污泥基吸附劑耦合MBR工藝處理生活污水

潘志輝，黃 彬，胡曉東

（廣州大學(xué)珠江三角洲水質(zhì)安全與保護(hù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006）

污泥基吸附劑耦合MBR工藝處理生活污水

潘志輝，黃 彬，胡曉東

（廣州大學(xué)珠江三角洲水質(zhì)安全與保護(hù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006）

本研究利用污水處理廠產(chǎn)生的化學(xué)污泥制備成多孔、高效吸附劑材料，并且耦合膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝對(duì)生活污水進(jìn)行處理.與普通MBR工藝比較可知，污泥基吸附劑耦合MBR工藝能強(qiáng)化污水處理效能，對(duì)濁度、NH3-N、總磷與DOC的去除率分別為99.5%、94.6%、37.9%與88.8%.跨膜壓差（TMP）的實(shí)驗(yàn)表明，污泥基吸附劑耦合MBR工藝能維持較長(zhǎng)的TMP，說(shuō)明污泥基吸附劑能減緩MBR工藝的膜污染程度，延長(zhǎng)膜清洗周期，降低污水廠的運(yùn)行成本.

污泥基吸附劑；膜生物反應(yīng)器；生活污水；跨膜壓力差

近年來(lái)，由于城市的不斷發(fā)展，污水處理任務(wù)逐漸加劇，大量的污泥隨之產(chǎn)生［1］.若不妥善處理，它將對(duì)環(huán)境構(gòu)成日益嚴(yán)重的問(wèn)題.污泥是一種富含有機(jī)物的碳質(zhì)材料，利用化學(xué)活化方法可以將其改性制備成類似粉末活性炭（PAC）性質(zhì)的吸附劑材料.因此，不僅能以對(duì)生態(tài)環(huán)境友好的方式解決由污泥引起的二次污染問(wèn)題，而且還可以將污泥基吸附劑應(yīng)用于廢氣處理及污、廢水處理［2-3］中，達(dá)到以廢治廢的目的.

MBR工藝是一種集膜過(guò)濾和生物處理于一體的新型高效生物處理裝置，不僅具有工藝流程簡(jiǎn)單、占地面積小、基建投資少、運(yùn)行費(fèi)用較低、操作管理方便等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有出水水質(zhì)優(yōu)良，污泥停留時(shí)間和水力停留時(shí)間分離迅速，和便于自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)［4］.但是MBR也存在著一些不足，主要是反應(yīng)器內(nèi)較容易產(chǎn)生膜污染，導(dǎo)致系統(tǒng)處理污水能力下降，進(jìn)而導(dǎo)致膜清洗周期頻繁，使投資與運(yùn)行管理成本增高［5］.另外，由于受微生物的處理能力與膜孔孔徑大小的限制，MBR工藝對(duì)污水中各種有機(jī)污染物的去除有限，達(dá)到一定的程度后很難有進(jìn)一步提高.研究表明，投加PAC于MBR后，PAC可以通過(guò)吸附作用去除污水中小分子污染物；而且，由于PAC可以降低污泥絮體的可壓縮性與增加濾餅層的孔隙度，膜通量也會(huì)因此而升高［6］.投加PAC后的結(jié)果看起來(lái)是很有前景的，但是，PAC的投加量較大且費(fèi)用較高，這對(duì)于城市污水廠中的應(yīng)用是極不經(jīng)濟(jì)的［7］.

因此，文章研究制備低廉的污泥基吸附劑材料并且應(yīng)用于MBR工藝，并進(jìn)一步探究污泥基吸附劑耦合MBR工藝對(duì)生活污水的處理效能與膜污染情況.

1 材料與方法

1.1 污泥基吸附劑的制備與表征

污水處理廠產(chǎn)生的化學(xué)污泥（化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)污水處理產(chǎn)生的污泥）經(jīng)103℃烘24 h后研磨成粉末狀并過(guò)篩（180目，0.083 mm）.粉末污泥與3 M的ZnCl2溶液以質(zhì)量比1∶1在常溫下攪拌混合24 h后，再在103℃下烘24 h.混合物在馬弗爐中以700℃的高溫在無(wú)氧條件下活化1 h，其中加熱升溫速率為18℃·min-1.熱解產(chǎn)物經(jīng)研磨與過(guò)篩（180目，0.083 mm）后在3 M的HCl清洗20 min后再利用去離子水漂洗至pH為中性，最后在103℃下烘24 h.

污泥吸附劑的比表面積、孔容采用比表面積分析儀（ASAP 2020M）測(cè)定；樣品的C與H含量采用元素分析儀測(cè)定；樣品經(jīng)消解后采用ICP-AES（Optima 5300DU）測(cè)定其重金屬含量；樣品的晶體結(jié)構(gòu)由粉末X-光線散射儀（Rigaku D/max-2000）測(cè)定.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與分析方法

試驗(yàn)裝置如圖1所示.設(shè)計(jì)2套平行小試規(guī)模的MBR裝置：其中1套是污泥基吸附劑耦合MBR工藝（sludge-based adsorbent MRB，SAMBR），第2套單獨(dú)MBR工藝（MBR）作為對(duì)比.膜組件直接浸入反應(yīng)器中，反應(yīng)器有效容積為3 L.原水經(jīng)進(jìn)水泵打入高位水箱再通過(guò)恒位水箱進(jìn)入到各個(gè)反應(yīng)器中，出水通過(guò)抽吸泵（蠕動(dòng)泵）直接從膜組件抽出進(jìn)入出水箱.系統(tǒng)定時(shí)從出水箱中抽吸水對(duì)膜組件進(jìn)行反沖洗.在膜組件和抽吸泵之間設(shè)置壓力傳感器，監(jiān)測(cè)跨膜壓力差（Trans-membrane pressure，TMP）.空氣泵連續(xù)向反應(yīng)器內(nèi)曝氣以提供溶解氧、進(jìn)行攪拌混合并清洗膜絲表面.整個(gè)系統(tǒng)由自動(dòng)控件系統(tǒng)（Programmable Logic Controller，PLC）控制.

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up

膜材料為束狀中空纖維超濾膜，聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）材質(zhì)，膜孔徑為0.01 μm，膜面積為0.05 m2.濾液通過(guò)蠕動(dòng)泵從膜組件中抽吸，控制膜通量恒定為10 L·（m-2·h-1），相應(yīng)的水力停留時(shí)間（Hydraulic retention time，HRT）為6 h.實(shí)驗(yàn)中污泥齡（Sludge retention time，SRT）控制在30 d.污泥基吸附劑初始投加量為2 g ·L-1，每天補(bǔ)充相應(yīng)于排除剩余污泥的損失量.生活污水取自校園生活區(qū)；接種污泥取自污水處理廠二級(jí)生物處理池.出水重金屬含量采用ICPAES（Optima 5300DU）測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥基吸附劑性質(zhì)

由表1可知，由于ZnCl2的刻蝕造孔作用，污泥經(jīng)活化后的產(chǎn)物具有較高的比表面積（363.2 m2·g-1）以及形成一定量的微孔（0.122 m3· g-1）與中、大孔容積（0.269 m3·g-1），使污泥基吸附劑具有高效吸附水中污染物的能力.

表1 污泥基吸附劑比表面積及孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Surface area and porosity of sludge-based adsorbent

污泥基吸附劑元素分析與金屬含量見(jiàn)表2.由于原材料為化學(xué)污泥，因此吸附劑中含有較多的Fe與Al.另外，由于活化劑是ZnCl2，活化后的產(chǎn)物也具有較高的Zn含量.而元素分析表明，活化后的吸附劑具有較高的C含量（39.8%）.

表2 污泥基吸附劑金屬含量與元素分析Table 2 Contents of metals and ultimate analysis of sludgebased adsorbent

由污泥基吸附劑的XRD圖譜（圖2）可以得出，它的晶體結(jié)構(gòu)主要是無(wú)機(jī)物石英晶體（JCPDS 47-1144）.另外的衍射峰群包括FeC（JCPDS 03-0411）、Al2O3（JCPDS 47-1771）和ZnCl2（JCPDS 39-0887）.XRD分析證明了這些吸附劑表面存在金屬化合物，也存留有ZnCl2晶體于吸附劑表面，這與表2檢測(cè)結(jié)果一致.

圖2 污泥基吸附劑XRD分析Fig.2 XRD patterns of sludge-based adsorbent

2.2 污泥基吸附劑耦合MBR對(duì)生活污水的處理效果

2.2.1 濁度

2套MBRs系統(tǒng)對(duì)生活污水濁度的去除效果見(jiàn)表3.2套MBRs系統(tǒng)對(duì)生活污水的濁度的去除率都很高，去除率都幾乎達(dá)到100%，出水濁度基本在0.3 NTU以下，這應(yīng)歸因于膜的強(qiáng)大的截留作用.由于膜孔孔徑較小，而大部分引起濁度的懸浮或膠體狀物體粒徑都大于膜孔孔徑，因此在過(guò)濾過(guò)程中，這些大粒徑的物質(zhì)都被膜截留下來(lái)，從而體現(xiàn)了反應(yīng)系統(tǒng)的高濁度去除效果.

表3 2套MBRs系統(tǒng)對(duì)濁度的去除效果Table 3 Removal of turbidity by two MBRs

2.2.2 NH3-N

2套MBRs系統(tǒng)對(duì)污水NH3-N的去除效果見(jiàn)表4.由于膜的強(qiáng)大截留作用，大量的硝化細(xì)菌與亞硝化細(xì)菌滯留在反應(yīng)器內(nèi)，使污泥齡遠(yuǎn)大于這些細(xì)菌的世代生長(zhǎng)時(shí)間，因此應(yīng)保證其生存條件，使2套MBRs系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的氨氮去除效果.MBR出水的NH3-N值為3.19 mg·L-1，去除率達(dá)93.8%；而SAMBR對(duì)NH3-N有更高的處理效果，出水平均NH3-N值為2.83 mg·L-1，去除率達(dá)到94.6%.這可能是由于在投加了污泥基吸附劑的MBR反應(yīng)器內(nèi)，硝化細(xì)菌可以以污泥吸附劑或者活性炭為載體，在其上進(jìn)行生長(zhǎng)［8］.因此，硝化細(xì)菌得到很好的繁殖，從而致使生活污水中NH3-N的去除率提高.

表4 2套MBRs系統(tǒng)對(duì)NH3-N的去除效果Table 4 Removal of NH3-N by two MBRs

2.2.3 總磷

2套MBRs系統(tǒng)對(duì)生活污水中總磷的去除效果見(jiàn)表5.從表5可以得知，投加了污泥基吸附劑的SAMBR除磷效果較好，其對(duì)總磷的平均去除率為37.9%，而MBR對(duì)總磷的去除率只有21.3%.

表5 2套MBRs系統(tǒng)對(duì)總磷的去除效果Table 5 Removal of TP by two MBRs

SAMBR的除磷效果較MBR好，這可能是因?yàn)橥都恿宋勰嗷絼┖?，由于無(wú)機(jī)物的積累和微生物的增殖使得污泥基吸附劑形成的較大菌膠團(tuán)較為密集，氧在菌膠團(tuán)內(nèi)部分布不均，表面為好氧狀態(tài)，而在混合液污泥內(nèi)局部產(chǎn)生厭氧微環(huán)境［9］，從而使部分聚磷菌釋放出磷，其吸磷能力得以恢復(fù).另一方面，因?yàn)橥都拥奈勰嗷絼┖F、鋁金屬氧化物較多（見(jiàn)表2）；當(dāng)金屬氧化物水解時(shí)生成金屬氫氧化物與水中的磷酸鹽生成金屬絡(luò)合物而吸附于污泥基吸附劑表面上，因此SAMBR的污泥吸附了更多的磷元素.通過(guò)定期排泥的方式，系統(tǒng)中更多的磷元素被排出系統(tǒng)，從而使該系統(tǒng)的除磷效果優(yōu)于單獨(dú)MBR工藝.

2.2.4 有機(jī)物

2套MBRs系統(tǒng)內(nèi)污泥（混合液）、膜與整個(gè)反應(yīng)器對(duì)DOC的去除效果見(jiàn)表6與圖3.由表6可知，SAMBR與MBR對(duì)DOC的去除率分別為88.8%與85.9%，2個(gè)系統(tǒng)之間相差3%；而在膜的截留作用方面，2套MBRs系統(tǒng)對(duì)DOC的去除率分別為45.3%與44.6%，僅相差1%左右.這說(shuō)明膜對(duì)有機(jī)物的截留作用相差不多，主要的差異是由混合液的組成所造成的（去除率分別為79.1%與74.6%，相差5%左右），即SAMBR中形成了生物污泥基吸附劑，從而使DOC具有較高的去除率.

表6 2套MBRs系統(tǒng)對(duì)DOC的去除效果Table 6 Removal of DOC by two MBRs

圖3 2套MBRs系統(tǒng)對(duì)DOC的處理效果Fig.3 Effect of DOC removal by two MBRs

圖3結(jié)果表明，MBR運(yùn)行初期出水有較高的DOC值，而隨后出水水質(zhì)DOC值慢慢降低，這可能是因?yàn)镸BR系統(tǒng)中微生物量通過(guò)繁殖增多，從而致使DOC去除率逐漸升高，并且附著于膜表面的污泥層也對(duì)DOC有很好的降解作用.在第25 d后，MBR的出水DOC值逐漸穩(wěn)定，在10 mg·L-1左右.而SAMBR運(yùn)行的前10 d內(nèi)混合液或出水DOC值卻都較低，出水DOC值維持在5 mg·L-1左右，這可能是由于在運(yùn)行前期投加高投量（2 g ·L-1）的污泥基吸附劑所致.但隨著運(yùn)行天數(shù)的推移，DOC值逐漸升高，這應(yīng)該是由于污泥基吸附劑的吸附能力已經(jīng)趨于飽和狀態(tài)所造成的.第10 d后，無(wú)論進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)還是混合液的去除效果變化，出水水質(zhì)DOC值都處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在6～8 mg·L-1，不受波動(dòng)的干擾.

2.2.5 重金屬

SAMBR系統(tǒng)出水重金屬含量見(jiàn)表7.由于污泥基吸附劑由ZnCl2活化所得，因此，活化后的污泥基吸附劑含有較高的Zn含量（12.9 mg·g-1，見(jiàn)表2）.但SAMBR出水的Zn含量卻很少，只有0.31 mg·L-1，這可能是由于反應(yīng)器內(nèi)活性污泥對(duì)污泥基吸附劑浸出的重金屬的吸附作用所造成的［10］.其他重金屬檢測(cè)結(jié)果都顯示出較低的含量（見(jiàn)表7），因此該工藝能滿足大部分工業(yè)廢水處理的安全標(biāo)準(zhǔn).

表7 SAMBR出水重金屬含量Table 7 Content of heavy metals in treated sewage of SAMBR（mg·L-1）

2.2.6 跨膜壓力差的變化

反應(yīng)器內(nèi)的膜污染情況可以通過(guò)TMP的變化情況反映出來(lái)：在相同的膜通量的條件下，TMP變得越大，說(shuō)明膜污染越大.

圖4顯示了2套MBRs系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，TMP隨運(yùn)行時(shí)間的變化情況.從圖4可知，對(duì)于MBR，其TMP在前8 d期間上升緩慢.而第8 d后，它的TMP上升速度變得很快，在后續(xù)的4 d時(shí)間內(nèi)，TMP值從15 kPa上升到35 kPa，上升速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前8 d的速度.這可能是由于在運(yùn)行的前8 d內(nèi)，反應(yīng)器內(nèi)在臨界通量下運(yùn)行，所以膜污染緩慢，TMP上升的速度較低；而隨反應(yīng)器長(zhǎng)期的運(yùn)行，膜截留的污染物沉淀在膜的表面，有些污染物甚至堵塞在膜孔中，造成膜孔阻力，使得實(shí)際過(guò)濾的膜面積下降.最后局部的膜通量升高，甚至超過(guò)臨界通量.這樣加劇了膜污染，導(dǎo)致膜表面形成濾餅層，反應(yīng)器內(nèi)TMP迅速升高.SAMBR的TMP在前16 d都一直以較低的上升速度增加，16 d后才以較高的上升速度攀升，相比MBR有一個(gè)明顯的滯后的階段.這說(shuō)明投加了污泥基吸附劑后，吸附作用和附著絮凝的作用明顯地降低了對(duì)膜的直接污染程度，減緩了膜污染的發(fā)展速度，延長(zhǎng)膜的清洗周期.

圖4 2套MBRs系統(tǒng)的膜壓差變化情況Fig.4 Variation of TMP in two MBRs

3 結(jié) 論

（1）在相同的條件下（如原水水質(zhì)和HRT，SRT等），運(yùn)行污泥基吸附劑耦合MBR工藝（SAMBR）與單獨(dú)MBR工藝表明，由于污泥基吸附劑吸附與生物降解的綜合作用，SAMBR對(duì)生活污水的處理效能（濁度：99.5%；NH3-N：94.6%；總磷：37.9%；DOC：88.8%）優(yōu)于單獨(dú)MBR（濁度：99.4%；NH3-N：93.8%；總磷：21.3%；DOC：85.9%）.

（2）SAMBR能有效延緩膜污染，使其在運(yùn)行的過(guò)程中相對(duì)單獨(dú)MBR的跨膜壓差增長(zhǎng)速度更慢.因此SMABR能延長(zhǎng)膜清洗周期，降低污水處理廠運(yùn)行成本，這既達(dá)到了廢棄物的資源化利用，又實(shí)現(xiàn)了以廢治廢的目的，對(duì)污水處理與污泥處置技術(shù)具有深遠(yuǎn)的影響與非常高的利用價(jià)值.

（3）出水重金屬含量測(cè)試表明，SAMBR出水符合大部分工業(yè)廢水處理的安全標(biāo)準(zhǔn).

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Sludge-based adsorbent coupled MBR treating wastewater

PAN Zhi-hui，HUANG Bin，HU Xiao-dong
（Key Laboratory for Water Quality Security and Protection in Pearl River Delta/Ministry of Education and Guangdong Province，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

In this study，the porous and high efficient adsorbent，prepared from chemical sludge generated in wastewater treatment plants，was coupled with membrane bioreactor（MBR）for wastewater treatment processing.Compared with common MBR，sludge-based adsorbent coupled MBR technology enhanced the efficiencies of wastewater treatment and the turbidity，NH3-N，TP and DOC removal were 99.5%，94.6%，37.9%and 88.8%，respectively.Trans-membrane pressure（TMP）of the experiments showed that the sludge-based adsorbent coupled MBR process can be maintained longer TMP.It can be concluded that the sludge-based adsorbent can slow down membrane fouling，extend membrane cleaning cycle，and reduce operating costs of the wastewater treatment plants.

sludge-based adsorbent；membrane bioreactor；wastewater；trans-membrane pressure

X 703.1

A

1671-4229（2016）01-0069-06

【責(zé)任編輯：孫向榮】

2015-11-24；

2015-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51308136）；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（S2013040015984）；廣東省教育廳資助項(xiàng)目（2013LYM_0066）；廣州市屬高?？蒲匈Y助項(xiàng)目（1201430824）

潘志輝（1983-），男，講師，博士.E-mail：ri13＠163.com