论文部分内容阅读
动态膜生物反应器（DMBR）是以动态膜（DM）替代传统微滤或超滤膜的新兴膜生物反应器（MBR）,具有成本低廉、能耗低、通量高和易清洗等优点,受到了污水处理界的广泛关注。然而,与常规MBR相比,DMBR是利用活性污泥絮体的截留与附着,在粗孔微网材料支撑层表面形成的泥饼层实现颗粒物的截留,处于变化中的动态膜的稳定性一直是制约其广泛工程应用的主要问题。为此,本研究以动态膜形成过程优化调控为核心,通过理论解析和实验验证,探索DMBR设计运行与处理功效强化的理论和技术途径,研究工作对DMBR技术的发展具有重要意义。本研究采用尼龙网作为支撑材料制作膜组件构建DMBR系统,结合批式实验开展研究,针对不同性质的污泥混合液,运用扩展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论进行DM形成过程的作用能解析,同时分析污泥性质对动态膜形成的影响。在此基础上,以DMBR污水处理功效强化为目标,通过疏水性粉末活性炭（PAC）投加,构建了PAC-DMBR强化复合工艺系统,研究了系统的过滤性能、污染物去除效果、活性污泥性质、DM层的物化与微生物特征,分析了PAC投加对动态膜形成的促进和稳定化机理,评价了复合式DMBR工艺的适用性。研究工作的主要成果如下:1.基于XDLVO理论进行动态膜形成过程的作用能解析,量化分析了膜基材与污泥絮体之间的界面作用过程,以及膜面附近的游离絮体与沉积于膜面的絮体间的作用能,即微间距（纳米级）范围的范德华力（LW）、静电力（EL）和极性力（AB）作用能对动态膜形成的影响和相对贡献。解析结果表明,与LW和EL相比,AB作用能对动态膜初期形成过程中污泥絮体在膜基材表面的粘附行为,以及动态膜成熟过程中污泥絮体间的粘聚行为起关键作用,是总界面粘附和粘聚作用能的主要决定因素。采用性质不同的三种污泥混合液（污泥A:絮凝程度尚可,但沉降性和脱水性较差;污泥B:正常的活性污泥,絮凝程度、沉降性和脱水性良好;污泥C:絮凝程度差,难沉降脱水）进行DMBR批次过滤实验,结果表明:污泥A容易粘附于膜基材表面和粘聚于已沉积的污泥絮体表面,有利于动态膜的初期形成和成熟;污泥C难以在膜基材表面粘附,也难以在已沉积的污泥絮体表面粘聚,不利于动态膜形成和成熟;污泥B的絮凝程度则介于A和C之间,动态膜形成和成熟状态一般。对三种污泥运用XDLVO理论进行界面作用能解析,并以动态膜初期形成时间和成熟后的过滤水浊度进行动态膜形成状态评价,表明理论解析和实验结果相符,动态膜的形成状态取决于絮体在膜基材表面的粘附作用能和絮体间的粘聚作用能。2.结合XDLVO理论解析,从动态膜形成、稳定运行以及动态膜的良好过滤性能维持等方面,研究了活性污泥性质和动态膜性能的调控策略。DMBR作为一种膜生物反应器,其基本运行参数（如微生物量和有机负荷F/M、水力停留时间HRT、污泥龄SRT、曝气强度等）的合理控制是第一要素,将直接影响污泥的絮凝性、沉降脱水性;相对致密稳定且厚度适宜动态膜的维持是DMBR调控的第二要素,需要适度保持活性污泥絮体的表面疏水性和适宜的膜面水力冲刷强度;降低动态膜阻力,在提高动态膜截留性能的同时维持较高的膜通量是DMBR调控的第三要素,需要改善动态膜滤饼层的结构,包括污泥絮体粒径、滤饼层厚度和孔径的优化。与常规MBR相类似,通过DMBR生化反应器运行参数优化,能够实现上述第一要素的调控以及第二要素的部分调控（如膜面水力冲刷强度）,但对第三要素的调控作用有限。为此,基于极性力（AB）作用能是界面粘附和粘聚作用能的决定因素的认识,在DMBR反应器中投加具有一定表面疏水性的载体,则能够实现动态膜结构和性能的调控。3.选择疏水性粉末活性炭（PAC）作为载体,构建了PAC-DMBR复合式动态膜生物反应器工艺（简称PAC-DMBR复合工艺）系统,通过两组反应器的长期连续运行,比较了无PAC投加（C-DMBR）和PAC投量为3g/L（PAC-DMBR3）两种条件下的DM形成过程和DM层的物化、微生物特性。结果表明:PAC投加有效缩短了DM形成周期,且PAC-DMBR3中DM层结构更为疏松、孔隙增多、抗压缩性增强,同时经空气反冲洗后,支撑网表面残留污染物更少;PAC投加导致DM层污泥粒径增大,胞外聚合物（EPS）含量降低,含碳量增大;PAC投加有效改善了DM层中的微生物群落结构,膜表面定殖先驱菌门（例如,变形菌门Proteobacteria）丰度降低,有机物降解和转化菌门（例如,拟杆菌门Bacteroidetes、绿弯菌门Chloroflexi和厚壁菌门Firmicutes）丰度增高,同时在属水平上富集了对复杂有机物具有生物降解功能的特定微生物菌属（例如,不动杆菌属Acinetobacter）。表明PAC投加有效改变了DM层的物化特性和微生物特性。4.结合长期连续运行,比较了PAC-DMBR3和C-DMBR的污染物去除效能和膜生物反应器的工艺性能。结果表明:PAC投加强化了DMBR工艺对COD、UV254、NH3-N和色度的去除效果;对于DMBR而言,出水浊度是表征DM层截留特性和动态稳定性的重要指标,PAC投加有效缩短了每一工作周期的高浊度出水时段,使PAC-DMBR3在稳定工作期的出水浊度可以低至0.1 NTU左右,而C-DMBR的出水浊度始终高于PAC-DMBR3;PAC投加有效降低了DM层的泥饼阻力和总阻力,大幅度提高了DMBR的稳定过滤通量,有效延长了系统的稳定运行时间。进行了反应器中活性污泥性质的分析比较,结果表明:PAC投加有效改善了污泥形态结构,增大了污泥粒径,提升了污泥的沉降性、脱水性、絮凝性,降低了活性污泥中的EPS浓度并导致其有机组分和分子量分布的明显变化;通过Illumina Miseq高通量测序手段,判明PAC投加丰富了活性污泥中微生物群落的多样性,促进了具有絮体形成功能的菌属（例如,不动杆菌属Acinetobacter、丛毛单胞菌属Comamonas、黄杆菌属Flavobacterium、假单胞菌属Pseudomonas）的富集,其中Acinetobacter具有复杂有机物的降解功能。5.进行了PAC-DMBR复合作用机理的探讨,提出了三个方面的初步见解:第一,PAC的表面疏水性能够改变DMBR反应器中活性污泥絮体与DM膜基材之间、膜面附近的游离絮体与沉积于膜面的絮体间的作用能平衡关系,促进动态膜的初期形成和成熟,提升动态膜的稳定性;第二,PAC本身具有对有机物的吸附作用和微生物载体作用,使其具备了“生物活性炭”的作用功能,从而提升了DM层以及反应器内活性污泥的微生物群落多样性;第三,PAC成为DM层的构成组分之一,改变了纯粹由活性污泥絮体粘附和粘聚而成的滤饼层结构,导致滤饼层孔隙增多,抗压缩性增强,膜阻力降低,过滤通量增大。这些相关机理有待于进一步深入研究,从而为PAC-DMBR技术,以及利用其他载体强化DMBR的技术发展提供理论依据。