HCPAUFMBR组合工艺处理低温高色高氨氮水源水研究

中国环境科学2015,35(12)：3620~3627ChinaEnvironmentalScienceHCPA-UF-MBR组合工艺处理低温高色高氨氮水源水研究孙楠1,田伟伟1,张颖2*(1.东北农业大学水利与建筑学院,黑龙江哈尔滨150030；2.东北农业大学资源与环境学院,黑龙江哈尔滨150030)摘要：将高浓度纯化凹凸棒土(HCPA)投加至UF-MBR中,形成HCPA-UF-MBR组合工艺,研究HCPA-UF-MBR、UF-MBR两平行系统对低温高色高氨氮水源水的除污效果、反应器内活性污泥性能及膜污染情况,考察HCPA的作用机理与效能.结果表明,HCPA-UF-MBR对色度、CODMn、NH+4-N、TN的平均去除率为94.60%、81.61%、98.44%、58.30%,出水NO−2-N、NO−3-N浓度均较低;HCPA投加后,UF-MBR的除污效果与抗冲击负荷能力增强,污泥总活性与硝化活性分别提高了9.09%、105.88%,反应器达到稳定时间短且波动小,内部活性污泥硝化反硝化过程更充分;此外,HCPA吸附混合液中部分有机物,改善了污泥混合液性能,使膜表面滤饼层较疏松且透水性较好,有效地减轻了膜污染程度.关键词：低温；高色高氨氮水源水；HCPA-UF-MBR；活性污泥；膜污染中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)12-3620-08ResearchonHCPA-UF-MBRcombinedprocesstreatinghighcolorandammonianitrogenfromsourcewateratlowtemperature.SUNNan1,TIANWeiwei1,ZHANGYing2*(1.CollegeofWaterConservancyandArchitecture,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China；2.CollegeofResourcesandEnvironment,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(12)：3620~3627Abstract：HighConcentrationofPurifiedAttapulgite(HCPA)wasaddedintoUF-MBRtoformHCPA-UF-MBRprocess,thedecontaminationeffectofHCPA-UF-MBRandUF-MBRparallelsystemstreatinghighcolorandammonianitrogenfromsourcewateratlowtemperaturewasresearched,theperformanceofactivatedsludgeandmembranepollutionineachreactorwasstudied,HCPAfunctionandefficiencywereexamined.Theresultsshowthattheaverageremovalrateofchromaticity,CODMn,NH+4-NandTNwas94.60%,81.61%,98.44%and58.30%,respectively.TheNO−2-NandNO−3-Nconcentrationfromtheeffluentwerelower.AfterHCPAdosing,thedecontaminationeffectandantishockloadingcapabilityofUF-MBRwereimproved.Thesludgetotalactivityandnitrificationactivityincreasedby9.09%and105.88%,respectively.TheHCPA-UF-MBRreactorachievedstabilityinshorttimeandsmallfluctuations.ThenitrificationanddenitrificationprocessesofactivatedsludgeinsideHCPA-UF-MBRreactorweremorefully.Inaddition,HCPAadsorbedorganicmatterinmixtureandimprovedthesludgemixtureproperties.Itmakesthecakelayeronthemembranesurfacemorelooseandmorepermeable.Itreducedeffectivelythedegreeofmembranefouling.Keywords：lowtemperature；highcolorandammonianitrogenfromsourcewater；HCPA-UF-MBR；activatedsludge；membranefouling北方水系受地理位置、气候、地形水文、土壤类型(黑土地富含有机质)、经济发展等因素影响,冬季水质呈现出低温低浊高色高氨氮的明显特征,且不同季节原水水质变化大,为处理工艺及构筑物的设计带来难题,成为水处理工程中亟待解决的难点,特别是2007年7月1日,国家卫生部颁布了《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)[1],对饮用水处理工艺及其安全性提出了更高、更严的要求.研究适合北方寒冷地区低温低浊高色高氨氮水源水的高效水处理技术并进行工程示范与推广,是保障饮用水水质安全的迫切需求,具有重要意义.近年膜技术广泛应用于水处理领域,微滤/超收稿日期：2015-04-23基金项目：黑龙江省博士后科学基金项目(LBH-Z13025)*责任作者,教授,[e-mail]12期孙楠等：HCPA-UF-MBR组合工艺处理低温高色高氨氮水源水研究3621滤(MF/UF)膜用于自来水生产发展特别迅速.随着膜价格的下降,它有望取代混凝、沉淀砂滤、消毒等常规饮用水生产工艺,成为水处理领域最重要的技术革新之一.膜生物反应器(MBR)具有活性污泥法不可比拟的优点,如对水中悬浮固体物质、大分子有机物以及微生物等均有良好去除效果、工艺流程短、占地面积少、污泥浓度高、剩余污泥产量少、易于实现全自动化运行管理等[2];但MBR也存在不足,如对微生物代谢产物、细菌以及溶解性有机物(DOM)等去除能力非常有限,易造成膜污染.为了减少或延缓膜污染,进一步提高饮用水处理效果,大量文献将MBR与其他水处理工艺(如混凝)相结合,实现优势互补[3-4];将粉末活性炭(PAC)等吸附剂[5-6]、颗粒载体[7]等无毒无害的填料添加到MBR中,即便于微生物附着生长,又可利用吸附剂或载体对DOM或胞外聚合物等的强吸附能力来改善污泥混合液的性能,发挥吸附-生物降解-MF/UF膜截留作用以致去除不同污染物.鉴于PAC费用较高,试将高浓度纯化凹凸棒土(HCPA)投加到UF-MBR中,形成HCPA-UF-MBR组合工艺,通过研究UF-MBR、HCPA-UF-MBR两平行系统对低温高色高氨氮水源水的除污染效果、反应器内活性污泥性能以及膜污染情况,考察HCPA的作用机理与效能,探索处理低温高色高氨氮水源水且有效减缓MBR膜污染的新方法,并为HCPA-UF-MBR组合工艺的推广应用提供技术支持.1材料与方法1.1试验装置设置UF-MBR、HCPA-UF-MBR两个平行系统,HCPA-UF-MBR试验装置如图1所示.有效容积均为4L,UF膜组件尺寸为12cm×620根,材料为聚丙烯中空纤维膜,膜孔径0.02~0.2µm,膜面积0.089m2.HCPA-UF-MBR通过上位机编辑进水系统、膜生物反应器水处理系统、出水系统、反冲洗系统、排泥系统和投药装置的运行情况,然后将编辑好的程序下载至可编程逻辑控制器(PLC),利用PLC控制进水泵和排泥泵的开关情况,利用PLC通过第一变频器、第二变频器和第三变频器分别控制空气泵、出水恒流抽吸泵和反冲洗泵的开关与运行情况,利用PLC控制出水-反冲洗三通电磁阀和排泥三通电磁阀具体的连接情况,达到HCPA-UF-MBR全自动运行.图1HCPA-UF-MBR装置示意Fig.1ThediagramofHCPA-UF-MBRapparatus1.配水箱;2.进水泵;3.进水压力表;4.进水流量计;5.进水液位传感器;6.投药装置;7.膜组件;8.膜生物反应器;9.导流筒;10曝气管;11.气体流量计;12.空气泵;13.第一变频器;14.出水-反冲洗三通电磁阀;15.出水恒流抽吸泵;16.第二变频器;17.出水压力表;18.出水流量计;19.清水箱;20.反冲洗泵;21.第三变频器;22.反冲洗压力表;23.反冲洗流量计;24.排泥三通电磁阀;25.排泥泵;26.贮泥池;27.排泥液位传感器;28.排泥阀;29.可编程逻辑控制器(PLC);30.上位机(IFIX软件);5-1.上限水位探头;5-2.下限水位探头;5-3.最低水位探头;27-1.污泥终止探头;27-2.清水终止探头试验中UF-MBR、HCPA-UF-MBR两系统共用一个进水箱,以保证进水水质相同;出水箱独立,以免两系统互相影响;初始接种活性污泥浓度为2000mg/L,运行时间为103d,期间除了正常水样测试外不进行专门排泥,为了保证MBR中HCPA浓度恒定,每次取样后需补充等量的HCPA;运行时每抽吸出水28min[22L/(h·m2)]后反冲洗3min[55L/(h·m2)],当膜压差TMP≥0.055Mpa时,进行膜清洗;处理水量为2L/h,水力停留时间HRT为2h;调节气体流量计保证反应器内通气量5.5L/min,对应水气比500[8],溶解氧浓度为6~7mg/L.反应器外壁设置环形空间循环通过冷却水,保证试验温度10.℃3622中国环境科学35卷1.2污泥驯化与试验用水本试验采用接种方式使反应器快速启动,接种的活性污泥取自哈尔滨市某污水处理厂二次沉淀池的回流污泥,活性污泥用稀释的生活污水模拟天然的微污染水源水进行曝气培养,每曝气2d后静置3h,然后去除上清液,换水继续进行培养,活性污泥驯化一个月后达到成熟.取定量活性污泥放入UF-MBR、HCPA-UF-MBR两反应器内,保证混合液悬浮固体(MLSS)浓度分别为3200~3400mg/L、23000~23400mg/L(PA投加20g/L);混合液活性污泥中有机性固体物质浓度(即混合液挥发性悬浮固体浓度,MLVSS)均为600~700mg/L.试验启动前期仍用稀释的生活污水作为反应器的进水,试验中后期的进水采用松花江配水(各项指标值见表1),为保证进水的NH4+-N、有机物浓度,向松花江水中投加定量NH4Cl、底泥腐殖酸HA、生物易降解的有机碳源葡萄糖等.表1试验原水水质Table1Thesourcewaterqualityintheexperiment运行时间(d)色度(度)CODMn(mg/L)NH4+-N(mg/L)NO2--N(mg/L)NO3--N(mg/L)1~849.23~50.5012.17~12.7413.44~13.600.0025~0.00740.73~0.909~5637.30~47.435.76~6.956.60~7.600.0016~0.0110.022~0.2057~10333.63~46.133.66~4.072.26~3.070.0016~0.0310.022~0.481.3分析方法1.3.1常规项目分析按照《水及废水监测分析方法》[9]中的标准方法,分析色度、NH4+-N、NO2--N、NO3--N,测定色度、NH4+-N、NO2--N、NO3--N值与吸光度值关系方程分别为y=561.33x+0.0304(R2=0.9991)y=5.3923x–0.1974(R2=0.9995)、y