一體式無(wú)支撐軟式平板膜污泥處理工藝中試研究

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(1.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海污染控制與生態(tài)安全研究院,污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.上海城投污水處理有限公司,上海 201203)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平的提升與污水處理基建設(shè)施的逐步擴(kuò)大，剩余污泥量不斷增多?！度珖?guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2015年)》數(shù)據(jù)顯示，其統(tǒng)計(jì)調(diào)查的6910座城鎮(zhèn)污水處理廠，2015年全年共處理532.3億m3廢水，同時(shí)產(chǎn)生的污泥量達(dá)到3015.9萬(wàn)噸[1]。 2015年4月，國(guó)務(wù)院正式發(fā)布“水十條”中明確指出水處理設(shè)施產(chǎn)生的污泥應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化處理處置。然而,目前僅有不足3%的污水處理廠實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定化處理，大部分污泥未進(jìn)行穩(wěn)定化處理直接進(jìn)行填埋，得到安全處理處置的污泥不到20%[2]， 因此污泥處置成為當(dāng)前急需解決的問(wèn)題[3-5]。

通過(guò)污泥濃縮降低處理體積和成本是污泥穩(wěn)定化處理的前提[3]，目前國(guó)內(nèi)中小型污水處理廠采用最多濃縮方法仍是傳統(tǒng)的重力濃縮，效率較低且容易發(fā)生污泥上浮現(xiàn)象[6]。同濟(jì)大學(xué)王新華等人提出了平板膜污泥濃縮的工藝，可以使污泥濃縮至30g/L，出水水質(zhì)達(dá)到城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T18920——2002)；但運(yùn)行存在污泥濃縮濃度較低，出水水質(zhì)不穩(wěn)定，膜污染速率較高，運(yùn)行時(shí)間較短等問(wèn)題[6-11]?；诖搜芯拷Y(jié)果,本課題組結(jié)合臨界通量隨污泥變化規(guī)律[12]設(shè)計(jì)了4段式平板膜污泥濃縮中試裝置，并運(yùn)用于示范工程，將運(yùn)行周期提升了1倍，出泥濃度平均至35g/L,然而裝置本身仍然存在操作維護(hù)復(fù)雜，占地面積較大等問(wèn)題[13-14]。

本課題組發(fā)明了一種新型膜生物反應(yīng)器(MBR)無(wú)支撐軟式平板膜元件及其組件，解決了平板膜組件裝填密度小、占地大、生產(chǎn)與運(yùn)輸成本高的問(wèn)題，降低了單位膜面積的曝氣量，同時(shí)具有較好的自清潔和抗污染能力[15]。因此，本研究基于該項(xiàng)專利技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有臨界通量與污泥濃度的關(guān)系，設(shè)計(jì)并運(yùn)行了一體式無(wú)支撐軟膜污泥濃縮處理工藝，考察運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定性的同時(shí)，研究其出水水質(zhì)變化以及各段污泥性質(zhì)變化情況，依據(jù)其運(yùn)行效果為后續(xù)工藝改進(jìn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

圖1 一體式無(wú)支撐軟式平板膜污泥處理工藝設(shè)計(jì)原理圖

圖2 濃縮池俯視布置圖及無(wú)支撐軟膜結(jié)構(gòu)圖[15]

基于課題組前期研究結(jié)果，本研究設(shè)計(jì)了一體式無(wú)支撐軟膜污泥處理工藝，流程圖如圖1所示。進(jìn)料污泥通過(guò)潛污泵抽吸進(jìn)入貯泥池，為精準(zhǔn)調(diào)控主體工藝進(jìn)泥量，貯泥池污泥通過(guò)潛污泵進(jìn)入恒流箱而后以設(shè)定流量流入1#濃縮池。四個(gè)濃縮池初始狀態(tài)均為進(jìn)泥填充，運(yùn)行初期同時(shí)開(kāi)啟出水泵，經(jīng)1#池?zé)o支撐軟膜組件濃縮后經(jīng)液位差依次自流至2#，3#和4#池。為了使每格濃縮池的污泥充分混合，采用錯(cuò)流溢流口設(shè)計(jì)(如圖2所示)。當(dāng)污泥濃度達(dá)到指定濃度時(shí)，開(kāi)啟4#溢流閥進(jìn)行污泥排放。

池底通過(guò)穿孔曝氣方式曝氣，各段池膜組件為10片無(wú)支撐軟式平板膜，每片平板膜內(nèi)部由兩張襯布及一張導(dǎo)流網(wǎng)組成，膜與膜之間通過(guò)墊片隔開(kāi)并控制間距[15]。

升降流區(qū)比為1∶2，并使用擋板隔開(kāi)。運(yùn)行方式為間歇抽停出水的方式(開(kāi)8min，停2min)。其余裝置設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。污泥來(lái)源于上海市某凈化廠曝氣池的活性污泥，污泥濃度為2.5～4.0g/L，MLVSS/MLSS 為0.75～0.8，pH值在7左右。

表1 裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 測(cè)試方法

軟式膜跨膜壓差(TMP)由真空壓力表直接讀取，溶解氧(DO)由溶解氧儀(美國(guó)哈希公司)直接測(cè)定；各池內(nèi)懸浮物固體濃度(MLSS)和揮發(fā)性懸浮物濃度 (MLVSS)采用重量法(GB11901-87)；水質(zhì)測(cè)定中，COD采用重鉻酸鉀法(GB11914-89)，氨氮采用納氏試劑比色法，總氮(TN)采用過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法，總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法[16]。

污泥粒徑分布采用激光粒度分析儀(Mastersizer 3000，英國(guó)馬爾文)測(cè)定；粘度采用DV79型數(shù)字粘度計(jì)測(cè)量(上海尼潤(rùn)科技有限公司)；毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)采用CST儀測(cè)定(IFP-9050，美國(guó)Venture公司)，污泥的濾液COD由0.45μm膜過(guò)濾后重鉻酸鉀法測(cè)定得到。溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)采取離心過(guò)濾法[17]，胞外聚合物 (EPS)采取熱提取法[18]，其中糖類使用蒽酮-硫酸法[19]，蛋白質(zhì)和腐殖酸采用改進(jìn) Lowry 法測(cè)定[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥濃度變化

工藝運(yùn)行33天內(nèi)污泥濃度變化情況如圖3所示。可以看出，4#濃縮池污泥在約第7天的時(shí)間內(nèi)達(dá)到指定濃度，且后續(xù)排泥的平均濃度基本維持在46g/L左右，1#池，2#池，3#池的平均濃度分別位維持在8g/L，16g/L，30g/L。由圖3可以看出在第7～10天排泥初期由于進(jìn)泥流量過(guò)大，對(duì)污泥濃度起到了稀釋。四個(gè)池子中，1#池污泥濃度相對(duì)較為穩(wěn)定，而其他3格池污泥濃度具有一定的波動(dòng)，這是因?yàn)橹性囈?guī)模運(yùn)行時(shí)，通過(guò)純溢流方式排泥具有不穩(wěn)定性，曝氣對(duì)液面的波動(dòng)、膜污染造成膜通量的下降、進(jìn)泥流量相應(yīng)的調(diào)整都會(huì)對(duì)污泥濃度的穩(wěn)定性造成影響。

圖3 污泥濃度隨運(yùn)行時(shí)間變化

2.2 運(yùn)行跨膜壓差與溶解氧變化

從圖4可以看出，反應(yīng)時(shí)間內(nèi)1#和2#池的膜壓力基本均維持在10kPa以下，膜通量未發(fā)生衰減，3#池和4#池的膜壓力在污泥濃度上升時(shí)間段快速上升，一方面說(shuō)明無(wú)支撐軟式平板膜在短時(shí)間會(huì)隨著污泥濃度快速上升而迅速污染，另一方面說(shuō)明預(yù)設(shè)污泥濃度過(guò)高，污泥濃度的上升會(huì)導(dǎo)致膜面錯(cuò)流速度的降低,不利于控制膜污染[21]，后續(xù)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)應(yīng)提前排泥時(shí)間。隨著排泥期污泥濃度的穩(wěn)定性，3#池膜壓力穩(wěn)定在30 kPa以下，4#池由于污泥濃度過(guò)高(>40g/L)膜壓力一直較高無(wú)法恢復(fù)，所以相對(duì)于之前污泥分段濃縮實(shí)驗(yàn)[12-14]而言，雖然裝置實(shí)現(xiàn)了污泥濃度的提升，后續(xù)研究可以從膜材料，曝氣量提升，出水抽停比等方向考慮，解決高濃度污泥下延緩膜污染的問(wèn)題。

圖4 反應(yīng)器膜壓力隨運(yùn)行時(shí)間變化

圖5 不同反應(yīng)器溶解氧隨運(yùn)行時(shí)間變化

溶解氧在運(yùn)行周期內(nèi)的變化如圖5所示。1#和2#池溶解氧變化較劇烈，3#和4#池較穩(wěn)定，分別維持在1 mg/L和0.5 mg/L以下。氣液反應(yīng)器傳質(zhì)理論分析表明,較高污泥濃度引起了污泥混合液粘度增大，因此傳氧速率系數(shù)降低[21]。雖然3#和4#池的曝氣強(qiáng)度已經(jīng)提升(如表1所示)，但是不足以維持與1#與2#池相似的好氧消化環(huán)境。

2.3 水質(zhì)變化

裝置各格濃縮池的出水水質(zhì)變化與總出水水質(zhì)變化情況如圖6所示?？偝鏊腃OD可以維持在125 mg/L以下，氨氮維持在5 mg/L以下，總氮維持在45 mg/L以下，總磷維持在6 mg/L以下。由于4#中對(duì)高濃度污泥的持續(xù)沖刷，污泥絮體被逐步破壞，導(dǎo)致出水COD較高；1#池和2#池的溶解氧滿足了硝化過(guò)程，導(dǎo)致兩池出水以及總出水的氨氮排放濃度較低；由于四個(gè)池子的貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境使得反硝化過(guò)程無(wú)法完成，因此總氮出水偏高；對(duì)于總磷的濃度，也主要取決于四個(gè)池子之間溶解氧環(huán)境的差別，1#，2#池的好氧環(huán)境使得污泥吸收磷，3#，4#池的厭氧環(huán)境又使得磷重新釋放至水體。

以某日均污水處理量為10萬(wàn)m2的污水處理廠為例，污泥產(chǎn)生量為6～18t污泥(含水率99%)，若使用相同日處理量的該工藝設(shè)備進(jìn)行污泥濃縮處理，出水量為6～18t/d，根據(jù)中試出水水質(zhì)計(jì)算，若使用混合曲陽(yáng)污水處理廠出水排放，則裝置出水對(duì)于安全排放的影響基本可以忽略不計(jì)。

圖6 出水水質(zhì)COD、總氮、氨氮和總磷變化

2.4 污泥性質(zhì)變化

由圖7可以看到4個(gè)池子在不同運(yùn)行時(shí)間的污泥粒徑的變化情況。1#和2#池由于水力停留時(shí)間較短，以及曝氣量較小，污泥粒徑變化沒(méi)有顯著改變，而3#和4#池由于相對(duì)較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間和較大的曝氣強(qiáng)度，污泥粒徑隨著時(shí)間而逐步變小，如7(d)圖所示，4#池污泥粒徑逐步變小且體積分布曲線更加窄，說(shuō)明后期池中污泥大顆粒絮體逐步解體成更多的小顆粒絮體。

圖7 不同反應(yīng)器污泥粒徑分布變化

圖8展示了四池中污泥CST，粘度以及濾液COD的變化情況?？梢苑从吵鑫勰嘣谒膫€(gè)池子中的脫水性能，粘度逐漸下降，且4#池的脫水性能顯著變差，說(shuō)明45g/L左右的污泥濃度下與持續(xù)氣體的沖刷對(duì)其影響很大。但同時(shí)帶來(lái)的濾液COD的顯著提升，有利于污泥后續(xù)的穩(wěn)定化處理。

圖8 不同反應(yīng)器污泥性質(zhì)變化

2.5 SMP與EPS變化情況

圖9反映了裝置內(nèi)整體以及單位VSS下的SMP和EPS的濃度變化，以及糖類，蛋白質(zhì)和腐殖酸變化情況。圖9(a)中可以看到，前期到中期過(guò)程，隨著污泥濃度的提升，SMP增長(zhǎng)較為顯著，這導(dǎo)致了4#膜污染的迅速加?。粓D9(c)中，對(duì)于單位VSS下的SMP，在反應(yīng)器穩(wěn)定排泥的時(shí)期并沒(méi)有顯著變化。圖9(b)顯示，在前期到中期過(guò)程，反應(yīng)器EPS濃度也逐步提升，但是到后期， EPS濃度明顯降低，圖9(d)中也可以看到，3#和4#池的單位VSS下EPS的同樣顯著降低，這是由于在貧營(yíng)養(yǎng)條件下，微生物降解了EPS來(lái)維持自身生命活動(dòng)[22]，說(shuō)明污泥絮體進(jìn)行了消化，實(shí)現(xiàn)了一定的穩(wěn)定化處理[9-11]。且結(jié)果顯示污泥EPS中的蛋白質(zhì)占比較高，而EPS的下降也主要是由于蛋白質(zhì)和糖類的減少，說(shuō)明消化的主要成分為蛋白質(zhì)和糖類。

圖9 不同反應(yīng)器污泥SMP和EPS變化

3 結(jié)論

無(wú)支撐軟式平板膜污泥濃縮處理中試裝置中的應(yīng)用研究表明，裝置在節(jié)省占地和成本的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。排泥平均濃度維持在46g/L左右；1#和2#池為好氧環(huán)境，3#和4#池為缺氧和厭氧環(huán)境；工藝出水對(duì)污水處理廠出水影響很小，總出水的COD可以維持在125mg/L以下，氨氮維持在5mg/L以下，總氮維持在45mg/L以下，總磷維持在6mg/L以下，可以采用混合出水的方式排放；隨著運(yùn)行時(shí)間增加，排泥的粒徑逐漸變小，脫水性能變差，胞外聚合物中的蛋白質(zhì)和糖類逐步減少實(shí)現(xiàn)了一定的消化作用。