UV氧化生物强化MBR组合工艺处理印染废水的研究陈桂娥

2010年10月第四届中国膜科学与技术报告会论文集UV氧化一生物强化MBR组合工艺处理印染废水的研究陈桂娥1,李啸寰`,“,许振良3`(1.上海应用技术学院,上海200235;2.上海海洋大学,上海201306;3.华东理工大学,上海200237)摘要:采用UV氧化+膜生物反应器(MBR)组合工艺处理印染废水,考察了组合工艺的处理效果以及生物强化作用对MBR工艺的影响.MBR实验条件:水温T一25℃,pH一6,水力停留时间(HRT)一10h,溶解氧(DO)一3一5mg/L,运行60天,强化菌种按0.5%的比例投入MBR.实验表明,组合工艺对TOC的总平均去除率达到89%,具有良好的出水水质.此外,生物强化作用使活性污泥具有更好的生理活性、更高的污泥浓度、更好的沉降性能以及更好的杭冲击负荷能力.关键词:UV氧化;膜生物反应器;印染废水;生物强化目前,国内印染行业每天排放大量的废水.印染废水具有水量大、有机污染物含量高、色度深、成分复杂、毒性强、可生化性差、水质变化大等特点〔`〕.传统处理方法存在有机污染物降解不完全、色度去除率低和处理成本高等问题川.UV氧化法是一种高级氧化技术,在紫外光照射下,体系中双氧水氧化能力大幅提高,对各类有机物有显著的去除效果川,但印染废水色度大,紫外光穿透性差,单独用该工艺处理效果一般川;膜生物反应器(MBR)是传统活性污泥法和膜分离技术相结合的新型污水处理技术,具有效率高、分离效果好、占地少、操作简便且易实现自动化控制等特点川,但染料毒性会抑制MBR中的污泥活性,甚至杀死其中大多数菌种;EM(EffeetiveMieroorganisms)菌群,即有效微生物菌群,通过驯化可以在废水中迅速繁殖,快速分解废水中的有机物困,近年来被广泛应用于污水处理领域.本文通过UV氧化工艺前处理降低印染废水毒性后,产水进人MBR深度处理,并对MBR系统投加EM菌群进行生物强化,达到了更好的处理效果.1材料与方法1.1实验材料实验用水自配,染料为商业化的活性艳蓝KN-R,分子式CZ:H16N:NaZOll3S,废水染料浓度200mg/L左右,TOC浓度84一86mg/L;活性污泥由华东理工大学污水处理厂提供,经实验室驯化后待用;EM菌由北京博峰伟业生物科技有限公司提供;其他试剂为国产分析纯.1.2UV氧化实验方法采用自制紫外光反应器如图1所示,容积4L,有效深度20Cm.原水用稀H:504调节pH到设定值后加人H20:,充分搅拌均匀后打开紫外灯.调节H:02投加量、pH值、反应时间等参数,确定最佳反应条件.经过单因素实验优化后的操作参数如下川:HZO:投量1.849/L,pH值2.0,反应时间180min.产水添加微量营养盐并调节pH后加人MBR原水箱.1.3生物强化MBR实验方法MBR装置如图2所示,反应器为浸没式,有效容积6L,膜组件为自制中空纤维式,膜材料为聚偏收稿日期:基金项目:作者简介:2010一09一24上海市高等学校科学技术发展基金(02HK04);上海市重点学科建设资助项目(1P5ol)陈桂娥(1965一),女,湖北黄梅县人,副教授,从事膜分离技术.二联系人(。[e-mail].。n·470·膜科学与技术2010年时进行重复性实验21次如图4所示,产水TOC稳定在34.2一37.1mg/L,去除率为56.3%一59.6%,效果稳定,可重复性好.100.se.es~.一.一一180芝并迷邢0nU46O,401.185nm紫外灯;2.取样口;3.混匀搅拌装置图1IJV氧化实验装置Fig.1SehaemtiediagramofUVoxidationdeviee又又又lll一一HZO厂1.84留LPH=2.060120180240时间/min0000CU00ù642ǎ一冲切日í侧经`01图3Fig.3Influenee反应时间对处理效果的影响ofreaetiontimeonPollutantsremoval一--一~----,100求、哥毯邢806040200厂卜|卜几卜|0080406020ǎ工冲罗í侧锐.0一1.原水箱;2.蠕动泵;3.反应器;4.膜组件;5.压力表;6.气泵图2MBR实验装置Fig.2SehematiediagramofM13Rexperimentaldeviee氟乙烯(pVI)F),膜孔径0.2拜m,内径0.5mm,有效膜面积。.047m2.全程控制膜通量12.SL(/mZ·h),水力停留时间(HRT)loh,溶解氧(DO)浓度3~5mg/L,pH一6,水温25℃,不排泥.采用连续进水,间歇出水的运行方式,抽吸10min,停2min.将EM菌原液经复壮和驯化后按0.5%的比例投人MBR并启动反应器.复壮过程见参考文献仁7〕.1.4分析方法污泥体积指数(SV)I、活性污泥总量(MLsS):采用标准方法sj[测定;pH:采用雷磁PHs3D型pH计测定;TOC:采用岛津TO--CVcPll型总有机碳分析仪测定;溶解氧(DO):采用JPSJ一605型溶氧仪测定;脱氢酶(DHA):采用TTGDHA法因测定;吸光值:采用TU181。型紫外一可见分光光度计测定.2结果与讨论。原水TOC浓度,产水TOC浓度x去除率“}357911实验次数2、1UV氧化对有机物的去除效果如图3所示,UV氧化对染料去除效果在前150imn较为明显,氧化反应先将染料破坏成若干小分子,再被轻基自由基·OH通过一系列链式反应进一步氧化.反应进行到180min,TOC去除率已达铭%,之后60min内TOC的去除率仅增加1%.同图4重复性实验结果Fig.4Theresultofrepetitivetest采用相同TOC浓度的不同废水作为基质,考察活性污泥的比耗氧速率(S〔)UR)来评价废水对污泥生理活性的影响,其耗氧曲线如图5所示.葡萄糖易生物降解且无毒性,可在微生物呼吸作用中被充分利用,因此当葡萄糖溶液为基质时,污泥比耗氧速率最大,为10.1mgOZ/(gMLSS·h);当原染料废水为基质时,污泥比耗氧速率最小,为2·32mg02/(gMLSS·h),这是由于染料分子本身的毒性大,抑制了活性污泥中各种微生物的正常代谢活动,甚至导致部分微生物物种死亡,基质无法被充分利用;当UV氧化产水为基质时,污泥比耗氧速率为6.14mgOZ/(gMLSS·h),是原染料废水为基质时的2.6倍,因为废水经UV氧化处理后,染料分子结构被破坏,降低了其对污泥的毒性,生物可降解性提高,使其可以被活性污泥利用,为MBR段后续生物处理提供了稳定可用的原水.论文集陈桂娥等:LIV氧化一生物强化M13R组合工艺处理印染废水的研究了=7511一0.194xRZ=0一9990原染料废水Uv氧化产水`葡萄糖溶液y二8刀65一0.536%_RZ=09983少=8.123一0名48xRZ=0一999402468时间t/minǎ一ù爹)z的的闷层图5不同基质条件下污泥耗氧速率拟合曲线Fig.5Sludgeoxygenuptakeratefordifferentsubstrates2.2生物强化MBR对有机物的去除效果对两组MBR系统60d运行周期内处理效果的监测如图6所示.结果表明,强化组在60d内的出水T(〕C一直较为稳定,而未强化组在运行的前30d内出水T()C略有波动.运行周期内进水TOC浓度为34.2一37.ling/L,未强化组出水TOC浓度为16.1一19.1mg/L,而强化组出水TOC浓度为9.1一n.2mg/L,强化组的平均去除率比未强化组提高了20%,效果良好,且稳定性优于未强化组.这主要是因为EM菌群对UV氧化产水中的有毒物质具有一定的耐受性和生物降解能力,在一定程度上进一步降低了废水毒性,提高了整个活性污泥体系对有机物的利用率〔’们.强化组运行期间未补充投加EM菌,出水水质保持稳定,活性污泥性状维持良好,表明EM菌在MBR系统中可以稳定存活并增殖,且未对原活性污泥体系造成有害影响,同时,膜组件的截留作用在很大程度上避免了EM菌群的流失.2.3EM菌强化对污泥浓度的影响污泥浓度(MLS)S的变化反映了活性污泥中的微生物的增殖情况.对两组MBR系统60d运行周期内MLSS监测如图7所示.运行初期由于水中有毒物质含量比驯化期间有了较大提高,MLSS均有一定降低,说明一些不适应的菌群逐渐被淘汰.sd后,系统趋于稳定,适应性菌群开始正常增殖,MLSS上升.强化组MLSS在3Od内从4500mg/L上升到5600mg/L,未强化组MLSS在30d内从4500mg/L上升到4600mgI/,,强化组具有更高的MLSS和更快的增长率.这是因为EM菌群不仅可以进一步降低废水毒性,还可以在短时间内与活性污泥体系形成新的互利共生体系,比未强化组更好更快的适应新环境.4268ǎ马旨í(00)崛签连一强化组一未强化组1020304050600nUnUnU010CU0CU0Oùjoù、ù06ùfùǐ气à44时间t/d50}二:二4U卜一`一原水未强化组出水强化组出水丫尸,,卜洲入伙之味砂尹一、r.入,一~20七`令气~人人一~---一卜”一一一_10卜自~一`一去~`一`~~`ǎ爪甲瀚任í径赵`0一102030405060时间z/d图6MBR对TOC的去除效果Fig.6T(X二removaleffeetofMBR图7运行期间污泥浓度的变化Fig.7ChangesofMLSSduringtheoperationphase2.4EM菌强化对污泥沉降性能的影响采用污泥体积指数(SVD衡量污泥的沉降性能,结果如图8所示.运行初期EM菌未与污泥完全结合,前1d0的SVI下降是由于污泥颗粒对水中染料分子的吸附作用造成的.1d0后,未强化组吸附作用饱和,SVI基本稳定在70一74mL/9.强化组中EM菌会和活性污泥结合成新的互利共生体系,故其SVI继续降低,25d后稳定于53一56ml才/g,强化组污泥沉降性好于未强化组.虽然MBR中的污泥沉降性和出水水质无关〔11〕,但污泥膨胀会加重膜污染,降低膜通量,给运行带来一系列问题呻习.因此,保证良好的沉降性对MBR正常运行是非常重要的.2.5EM菌强化对活性污泥生理活性的影响脱氢酶(DHA)是由活生物体产生的一种蛋白质,能促使有机物脱氢,从而将氢原子传递给特定受氢体而完成氧化还原反应口`口,因此,DHA反映了生·742·膜科学与技术2010年二:二未强化组强化组一/一`\,一厂一ō.叫翩ō侧|词|刻。ǎ工冲爹)21净叨时间t/dǎ一冲爹丫406020侧径奋C一书鹭100806040图8运行期间污泥体积指数的变化Fig.8ChangesofSVIduringtheoperationphase物体的活性状态.实验考查了系统运行60d内活性污泥DHA的变化,结果如图9所示.废水经过UV氧化降解,但中间产物可能含有一定芳胺类化合物,对活性污泥仍然有一定的毒性,且废水中碳原较为单一,故DHA总体均呈下降趋势.强化MBR加菌后DHA有短暂上升,这是由于所投加EM菌活化后生物活性很高造成的.但是随着运行周期延长,EM菌也会受到毒性和碳原单一性的影响,DHA开始下降.未强化MBR中,活性污泥DHA在10d内急剧下降,之后稳定在25一26拼gTF/(mg·h).强化MBR中DHA下降速率低于未强化MBR,且在40d后稳定在38一39拼gTF/(mg·h),高于未强化MBR,主要是由于EM菌在一定程度上提高了活性污泥体系对难降解中间产物的降解率,进一步降低了废水毒性.分三个周期逐渐提高进水负荷,每期10d.三期UV氧化预处理后的废水TOC分别为70.7一72.5mg/L、94.7~97.1mg/xJ和141一143mg/L,结果如图10所示.实验表明,虽然每次进水负荷增加时强化组出水TOC略有增高,但很快恢复到15mg/L以下,出水水质良好稳定;未强化组出水TOC随进水负荷增加而持续增高,运行的第三期出水T〔)C已经超过36mg/L.强化组MBR受到冲击时表现出了较好稳定性和恢复能力,且对TOC负荷有更高的承受力.这种强化效应是由于