摘要


本研究探討了強化MABR處理地表水的可行性。設計了適合高效曝氣和微生物粘附的膜組件。在第1階段,只有一半的膜組件進(jìn)行了曝氣,以促進(jìn)形成穩定的生物膜,同時(shí)具有好氧和厭氧微生物群落,實(shí)現水解酸化、好氧氧化和硝化-反硝化效果。在第二階段,所有的膜組件都進(jìn)行曝氣,并利用聚羥基烷酸酯(PHA)作為碳源來(lái)促進(jìn)微生物生長(cháng)。氮和磷同時(shí)進(jìn)行生物轉化。在第28天,增強的MABR完全解除,以防止污染物進(jìn)一步釋放回水中??傊?,在地表水處理過(guò)程中,增強型MABR達到了有效性能,化學(xué)需氧量(CODCr)、UV254、氨氮(NH3–N)、總氮(TN)、總磷(TP)和濁度的平均出水濃度分別為35 mg/l、0.03 cm1、0.21 mg/l、1.5mg/l、0.23 mg/l和3.12 NTU,分別地


1.介紹


越來(lái)越多的生活和工業(yè)廢水在未經(jīng)充分處理的情況下排入自然水系統,從而惡化了自?xún)裟芰Γ–hu等人,2010年;Shannon等人,2008年)。過(guò)量的有機物、氮和磷會(huì )顯著(zhù)降低地表水的溶解氧濃度。此外,富營(yíng)養化嚴重影響了地表水質(zhì)量和漁業(yè)(Lapointe等人,2015年),并威脅到發(fā)展中國家的人類(lèi)健康(Yang等人,2012年;Verrecht等人,2010年)。難以生物降解的有機污染物難以去除(Gough等人,2014年;Hoyland等人,2014年),降解地表水的感官特性,甚至產(chǎn)生有毒副產(chǎn)品,使用化學(xué)消毒劑(如氯)(Bond等人,2014年;Huerta Fontela等人,2011年)。隨后,水質(zhì)惡化。


在全球范圍內,越來(lái)越多的研究人員對具有嚴重富營(yíng)養化現象的地表水進(jìn)行了有效處理,包括物理、化學(xué)和生化方法。由于成本較高,物理方法通常對永久性管理無(wú)效,例如人工曝氣、沉積物疏浚和機械除藻(Dong等人,2012年;Mulligan等人,2001年)。易引發(fā)二次污染的化學(xué)方法包括混凝沉淀法、化學(xué)除藻法、鐵鹽加速磷沉淀法、石灰脫氮法等(Lafhaj等人,2008年;Alexander等人,2012年)。綜上所述,生物修復吸引了地表水處理領(lǐng)域更多的研究人員(Zhang等人,2013年;Guerrero等人,2011年)。對于傳統方法(如活性污泥法),在現場(chǎng)地表水處理中幾乎不發(fā)生厭氧反硝化。因此,氮和磷不能有效地同時(shí)去除(Patel和Nakhla,2006;Nam等人,2014),處理后會(huì )留下較高的氮和磷濃度??傊?,為了有效去除污染物,應改進(jìn)和改進(jìn)傳統方法。


MABR作為一種創(chuàng )新的水處理生化方法,通過(guò)有限反應器中的中空纖維膜將曝氣和微生物附著(zhù)結合在一起(Stricker等人,2011年;Carles和Barth,2014年;Wei等人,2012年;Li等人,2015年)。好氧區和厭氧區可以同時(shí)在生物膜內形成,促進(jìn)水解酸化、好氧氧化、硝化和反硝化的同時(shí)進(jìn)行,這是對有機物、TN和TP的高去除效率的設想(Wei等人,2012)。雖然MABR工藝對有機物、氮磷去除效果顯著(zhù),但有些污染物不能徹底降解。有機物在一段時(shí)間內基本上被去除,而氮和磷的濃度在處理過(guò)的水中仍然很高。異養反硝化細菌去除硝化產(chǎn)物的碳源不足。在整個(gè)原位處理過(guò)程中,如果沒(méi)有污泥從水體中排出,聚磷生物(PAO)吸收的磷可能會(huì )釋放回水中。然后需要進(jìn)一步的后處理過(guò)程,通過(guò)補充碳資源來(lái)去除地表水中的氮和磷(Guerrero等人,2012年;Chu和Wang,2011年)。


在本研究中,聚羥基烷酸酯(PHA)(Valentino等人,2015年;Laycock等人,2014年)被用作后處理過(guò)程(第2階段)中的碳源。PHA是一種細胞內聚酯,由細菌合成,作為碳源和儲能源,可完全生物降解為二氧化碳和水,無(wú)二次污染。當PHA用于細菌生長(cháng)時(shí),氮和磷成分也會(huì )被消耗。綜合而言,地表水中的硝酸鹽和磷酸鹽在這一過(guò)程中可以作為微生物組分被吸收。因此,有機物、氮和磷將被降解,以實(shí)現地表水的凈化。


本研究旨在開(kāi)發(fā)一種用于地表水處理的強化MABR,分析膜組件和附著(zhù)生物膜的特性。系統地評估了添加PHA消除污染物的總體性能。建議在強化MABR工藝中完成水解酸化、好氧氧化、硝化和反硝化。添加PHA會(huì )增加生物量。然后,通過(guò)微生物同化,氮和磷的含量可以降低到最低水平。運行一段時(shí)間后,整個(gè)強化MABR被移除,以防止二次污染。地表水水質(zhì)在綜合系統的作用下得到了顯著(zhù)改善。研究結果對通過(guò)提高TN和TP去除效率來(lái)推進(jìn)地表水處理具有指導意義。


2.材料和方法


2.1.實(shí)驗設計


圖1所示的增強型MABR裝置主要由八個(gè)膜組件、一個(gè)浮子碗和一個(gè)用于容納PHA顆粒的PHA罐組成。每個(gè)膜組件包含200個(gè)有效長(cháng)度為20cm的復合中空纖維膜。膜組件可以通過(guò)浮筒漂浮在水面上,并通過(guò)空氣壓縮機充氣??紤]到地表水流速較低,在強化MABR過(guò)程中,通過(guò)旋轉集成系統,使用葉輪促進(jìn)基質(zhì)(即有機物、氮和磷)的傳質(zhì)。PHA水箱采用水泵供水。

圖1。增強型MABR系統示意圖。


整個(gè)治療分為兩個(gè)階段。在第一階段,四個(gè)膜組件由空氣壓縮機充氣,其他四個(gè)膜組件未運行。PHA罐的入口管關(guān)閉,以抑制PHA降解。對于第二階段,所有八個(gè)膜組件都進(jìn)行了充氣。PHA罐的入口管是開(kāi)放的,出口管的出口靠近膜組件,以便于微生物在膜表面聚集。


2.2.PHA的性質(zhì)


PHA為白色顆粒,直徑約3mm,購自深圳益科通環(huán)保材料有限公司。PHA是細胞內合成的聚酯,主要作為碳源和儲能物質(zhì)保存在生物體內。PHA完全由可生物降解的碳組成,可完全生物降解為二氧化碳和水,無(wú)任何二次污染。PHA既沒(méi)有填料也沒(méi)有化學(xué)品,這表明降解產(chǎn)物對地表水中的漁業(yè)和水生植物是安全的。在整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中,微生物對氮和磷的消耗被證明是一個(gè)緩慢的過(guò)程。實(shí)施碳源添加以保持成分(即碳、氮和磷)之間的平衡應緩慢。PHA降解速度慢,適合作為碳源。如上所述,PHA特別適合作為額外碳源的地表水處理。


2.3.中空纖維膜的表征


用掃描電子顯微鏡(SEM,美國Nova NanoSEM 430)對膜表面進(jìn)行成像。通過(guò)單反相機(佳能EOS 1200D,中國)觀(guān)察膜曝氣情況。


2.4.水質(zhì)指數分析方法


CODCr、NH3–N、硝酸鹽–氮(NO3–N)、亞硝酸鹽–氮(NO2–N)、TN和TP通過(guò)分光光度法進(jìn)行測量,使用實(shí)驗室多參數臺式光度計(2800,Hach Instruments Inc.,USA)。DO濃度由微電極測量系統(丹麥Unisense)監測。濁度通過(guò)濁度計(美國2100N Hach Instruments Inc.)測量。生化需氧量(BOD5)由BOD分析儀(BODTrak)檢測?,美國哈奇儀器公司)。紫外分光光度計記錄UV254值。


2.5.生物量和生物脫氫酶活性(DHA)分析


通過(guò)Seredyńska Sobecka等人(2006年)報告的磷脂提取方法研究了附著(zhù)在中空纖維膜上的生物量。根據Len(Lenhard,1968;Lazarova and Manem,1995)的說(shuō)法,脫氫酶活性(DHA)是通過(guò)氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法檢測的。