作用下,有机氮转化的氨氮继续转化为亚硝酸氮和硝酸氮,含有硝酸氮的大量混合液回流到缺氧区进行反硝化脱氮。该工艺主要优点是对COD、BOD5、SS等具有较高的去除率,对脱氮除磷也具有较高的去除效果,具有运行费用低、占地少,出水水质好等特点;其缺点是运行管理要求较高,投资较大,节能差。针对其不足,改良的A2O工艺、UCT(University of Capetown)工艺、倒置的A2O工艺及多点进水的A2O工艺等不断出现,在一定程度上或在某一方面使运行效果有所改善。
2.3SBR(Sequencing Batch Reacto)法工艺 SBR工艺也叫序批式活性污泥法,是集进水、曝气、沉淀在一个池子里完成,一般由多个池子构成一组,各池工作状态轮流变换运行。其最根本的特点是处理工序不是连续的,而是间歇的、周期的,污水一批一批地经过进水、曝气、沉淀、排水,然后又周而复始,其核心技术是SBR反应池,该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池,无污泥回流系统,典型的SBR工艺沉淀时停止进水,静止沉淀可以获得较高的沉淀效率和较好的水质。SBR工艺早在20世纪初已有应用,但由于SBR对自动化控制要求很高,人工管理的困难和烦琐,稍有故障就不能运行,未能广泛推广应用。近几年,SBR经过不断演变和改良,又产生或同期发展为CASS(Cyclic Activated Sludge System)、CAST(Cyclic Activated SludgeTechnology)和MSBR(Modified Sequencing Batch Reactor)等工艺,进一步增强了除磷脱氮效果,改良的SBR工艺可以发挥节省用地、提高出水水质指标的优势,随着自动化技术的发展和PLC控制系统的普及化,SBR类工艺的工程应用又进入了一个新的时代。
2.4Carrousel氧化沟工艺 Carrousel(卡鲁塞尔)氧化沟是一种单沟式环型氧化沟,在氧化沟的顶端设有垂直表面曝气机,兼有供氧和推流搅拌的作用,污水在沟道内转折巡回流动,处于完全混合状态,有机物不断氧化得以去除。该氧化沟一般设有独立的沉淀池和污泥回流系统。Carrousel氧化沟具备一般氧化沟的共同优点,工艺流程简单,抗冲击负荷能力较强,出水水质较稳定;其独特之处在于:单台曝气设备功率大,数量较少,投资较少,维护点相对较少,更易于维护。其不足之处:由于表曝机数量少,沟内混合液自由流程很长,由紊流导致的流速不均有可能引起污泥沉淀,影响运行效果;单沟氧化沟维持溶解氧较高,加之单点供氧强度较大,耗能稍高。Carrousel氧化沟结构和设备简单,管理方便,适用于中小规模的城市污水处理。
2.5膜生物反应器 膜生物反应器(MBR)是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术,兼有活性污泥法和固定细胞法二者的优点。其显著优点为出水水质优于传统生物处理工艺,且污泥产率低。20世纪80年代以来,该技术愈来愈受到重视,已成为研究的热点之一。
结束语
总之,随着经济的发展,水资源将越来越少,对水的关注也会越来越多,如何才能最大化的节约水资源,减少水源污染,将成为我们共同关注的话题。日益严格的排放标准和污染水源将成为世界关注的话题,通过研究发现提出对污染水净化技术有待于研究,虽然在理论上是可行的,但是还有待于人们去进一步的实践证明。
参考文献
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[关键词]膜生物反应器;污水处理;技术
中图分类号:X799.3 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)09-0373-02
1 MBR(膜生物反器)发展历程
MBR(膜生物反应器)在我国污水处理领域的应用始于20世纪90年代初。20多年来,MBR技术在我国的应用主要经历5个阶段。①1990~2000年:小试、中试以及示范工程。②2000~2003年:小规模实际应用(单个工程规模达百吨/日级)。2003~2006年:中等规模实际应用(单个工程规模达千吨/日级)。④2006~2010年:2006年我国第一座万吨/日级的MBR工程在北京密云县污水处理厂投入运行,开始了万吨/日级规模工程的推广应用。⑤2010年至今:应用规模不断扩大(总累计处理规模超过百万吨/日)。2006年以来,我国大型MBR(万吨/日以上级)的增长情况良好。2010年后,大型MBR的数量和规模明显加快,大型MBR的总规模在2010年突破100万吨/日,2014年突破400万吨/日,2015年有望达到700万吨/日。MBR现主要用于市政污水、工业废水和受污染地表水的处理中。
2 厌氧膜生物反应器的结构配置及优劣势
对于厌氧膜生物反应器的组成构件有很多,就是到现在为止我们研究相对较多的是平板膜组件和中空纤维膜组件,对于这两种不同组件每一种都有其各自的优缺点。但是在工业中污水的处理较多的使用中空纤维膜组件。厌氧膜生物反应器技术在处理生活污水中有着很多的优点,当我们把这项技术运用在生活污水处理中的时候,它能很好的实现固液分离,从而达到很好的处理效果,使出水水质很好。当我们在使用一项新的技术时,我们经常做的事情就是与过去的技术相互比较,于是可以得到,厌氧膜生物反应器的突出优点有:
(1)当生活污水中有很多的固体废弃物的时候,使用厌氧膜生物反应器技术,可以很好的分离固体废弃物,对固体废弃物处理效果良好,而且很能很好的把固体和液体分离,达到我们满意的处理结果;(2)在使用厌氧膜生物反应器的时候,这项技术比较容易让人上手,关键是操作起来没有那么困难,另外还能很好的控制水力停留时间;(3)在整个操作过程当中,还有利于保护微生物,使微生物不会那么容易流失,而且还能控制污泥浓度;(4)由于厌氧膜生物反应器中,运用到了生物技术,所以在使用这项技术的时候,可以使某些细菌得到增殖,从而能够更好的使污水达到理想的处理效果,这不仅提高了一些细菌的数量,还使得更多的有机物得到了充分的分解;(5)在使用厌氧膜生物反应器的时候,会使最终处理的废水中污泥的含量低于预想的结果,大大降低了污泥处理的费用;(6)使用平板膜的过程中,会产生一定的作用力,而这项作用力可以使污泥絮体的体积有一定的减小,由于该平板膜的快速运动,使污泥的传氧速度大大提高。
3 厌氧膜生物反应器工艺研究
3.1 AnMBR典型工艺
前面总结了典型的厌氧膜生物反应器的工艺及其处理的废水类型。AnMBR是由厌氧反应器和膜分离耦合而成,常用的厌氧反应器有4大类:完全混合厌氧反应器(CSTR)、厌氧流化床(AFBR)、升流式厌氧污泥床(UASB)以及厌氧污泥膨胀床反应器(EGSB)。CSTR―MBR设备操作简单,成本较低,应用广泛,但出水水质较差,易造成严重的膜污染。相比,CSTR―MBR、UASB―MBR具有污泥颗粒较大,膜污染程度低的特点,在高浓度有机工业废水处理的应用中具有很大的潜力。EGSB―MBR和AFBR―MBR由于添加了载体,悬浮污泥浓度较低,上清液中溶解性微生物产物(SMP)明显少于CSTR―MBR,膜污染程度较低。但由于载体膨胀所需能耗较大,在反应器的设计时载体的种类、颗粒大小的选择等对膜污染和运行成本有较大的影响。AnMBR工艺主要采用微滤和超滤膜,以中空纤维膜为主,平板膜和管式膜也有少量应用。根据膜组件的设置位置,AnMBR分为外置式和浸没式,由于浸没式占地小、能耗低,多数研究集中于浸没式AnMBR,但外置式具有膜组件易清洗和拆卸的特点,常用于膜污染较严重的污水处理工艺。膜材料主要为有机聚合物,包括聚偏氟乙烯(PVDF),聚醚砜(PES)和聚乙烯(PE)。此外,动态膜利用膜表面污染物形成的泥饼层作为分离层,一定程度上使膜污染在MBR工艺中由缺陷转变为优势,且具有易清洗、运行成本低等优点,在AnMBR工艺中具有潜在、良好的应用前景将动态微网膜材料应用于AnMBR处理城市污水以及高浓度垃圾渗滤液,均得到了较好的处理效果。处理城市污水稳定运行时化学需氧量(COD)去除率稳定在79.4%±10.4%;处理高浓度垃圾渗滤液时COD去除率稳定在62.2%±1.8%。但仍存在通量不稳定、出水水质波动较大等缺陷,对其研究还需进一步完善。AnMBR工艺的处理对象主要包括低浓度城市污水和高浓度有机废水,对不同AnMBR工艺在不同类型污水处理中的应用以及处理效果做了较为详细的总结。高浓度有机废水的处理主要采用CSTR―MBR和UASB―MBR两种工艺类型,而AFBR与膜技术结合后具有更高的传质效率和微生物浓度,适于低浓度城市污水处理,近年来受到关注。采用实验室级浸没式AFBR―MBR处理城市污水,采用颗粒活性炭(GAC)作为载体,由于GAC对膜表面有冲刷作用,膜污染潜势低,在此基础上扩大反应器规模至中等规模,可实现长期稳定运行(485天),尤其冬季低温运行时,COD的去除率达90%以上,甲烷产量稳定,期间没有对膜进行化学清洗,为AFBR―MBR工艺处理低浓度城市污水提供了一个很好的范例。
3.2 AnMBR的工艺运行效果及影响因素
(1)污染物的去除效果
由于膜的截留作用,AnMBR对有机污染物和固体悬浮物(SS)的去除效果相比传统厌氧工艺有明显改善。AnMBR工艺在处理一些低浓度合成或实际城市污水以及高浓度有机废水时的操作条件和运行效果有明显改善。
(2)产甲烷率
通过厌氧消化将污水中的COD转变为甲烷进行回收利用,产生能量,是厌氧技术最重要的优点之一,由此AnMBR工艺的产甲烷率成为运行效果好坏的关键指标。甲烷产率受反应器构型、进水水质、运行条件等影响较大,不同的温度、水力停留时间(HRT)等条件下的甲烷产率和纯度差别较大。据不完全统计,环境温度为25~30℃条件下城市污水处理过程中,典型AnMBR工艺的甲烷量为0.1~0.6L/gCOD,纯度在50%~80%之间。
(3)影响因素
不同类型反应器处理城市污水时的典型工艺参数,包括污泥停留时间(SRT)、水力停留时间(HRT)、有机负荷以及温度。An-MBR均在长SRT下(>30天)运行,而不同类型的反应器运行的HRT范围差别较大。CSTR―MBR运行所需HRT较长(>10h);UASB―MBR的HRT一般在10h左右;AFBR―MBR稳定运行的HRT最短,均不超过8h。污泥负荷会随HRT的缩短而增加,可能会对AnMBR的COD去除率、产甲烷率和纯度有所影响。但也有研究结果表明,HRT的降低对出水COD影响不大,这很大程度归功于膜的截留作用。温度对厌氧生物降解过程影响较大,高温时(55℃)微生物活性较高,温度下降,微生物活性随之降低,水解速率下降,导致COD的去除率和产甲烷率均降低。尤其当温度降至15℃以下时,甲烷在水中的溶解度升高,使得甲烷回收率急剧下降。但也有研究发现,长期低温运行可改变厌氧生物反应器内微生物群落结构,氢型产甲烷菌成为优势菌群,可实现稳定产甲烷。除温度和HRT之外,甲烷回收率还受进水COD与硫酸盐比值的严重影响。该比值为6.3gCOD/gS―SO4时,甲烷回收率为57.4%,而在没有硫酸盐存在的情况下,甲烷回收率可提高至83%(33℃)。因此,为提高产甲烷率,可从调节HRT和温度,降低进水硫酸盐等方面着手。
3.3 AnMBR膜污染研究
(1)膜污染机理及影响因素
溶解性微生物产物SMP及其组成成分是有关MBR膜污染研究中最受关注的污染物之一,许多研究结果表明,污泥混合液上清液中的溶解性及胶体物质对膜污染阻力的贡献占到20%~90%。相比AeMBR,AnMBR的混合液理化性|有所差异,主要表现在厌氧污泥颗粒粒径较小,胶体和溶解性有机物浓度较高,导致膜过滤性相对较差。长期运行结果显示,对于膜孔较小的超滤膜,主要的膜污染机理为泥饼层的形成,在AnMBR运行初期,渗透性下降速率较快;而对于孔径较大的微滤或超滤膜,更易发生膜孔阻塞,长期运行时膜污染更加严重。对于浸没式AnMBR,结合性胞外聚合物(EPS)、絮状污泥以及混合液中的无机物在膜表面泥饼层的形成过程中起主导作用。通过对AnMBR膜表面泥饼层的深入解析,发现EPS组分中的中性疏水性物质更易在膜表面沉积,成为泥饼层的主要成分。对SMP和溶解性EPS的截留,尤其是对其中糖脂蛋白的截留,是造成AnMBR膜污染膜孔阻塞的主要原因。研究者将AeMBR和AnMBR在相似操作条件下运行,发现AnMBR混合液上清液中SMP的含量高达600mg/L,是AeMBR的5~6倍,且AnMBR混合液SMP组分中蛋白质和多糖的比例是AeMBR的2.3倍。
(2)膜污染控制手段
膜材料表面改性和膜组件优化。膜材料表面改性可改变膜表面的亲疏水性,达到降低膜污染潜势的目的,表面改性的主要手段包括等离子体处理(空气、O2、N2等)、表面涂层(表面活性剂吸附)、表面移植(如紫外光诱导移植技术)等。纳米材料用于膜表面改性技术引起广泛关注,比如将TiO2。纳米颗粒加入以PVDF为基膜的膜表面,该膜对蛋白质有较好的抗污染性。膜组件构型的优化,有利于改善反应器的水动力学条件,减缓膜污染。采用双轴旋转浸没式AnMBR处理啤酒废水,利用膜的旋转,有效改变膜表面三相流特性,减少膜面污染物的沉积,减小泥饼层厚度,稳定运行时通量可达30L/(m2・h),降低膜污染的同时降低能耗。
污泥混合液理化性质调控。(1)运行条件的优化。AnMBR运行过程中污泥混合液理化性质主要受温度、HRT、SRT等运行条件的影响。研究表明,运行温度的变化严重影响厌氧微生物活性,引起混合液中EPS组成、溶解性有机物浓度以及颗粒粒径等的变化,从而影响膜污染潜势。高温条件下(55℃),混合液EPS产量降低,厌氧污泥不易聚集,颗粒粒径减小;而温度较低时(低于35℃),混合液中SMP浓度显著升高,影响膜过滤性。AnMBR一般在长SRT和短HRT下运行,混合液中颗粒大小会随HRT的缩短而减小,EPS和SMP的浓度增加,膜污染速率加快;但延长HRT,产水量减少,运行成本增加。由于产甲烷厌氧微生物生长较慢,延长SRT可以提高甲烷产率,但是过长的SRT会使得SMP浓度增加,混合液颗粒粒径减小,更易发生膜污染。因此,选择合适的SRT和HRT,对同时提高反应器性能并较好控制膜污染至关重要。
吸附剂、混凝剂等的添加。载体的添加,如活性炭、沸石等,一方面能够通过吸附作用,增加微生物与污染物的作用时间,提高微生物活性,改善混合液理化性质,降低溶解性物质和胶体颗粒的浓度,同时提高出水水质;另一方面载体颗粒对膜表面有较强的冲刷作用,能有效减轻膜污染。但是载体的过量投加也会对膜的过滤性产生负面影响,且载体的成本和对生物环境的长期影响需要进一步考虑。添加絮凝剂可使污泥呈团粒状、颗粒增大,明显改善污泥性状、减缓膜污染。此外,尝试包埋技术固定微生物有利于减少悬浮态污泥浓度,降低EPS和SMP,也是调控污泥混合液理化性质的有效手段。
水动力学条件的优化。(1)反应器构型优化选择合适的工艺,优化反应器构型,也是改善水动力学条件、控制膜污染的有效手段。开发一种新型厌氧旋转盘膜生物反应器(ARMBR),该工艺在浸没式厌氧膨胀床MBR膜组件中间放置旋转盘,通过载体与膜表面的充分碰撞,来减缓膜污染。反应器稳定运行100天,没有进行膜清洗,通量控制在11L/(m2・h)。另外,不同反应器构型运行过程中所产生的EPS和SMP含量及成分也有较大差别。(2)提高膜面流速在分置式构造中,提高错流速率,增大膜表面剪切力,能够有效去除膜表面的泥饼层,但流速过大,会造成污泥颗粒变小,SMP浓度升高,使膜污染加剧,影响出水水质。在浸没式构造中,通常采用产生的生物沼气喷射的方式控制膜污染,但当生物沼气产量较小,且不稳定时,对膜污染的控制效果有限。
临界通量运行是控制水动力学条件和膜污染的有效手段。调研结果显示,在AnMBR的长期运行中,为减轻膜污染,多数研究者采取低于临界通量的运行方式,处理低浓度城市污水时通量一般低于10L/(m2・h),处理高浓度有机废水时通量可能更低。而大型AeMBR处理城市污水的运行通量范围一般在15~20L/(m2・h),因此,尽管低通量运行的膜污染情况较好,但产水量较低,造成实际吨水运行成本升高。
(4)膜的清洗
用于AnMBR膜清洗的方式主要包括物理清洗和化学清洗。反应器运行期间,定期采用间歇运行和反冲洗等物理清洗技术,可以有效减轻膜污染。利用新型在线超声技术对AnMBR膜进行清洗,结果显示膜表面泥饼层阻力下降达80.4%,说明该物理清洗技术可以有效降低膜表面泥饼层阻力,控制膜污染。然而,当物理清洗无法恢复膜过滤性时,需采用化学清洗技术减轻膜污染,常用的用于AnMBR膜污染清洗的化学药剂有次氯酸钠(NaClO)、盐酸、柠檬酸、氢氧化钠、乙二胺四乙酸二钠(EDTA)等。
4 结语
饮用水水源的污染日益严重,对人类的健康带来了极大的危害,对净水技术提出了新的挑战。水资源是人类生存所必须的重要资源,由于人类在工业生产和生活中,制造了大量的污染物质,严重污染了水Y源,同时也危害了人们的健康,所以,相关部门需加大污水处理,保障水资源的健康。
参考文献
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关键词:固化微生物;废水;处理
引言
固定化微生物细胞技术是利用物理或化学的手段将游离微生物细胞定位于限定的空间区域,并使其保持活性反复利用的方法,在化工、印染、发酵生产、能源、医药等行业应用广泛。
一、固定化载体的选择
1.1 固定化载体的分类及性能比较
目前,用来作为固定化微生物的载体有:有机高分子载体、无机高分子载体和复合载体三类。其中有机高分子载体分为天然和人工合成两类。常见的天然有机高分子载体有琼脂、角叉莱胶、明胶、海藻酸钠等;常见的人工合成的有机高分子载体有聚丙烯酰胺凝胶(ACAM)、聚乙烯醇凝胶(PVA)、光硬化树脂、聚丙烯酸凝胶等。常见的无机载体有多孔玻璃、多孔硅酸盐、石英砂、生物活性炭(BAC)、硅藻土等。
天然有机高分子载体对生物无毒性,传质性能好,但机械强度较低,在厌氧条件下易被微生物分解;人工合成的有机高分子载体一般强度较大,但传质性能较差,微生物固定时对其活性影响较大,聚乙烯醇与琼脂、明胶和丙烯酰胺凝胶相比较,具有机械强度较高、传质性能较好,生物毒性较低和固定操作容易等优点。无机载体具有机械强度大、对微生物无毒性、不易被微生物分解、耐酸碱、成本低、寿命长等优点。由于有机载体和无机载体各有优缺点,在许多性能方面两类载体可以互补,因而,就有了复合载体材料,它是将两类载体结合起来,以改进载体性能,降低成本,提高废水处理效果。以聚乙烯醇(PVA)、累托石、海藻酸钠(SA)作为固定化载体材料,硼酸和氯化钙作为交联剂,将菲的降解菌(茄镰孢菌)包埋制备固定化微生物小球,考察了各种材料的用量,微生物包埋量,PVA投加量,交联时间等因素对微生物小球活性的影响,及固定化茄镰孢菌小球的机械强度和传质性能。结果表明,聚乙烯醇和累托石复合载体可作为包埋固定微生物的优良材料。
1.2固定化载体选择的原则
固定化载体的选择直接影响所固定微生物的生物活性等性能,所以,固定化微生物技术的使用对载体的选择有一定的要求,在选择载体的过程中,应遵循以下几点原则。
(1)固定化过程简单,常温下易于成型,固定化过程及固定化后对微生物无毒,生物滞留量高;
(2)具有生物相容性,不能干扰生物分子的功能,基质通透性好,传质性能优良;
(3)物化稳定性好,机械强度高,抗微生物分解,沉淀分离性能好;
(4)价格低廉,寿命长。
二、固定化微生物技术在废水处理中的应用
近年来,固定化微生物技术因其特有的优势,引起广泛的关注。固定化生物技术开始迅速发展,并已取得了阶段性的成果。此项技术在处理含重金属离子废水、含氮废水、含难降解有机废水的处理等方面都得到了很好的应用。
2.1固定化微生物技术在印染废水中的应用
印染、造纸废水的水量大,污染物质也比较复杂,是比较难处理的工业废水。周林成[1]等人采用固定化微生物工,对混凝沉淀后退浆工序的印染废水进行了现场中试处理研究。实验结果表明,在水力停留时间(HRT)为20h的条件下,对于进水化学需氧量(CODCr)为1.0~1.2g/L的退浆废水,经过两级水解酸化、两级好氧处理后,其出水CODCr
2.2含重金属离子废水的处理
重金属污染对生物的影响越来越严重,由于固定化后的微生物,稳定性能好,抗毒性强,因此被广泛用于去除废水中的重金属离子。
李杰[2]等人采用固定化微生物SBR反应器和普通活性污泥SBR反应器处理投加了Cr6+的生活污水,考察了固定化微生物去除COD及Cr6+的能力及抗毒性。结果表明:在保证对COD的去除率较稳定的条件下,固定化微生物与普通活性污泥所能承受的Cr6+浓度分别为70mg/L和1.9mg/L。
罗晓虹[3]等人利用聚丙烯酰胺与壳聚糖形成的互融聚合物网络凝胶固定非活性的铜绿假单胞菌,研究了这种固定化微生物颗粒对Cu2+的吸附特性。结果表明,该固定化微生物对Cu2+的吸附很迅速,在40min内吸附基本达到平衡。
2.3含氮废水的处理
微生物去除氮和氨,一般是通过好氧微生物的硝化反应过程。和厌氧微生物的反硝化反应过程。吕志刚[4]等人采用聚乙烯醇(PVA)为载体的包埋固定化微生物处理低浓度氨氮絮凝余水,在HRT为3h之内从地表水环境质量V类水标准以外达到了I类水标准,在较短的水力停留时间成功实现了氨氮的去除。周珊[4]等人以竹炭为载体,将硝化菌、反硝化菌等微生物固定在竹炭上,研究竹炭固定化微生物对氨氮的去除及影响因素。结果表明:竹炭固定化微生物处理氨氮水样存在竹炭吸附和微生物脱氮两种作用。对于初始氨氮质量浓度≤200mg・L-1的水样,调节水样pH为8,控制水样溶解氧质量浓度为1mg・L-1左右,竹炭固定化微生物系统中可发生同时硝化―反硝化作用,氨氮去除率可达70%以上。
2.4酚类及醇类废水的处理
陶凌燕[5]等人采用聚乙烯醇(PVA)―硼酸法制作固定化活性污泥小球,从温度、浓度和pH 3方面比较了固定化活性污泥和游离活性污泥对氯苯酚降解效果的影响。研究表明:固定化活性污泥降解对氯苯酚的最适宜温度为25℃~35℃,最适pH为6~8;固定化活性污泥对氯苯酚的降解速度大于游离活性污泥。孙翔[6]等人以苯酚模拟废水为研究对象,采用苯酚驯化后的优势菌群,利用竹炭作为载体,用竹炭固定化微生物处理含酚废水。实验表明,在苯酚浓度为40mg/L低浓度废水,在投菌量为100mL/10g竹炭,竹炭量为10g/100mL污水的条件下经5h处理后,苯酚和COD的去除率分别为95%和70%。
三、结束语
固定化微生物技术在污水处理中越来越受到重视,未来要加强菌种的选育和驯化,创造条件培养微生物,并结合污水处理的设备和其他工艺达到良好的处理效果。
参考文献:
[1]]周林成,李彦锋,白雪,等.固定化微生物工艺处理印染废水[J].兰州大学学报:自然科学版,2008,44(5):63-68.
[2]李杰、王志盈、毛玉红.固定化微生物抗Cr6+毒性能力及其去除特性研究[J].工业水处理.2008,24(1).
[3]罗晓虹、戴松林、李雪芳.固定化铜绿假单胞菌吸附Cu2+的特性[J].环境科学与技术.2008.31(11).
[4]周珊、周汇、单胜道.竹炭固定化微生物去除水样中氨氮的研究[J].农业科学.2009,46(6).
关键词:生物技术,制浆造纸废水,废水处理
制浆造纸工业对环境所造成的污染问题日益突出,其废水排放量占全国工业废水排放总量的10%左右,污染严重,需要二次处理。随着国家对环境保护的重视以及民众环保意识的不断提高,制浆造纸行业已将降低有害物质作为重要课题。生物处理是常用的制浆造纸废水处理技术,已被许多工厂采用。该技术的原理是利用厌氧和好氧微生物将废水中的溶解性有机物分解为二氧化碳和水等稳定的无机物,实现COD去除,达到净化水体的目的。根据参与作用的微生物种类和供氧情况,分为好氧生物处理和厌氧生物处理及好氧厌氧组合处理三大类。生物处理方法运行费用低廉,与其他方法组合可以大大提高造纸废水的处理效率。
1.好氧生物处理法
好氧生物处理法即在有氧条件下,好氧微生物(主要是好氧菌)以水中的多种有机污染物作为生长、繁殖和新陈代谢等生命活动的物质与能量来源,同时达到去除BOD的方法。根据好氧微生物在水体中和工作方式不同,可分为活性污泥法和生物膜法两类。
1.1 活性污泥法
经初次沉淀后的废水与由二次沉淀池来的回流污泥在曝气池起端进入池内,通过扩散或机械曝气进行充分混合与曝气,并通过活性污泥的吸附、絮凝和氧化作用去除废水中的有机物。该法适用于处理要求高而水质较稳定的废水。
由于普通活性污泥法曝气时间比较长,当活性污泥继续向前推进到曝气池末端时,废水中有机物已几乎被耗尽,污泥微生物进入内源代谢期,它的活动能力也相应减弱,因此在沉淀池中容易沉淀,出水中残剩的有机物数量少。处于饥饿状态的污泥回流入曝气池后又能够强烈吸附和氧化有机物,所以普通活性污泥法的BOD和悬浮物去除率都很高,达到90~95%左右。
普通活性污泥法也有它的不足之处,主要是:①对水质变化的适应能力不强;②所供的氧不能充分利用,曝气池相对庞大、占地多、能耗费用高。有研究表明通过活性污泥工艺改良,可以明显改善生物系统污泥沉降性能及处理效果。
(1)SBR工艺
SBR(Sequencung Batch Reactors)是近年来在国内外广泛重视和研究日趋增多的一种污水生物处理新技术。SRB反应器的运行通常包括5个阶段:①进水阶段——加入基质;②反应阶段——基质降解;③沉淀阶段——泥水分离;④排放阶段——排上清液;⑤闲置阶段——活性恢复。这5个阶段都在曝气池内完成,从第一次进水到第二次进水称为一个工作周期。
SRB每个工作周期中各个阶段的运行时间、运行状态可以根据污水性质、排放规律与出水要求等进行调整。其操作简单,应用灵活,经济可行,能有效地去除常规活性污泥法难以去除的污染物,并能有效地克服活性污泥法污泥膨胀等问题。甲醇去除率达100%,COD去除率88%。据某些专家估算,SRB法投资运行成本要比常规活性污泥法节省30%。加拿大已成功应用SRB技术处理造纸厂多种废水;上海新伦造纸厂采用SRB技术进行废水处理并实现达标排放。
(2)HCR工艺
HCR(High Performance Compact Reactor) 是好氧生物处理技术的一个飞跃,它融合了当今的高速射流曝气、物相强化传递、紊流剪切等技术,并具有深井曝气和流化污泥床的特点。因此,其空气氧的转化率高,反应器的容积负荷大,水力停留时间短,是当前为西方国家所广泛接受的一种高效好氧生物处理方法。
HCR系统主要包括:集成反应器、两相喷头、沉淀池以及配套的管路和水泵等。集成反应器为圆形容器,其外筒两端被封闭,连接着各种管道;内筒两端开口,两相喷头安装在反应器上部的正中央。循环水泵提升高压水流经喷头射入反应器,由于负压作用同时吸入大量空气。水流和气流的共同作用又使喷头下方形成高速紊流剪切区,把吸入的气体分散成细小的气泡。富含溶解氧的混合污水经导流筒达到反应器底部后,又向上返流形成环流,再经剪切向下射流,如此循环往复运行。于是,污水被反复充氧,气泡和微生物菌团被不断剪切细化,并形成致密细小的絮凝体。
据研究表明纸厂废水采用HCR工艺处理,其中悬浮物去除率和脱色率均在95%以上,BOD和COD的去除率也都在80%以上,其主要运行效果参数与传统活性污泥法比较得出,HCR工艺在充氧速率、容积负荷、污泥负荷、沉淀池表面负荷、剩余污泥产率、水力停留时间等方面都具有明显优势。
HCR工艺存在的问题:一是能耗,当污水 COD去除率在80%及其以下时,所需能耗低且效益好;如果COD的去除率要求过高,其能耗就直线升高。因此,在实际工作中也不能盲目地选用HCR工艺。第二个问题是泡沫,HCR在处理某些废水时,也和常规好氧工艺一样会产生泡沫,设计时必须考虑这一因素。
1.2 生物膜法
生物膜法是一大类生物处理法的总称,共同的特点是微生物附着在介质(滤料)表面上,形成生物膜,污水同生物膜接触后,溶解的有机物被微生物吸附转化为H2O、 CO2、 NH3和微生物细胞物质,污水得到净化,所需氧气一般直接来自大气,生物膜法的处理效果和活性污泥法的处理效果差不多,与活性污泥法相比,其产生的污泥膨胀和剩余污泥量少,以及占地少和运行管理简便等优点。
目前采用生物膜技术的工艺也很多,常用的有生物滤池、生物转盘、接触氧化法以及生物流化床或膨胀床等多种工艺,本论文主要介绍一下接触氧化法以及生物流化床。
(1)生物流化床法
生物流化床是70年代开发的一种新型生物膜法处理工艺;以比重大于1的细小惰性颗粒如砂、焦碳、陶粒、活性炭等为载体;废水以较高的上升流速使载体处于流化状态;生物固体浓度很高,传质效率也很高,是一种高效的生物处理构筑物。
生物流化床具有以下优点:① 生物固体浓度高(10~20g/l),因此容积负荷较高(7~8kgBOD5/m3.d以上),水力停留时间可大大缩短,基建费用较小;② 无污泥膨胀或其它生物膜法中的滤料堵塞;③ 能适应不同浓度范围的废水,能适应较大的冲击负荷;④ 由于容积负荷和床体高度较大,占地面积较小。这些优点使它越来越受到水处理界的重视,目前已在生活污水和多种工业废水的处理上得到应用。近年来,内循环生物流化床研究得较多,还有人把流化床反应器与膜分离技术结合起来,建立了好氧流化床膜反应器,处理出水水质较高。
(2)生物接触氧化法
生物接触氧化法是一种介于活性污泥法与生物膜法之间的生物处理工艺。兼有活性污泥法与生物膜法优点,其机理是在曝气反应池内设置填料,池内既有活性污泥又有生物膜,形成密集的生物群体,较多的增加了废水与生物接触的面积,连续曝气和生物膜的及时更新,增强了生物的活性。科技论文。生物接触氧化池底曝气对污水进行充氧,并使池体内污水处于流动状态,以保证污水同浸没在污水中的填料充分接触,避免生物接触氧化池中存在污水与填料接触不均的缺陷。生物接触氧化法中微生物所需的氧通过鼓风曝气供给,生物膜生长至一定厚度后,近填料壁的微生物由于缺氧而进行厌氧代谢,产生的气体及曝气形成的冲刷作用会造成生物膜的脱落,并促进新生物膜的生长,促进生物膜的新陈代谢,脱落的生物膜将随出水流出池外,废水中污染物在此过程中被微生物分解消耗,从而使废水得到净化处理。
生物接触氧化法具有以下特点:①由于填料比表面积大,池内充氧条件良好,池内单位容积的生物固体量较高,故生物接触氧化池具有较高的容积负荷;②由于生物接触氧化池内生物固体量多,水流完全混合,故对水质水量的骤变有较强的适应能力;③剩余污泥量少,不存在污泥膨胀问题,运行管理简便;④处理能力高,处理效果稳定。科技论文。
2.厌氧生物处理法
2.1 厌氧生物处理废水的基本原理
厌氧发酵处理的基本原理是将溶解在废水中的有机物,通过微生物作用使其转化成为生物气体,主要成分为甲烷,可作为工厂燃料燃烧以产生热量加以利用。
由于一般处理废水方法费用较高,特别是好氧发酵的动力消耗大,而且还要花费很多费用来处理生物污泥;而在厌氧生物处理过程中,复杂的有机化合物被降解和转化为简单、稳定的化合物,同时释放能量,其中大部分能量以甲烷的形式出现。厌氧生物处理是一种有效、简单、费用低廉的低成本处理技术,是将废水处理与能源回收相结合的一种技术;同时由于新的更加严格的环保法规对制浆和造纸工厂废水排放的限制,所以这些因素都促使制浆和造纸工厂采用厌氧处理废水。
2.2 厌氧生物处理废水的新工艺与技术
目前采用厌氧技术处理废水的工艺也很多,造纸业早使用的两种厌氧系统:厌氧接触工艺CSTR(continuous stirred tank)和上流式污泥床工艺UASB(Up-flow Anaerobic SludgeBed)。目前具有高传质效率和污泥浓度,高反应器负荷的具有代表的新型反应器有:流化床FB(Fluidised Bed)、膨胀颗粒污泥床EGSB(Expanded Granular SludgeBed)和内循环反应器IC(InternalCirculation reactiors)。下面就介绍一下UASB和内循环反应器IC两种厌氧生物处理废水的方法。
(1)UASB方法
在厌氧处理领域应用最为广泛的是UASB反应器,它是由污泥反应区、气液固三相分离器(包括沉淀区)和气室三部分组成。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触,污泥中的微生物分解污水中的有机物,把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出,微小气泡在上升过程中,不断合并,逐渐形成较大的气泡,在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水一起上升进入三相分离器,沼气碰到分离器下部的反射板时,折向反射板的四周,然后穿过水层进入气室,集中在气室沼气,用导管导出,固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区,污水中的污泥发生絮凝,颗粒逐渐增大,并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沼着斜壁滑回厌氧反应区内,使反应区内积累大量的污泥,与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出,然后排出污泥床。
UASB的主要优点是:
①UASB内污泥浓度高,平均污泥浓度为20-40gVSS/1;②有机负荷高,水力停留时间短,采用中温发酵时,容积负荷一般为10kgCOD/m3.d左右;③无混合搅拌设备,靠发酵过程中产生的沼气的上升运动,使污泥床上部的污泥处于悬浮状态,对下部的污泥层也有一定程度的搅动;④污泥床不填载体,节省造价及避免因填料发生堵赛问题;⑤UASB内设三相分离器,通常不设沉淀池,被沉淀区分离出来的污泥重新回到污泥床反应区内,通常可以不设污泥回流设备。
主要缺点是:
①进水中悬浮物需要适当控制,不宜过高,一般控制在100mg/l以下;②污泥床内有短流现象,影响处理能力;③对水质和负荷突然变化较敏感,耐冲击力稍差。
UASB工艺近年来在国内外发展很快,应用面很宽,在各个行业都有应用,生产性规模不等。科技论文。实践证明,它是污水实现资源化的一种技术成熟可行的污水处理工艺,既解决了环境污染问题,又能取得较好的经济效益,具有广阔的应用前景。
(2)内循环反应器IC
内循环厌氧反应器(Internal Circulation Reactiors 简称IC)是由荷兰Paques公司于20世纪80年代中期在UASB反应器的基础上开发成功的高效厌氧反应器。它也存在厌氧细菌聚集形成的“颗粒污泥”,也是上流式颗粒污泥处理系统。废水在反应器中也是自下而上流动,污染物被细菌吸附并降解,净化过的水从反应器上部流出。事实上,IC反应器可以简单化地理解为两个上下组合在一起的UASB反应器,一个是下部的高负荷部分,一个是上部的低负荷部分。IC反应器与UASB的最大不同之处是,废水处理中由COD转化产生的生物气的引出分为两个阶段,下部产生的气体产生一个水和污泥的循环回流,由此引起的强烈的搅拌作用和高的上流速度,极大地改善了污染物从液相到颗粒污泥的传质过程,因此有极高的净化效率,这是内循环Internal Circulation reactiors一词的由来。
内循环(IC)厌氧反应器目前已经成功用于造纸工业废水处理,与UASB相比它具有以下优点:有更高的负荷和净化效率,进水有机负荷可超过普通厌氧反应器的3倍以上;占地面积小,其体积相当于普通反应器的1/4-1/3左右,大大降低了反应器的基建投资;抗低温能力强,IC反应器由于含有大量的微生物,温度对厌氧消化的影响变得不再显著和严重;具有缓冲pH的能力,内循环流量相当于第1厌氧区的出水回流,可利用COD转化的碱度,对pH起缓冲作用,使反应器内pH保持最佳状态,同时还可减少进水的投碱量;内部自动循环,不必外加动力,节省了动力消耗;出水稳定性好;启动周期短,IC反应器启动周期一般为1~2个月,而普通UASB启动周期长达4~6个月;沼气利用价值高,反应器产生的生物气纯度高,CH4为70%~80%,CO2为20%~30%,其它有机物为1%~5%,可作为燃料加以利用。
结论:
制浆造纸废水具有浓度高、水量大、色度深、含纤维悬浮物多、BOD和COD含量高等特点。生物法处理制浆造纸废水具有效率高、成本低、二次污染少等优点,今后随着造纸工业和生物技术的迅猛发展以及对环境质量要求的提高,生物处理技术必将在制浆造纸工业废水处理中得到更广泛的应用,研究高效、低耗、技术简单的制浆造纸废水生物处理技术是一个非常有前途的课题。
参考文献:
[1]李显,康蔡卫. 介绍了 HCR废水处理新技术的特点 [J].广东造纸,1997. 4:24 - 26.
[2]万金泉.废纸造纸及其污染控制[M].北京:中国轻工业出版社,2004.
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